EPS混凝土動態力學性能研究

胡 俊，巫緒濤，胡時勝

(1.中國科學技術大學 力學和機械工程系，合肥 230027;2.安徽建筑工業學院 土木工程學院，合肥 230601，3.合肥工業大學 土木工程學院，合肥 230009)

泡沫混凝土盡管是在1923年首次被發明的［1]，但一直沒有得到廣泛的應用，直到最近幾十年來由于混凝土材料的發展，泡沫混凝土目前已廣泛應用于各類民用建筑中，諸如復合墻板，港口的擋土墻，填充夾芯構件等。Kearsley和Wainwright就高摻量粉煤灰對泡沫混凝土性能的影響進行了大量實驗研究，據此給出了優化的粉煤灰與水泥的摻量比，并且研究了孔隙率和強度之間的關系［2－4]。Jones和 McCarythy研究了在泡沫混凝土中用一種低鈣粉煤灰代替砂對其抗壓強度的影響，同時也研究了粗、細粉煤灰及聚丙烯纖維對泡沫混凝土力學性能的影響［5－6]。Kunhanandan Nambiar和Ramamurthy研究了泡沫混凝土抗壓強度隨細砂填料的細化而提高［7]。

將發泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，簡稱EPS)作為輕質骨料加入混凝土制作的EPS混凝土是一種新型節能建筑材料。EPS混凝土是由混凝土和輕質泡沫材料EPS復合而成，它具有以下復雜特性:① 組分復雜，由均勻性差、材質很脆的混凝土和均勻性好、質地柔軟的EPS組合，從而導致了這種復合材料力學行為的復雜性;② 在變形過程中，除表現出各自的力學行為外，兩者的相互作用會呈現出獨特的力學行為。同時，EPS顆粒的加入，能夠影響混凝土中裂紋的擴展，有效改變混凝土的脆性破壞形態。Roy、Ganesh Babu和Laukaitis研究了EPS混凝土強度和EPS顆粒粒徑之間的關系［8－10]。Miled、Sab 和 Le Roy對 EPS 混凝土的尺寸效應和破壞機理進行了研究，結果表明:對于同樣體積含量的EPS混凝土，其抗壓強度隨EPS粒徑的降低而顯著增加是由和EPS粒徑大小相關的顆粒尺寸效應決定的，而不是由和試樣大小相關的體積尺寸效應所決定的;并且發現:對于較低體積含量的EPS混凝土，這種尺寸效應很顯著，而隨EPS顆粒體積含量的增加，這一尺寸效應不明顯;研究了EPS混凝土尺寸效應的物理機制［11]。陳兵等研究了EPS混凝土抗壓強度、劈裂強度、抗折強度性能［12－13]。

以上研究都是基于準靜態下的EPS混凝土的力學性能的研究。由于混凝土材料是一種應變率敏感性材料，尤其對于在爆炸和沖擊荷載作用下具有良好的緩沖吸能能力的EPS混凝土這種材料，研究EPS混凝土的動態力學性能顯得很重要，而目前對于EPS混凝土的動態力學性能的研究很少。本文主要利用大尺寸分離式Hopkinson壓桿(簡稱SHPB)進行單軸沖擊壓縮實驗來研究EPS混凝土的動態力學性能。

1 試樣的制備和試驗裝置

1.1 原材料與配比

(1)水泥:強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其28天抗壓強度為48.4 MPa，密度為3 100 kg/m3;

(2)粗骨料:石子公稱粒徑為5 mm～10 mm，含泥量為 0.3%;

(3)細集料:細集料采用河沙，細度模數為2.5，表觀密度為2 660 kg/m3;

(4)EPS 顆粒:直徑3.0 mm，密度18 kg/m3;直徑1.0 mm，密度 30 kg/m3;

(5)減水劑:聚羧酸高效減水劑;

(6)混凝土基體密度為2 446 kg/m3，抗壓強度為110 MPa，彈性模量為34 MPa。

其配合比見表1、表2。

表1 3 mm粒徑的EPS混凝土配比Tab.1 Proportion of EPS concrete mixes containing 3mm EPSgranular

表2 1 mm粒徑的EPS混凝土配比Tab.2 Proportion of EPS concrete mixes containing 1mm EPSgranular

