沖擊荷載作用下EPS混凝土動態性能研究

白二雷， 許金余，2，高志剛

(1.空軍工程大學 工程學院，西安 710038;2.西北工業大學 力學與建筑工程學院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(Expanded Polystyrene Concrete，簡稱EPS混凝土)是一種用聚苯乙烯發泡顆粒作輕骨料的礦物質膠結輕質材料。隨著科技的發展、居住等生活水平的提高，廢棄的EPS顆粒隨處可見，嚴重污染環境。回收廢棄的EPS顆粒用作混凝土的輕集料，將產生很好的經濟、社會及環保效益。此外，EPS混凝土還具優異的抗沖擊力學性能。因此，EPS混凝土在民用建筑結構及軍事防護工程領域應用前景廣闊。

關于EPS混凝土的研究主要有:Cook等［1］對EPS作為混凝土的集料進行了研究，提出輕骨料的兩種生產方式。李俊峰［2］與陳兵等［3］研究了EPS輕混凝土的生產與應用，并對試件進行了抗拉及抗壓試驗，測試其力學性能。Bischoff等［4］通過實驗證明了 EPS混凝土具有較強的吸能功能，并將其應用于結構的抗沖擊保護層。Perry等［5］對摻加不同EPS顆粒，不同外加劑的EPS混凝土物理力學性能進行了研究。姜德民等［6］研究了提高EPS混凝土強度的方法。

綜上所述，目前對EPS混凝土的研究主要集中在對其制備技術、物理性能、準靜態力學性能的研究，而對其在沖擊荷載下動態力學性能及變形特性的研究較少。基于此，本文采用大直徑(Φ100 mm)分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗裝置對不同體積摻量的EPS混凝土在不同應變率下的動態性能展開研究，為EPS混凝土在工程中的應用提供理論指導。

1 EPS混凝土SHPB試驗

1.1 試驗