1.2 試件制作

采用30L的攪拌機進行拌合。先將砂、水泥加入攪拌機中拌合2min;接著將石子加入其中拌合2min;然后將EPS顆粒加入其中拌合5 min;最后將減水劑加入水中拌合均勻并逐步加入拌合物中拌合5 min～10 min，將均勻的EPS混凝土拌合物裝入模具振搗成型。由于EPS顆粒的輕質性和憎水性，本文采用添加氯丁乳膠對EPS混凝土進行改性，以改善EPS顆粒與水泥砂漿體的粘結力，另外在振搗時，嚴格控制振搗時間，防止EPS顆粒上浮，使EPS顆粒能夠均勻的分布在混凝土基體中。24 h后脫模，用鋁紙包好放在標準養護室養護28天。試樣尺寸采用直徑為70 mm、高度為35 mm的圓柱體。由于EPS混凝土在極小的應變下就已失效或破壞，試件端面的不平行或不平整都可能導致局部失效和應變測量的不精確，因此在SHPB壓縮試驗中，必須保持試件兩個端面嚴格平行。試樣如圖1所示。

圖1 EPS粒徑為3mm和1mm的EPS混凝土試樣Fig.1 The specimen of EPSconcrete containing respectively 3mm and 1mm EPSbeads.

1.3 試驗裝置

由于混凝土是一種復合材料，其骨料尺寸較大，而在骨料周圍及整個材料中布滿了大量不規則的裂隙、氣泡等缺陷，這就要求試件的尺寸必須足夠大，用來做沖擊的裝置也要足夠大，因此EPS混凝土沖擊壓縮試驗所選的設備為φ74變截面SHPB裝置。鑒于EPS混凝土材料的波阻抗比較小，透射信號比較弱，本文在透射桿上還采用了半導體應變片技術采集透射波信號。φ74變截面SHPB裝置見圖2。

圖2 SHPB裝置Fig.2 Schematic of the SHPB setup.

2 試驗結果以及分析

本文對粒徑是3 mm和1 mm、體積含量分別為10%、20%、30%、40%四個系列的EPS混凝土進行了SHPB試驗，試驗結果和分析如下:

2.1 粒徑為3 mm的EPS混凝土試驗結果和分析

粒徑為3mm、體積含量分別為10%、20%、30%、40%的EPS混凝土在不同應變率下工程應力－應變曲線如圖3～圖6所示。由圖3～圖6可以看出，EPS混凝土具有不同于普通混凝土的率效應:① 不同體積含量的EPS混凝土在本文所測定動態的前一、二個應變率下應力－應變關系都表現出明顯的三個不同的階段:在壓縮開始表現出一個線彈性區，后面接著一個應力近乎恒定的平臺，最后進入一個應力陡然升高區。線彈性區主要是由于混凝土基體材料的孔壁(骨架)支撐所引起的，孔壁屈曲坍塌形成平臺區;坍塌的混凝土碎塊及EPS顆粒被進一步壓縮則形成應力陡升區。隨著應變率的逐漸加大，上述三個不同的階段的力學特性逐漸消失，這主要是由于在高應變率下，混凝土基體材料孔壁處大量微裂紋來不及擴展，遲緩的屈曲坍塌已受到孔壁內EPS顆粒應變率增強效應影響，第二階段的屈曲平臺區已不明顯，并直接形成應力陡升區。② 對不同體積含量的EPS混凝土，隨應變率的增加，試件在峰值應力后的殘余強度也在增長。其主要是由于以下原因:① EPS顆粒基體為粘彈性的泡沫材料，具有較強的緩沖吸能特性;② 由于EPS顆粒的加入，增加了EPS顆粒和混凝土顆粒之間的粘性。

圖3 粒徑3mm、含量10%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.3 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 10 EPSgranular

圖4 粒徑3mm、含量20%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.4 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 20 EPSgranular

圖5 粒徑3mm、含量30%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.5 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 30 EPSgranular

圖6 粒徑3mm、含量40%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.6 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent40 EPSgranular

圖7 粒徑1mm、含量10%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.7 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 10 EPSgranular.

圖8 粒徑1mm、含量20%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.8 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 20 EPSgranular

2.2 粒徑為1 mm的EPS混凝土試驗結果及分析

圖7～圖10是粒徑為1 mm的EPS混凝土在不同體積含量、不同應變率下的應力－應變曲線。從圖7～圖10中可以看出，1 mm粒徑的EPS混凝土和3 mm粒徑的EPS混凝土具有相似的特性，即在低應變率下應力－應變關系表現出明顯的三個階段，在高應變率下這一特征逐漸消失。但是對于1 mm粒徑的、體積含量分別為10%、20%、30%、40%EPS混凝土，在應變率分別為 19(s－1)、27(s－1)、28(s－1)、30(s－1)時，EPS 混凝土的平臺區比3 mm粒徑的EPS混凝土平臺區更明顯。根據Miled和Sab等對EPS混凝土的力學性能研究結果表明:EPS混凝土的破壞主要由準微觀脆性指數(Brittleness Mesoscopic Number)決定的，準微觀脆性指數是幾何長度(Geometric Length)和材料特征長度(Characteristic Material Length)的比值，幾何長度主要和EPS顆粒的體積含量和EPS顆粒的粒徑的大小有關，材料特征長度是由基體材料不均勻性的最大尺寸所確定的［11];因而對于同樣基體、同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的準微觀脆性指數小，表明其脆性較小、延性較大，所以對于同樣體積含量的EPS混凝土，小孔徑的EPS混凝土平臺區更明顯。從圖7～圖10中可以看出:對于同樣體積含量的EPS混凝土，隨應變率的增加，峰值應力后都有一定的殘余強度，比較3 mm粒徑和1 mm粒徑的EPS混凝土的應力－應變曲線可以看出，1 mm粒徑的EPS混凝土峰值應力后的殘余強度明顯高于3 mm粒徑的EPS混凝土峰值應力后的殘余強度，說明對于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土比粒徑大的EPS混凝土具有更好的緩沖性能。從圖7～圖10中可以看出，EPS混凝土平臺區段都比較小，主要是由于混凝土基材是脆性材料，塑性變形比較小，孔壁通過脆性壓損而破壞。

圖11和圖12分別是粒徑為3 mm和1 mmEPS混凝土的峰值應力和應變率的關系。從圖中可以看出，EPS混凝土的峰值應力隨EPS顆粒體積含量的增加而顯著降低，并且隨EPS顆粒體積含量的增加，其峰值應力變化逐漸減小。從圖11和圖12中可以看出，對于體積含量為40%、粒徑分別為3 mm和1 mm的EPS混凝土，其峰值應力分別在19 MPa～26 MPa之間和20 MPa～23 MPa之間，EPS顆粒粒徑的大小對峰值應力影響很小，即隨EPS顆粒含量的增加，EPS混凝土粒子尺寸效應逐漸消失;由于EPS混凝土的破壞主要有兩種形式:脆性破壞和延性破壞［8]，脆性破壞是由大量的微裂紋相互結合形成相互貫通可控制強度的宏觀裂縫所引起的，而延性破壞是由于大量分布的微裂紋所引起的;隨EPS含量的增加，EPS顆粒周圍混凝土基體中微裂紋的數量急劇增加，在高體積含量的EPS混凝土中，其破壞時，大量微裂紋沒有相互結合形成貫穿裂縫，所以EPS顆粒粒徑的影響比較小。圖13是體積含量分別為10%和40%、粒徑為1 mm的EPS混凝土破壞形態。

圖9 粒徑1mm、含量30%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.9 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 30 EPSgranular

圖10 粒徑1mm、含量40%的EPS混凝土應力－應變曲線Fig.10 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 40 EPSgranular

圖11 3mm粒徑的EPS混凝土峰值應力和應變率的關系Fig.11 Peak stress-vs.strain rate curve containing 3mm EPSbeads.

圖12 1mm粒徑的EPS混凝土峰值應力和應變率的關系Fig.12 Peak stress-vs.strain rate curve containing 1mm EPSbeads

圖13 1mm粒徑、體積含量為40%的EPS混凝土兩種破壞形式:脆性破壞和延性破壞Fig.13 Two broken EPSconcrete specimens for percent 40 EPSvolume fractions containing 1mm EPSgranular:quasi-brittle failure mode and ductile failure mode

3 結論

(1)不同粒徑、不同體積含量的EPS混凝土應力－應變關系在本文所測定的前兩個應變率下表現出明顯的三個不同的階段:彈性區，近似平臺區，致密區，但是隨應變率的增加，這一特性會逐漸消失;并且對同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土平臺區表現得更明顯。

(2)隨應變率的增加，EPS混凝土在峰值應力后留有長長的“尾巴”，并且對于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土峰值應力后的“尾巴”強度要大于粒徑大的EPS混凝土峰值應力后的“尾巴”的強度。

(3)對于不同粒徑的EPS混凝土，隨EPS顆粒體積含量的增加，其粒子尺寸效應逐漸消失。

(4)對于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土比粒徑大的EPS混凝土具有更好的緩沖性能。

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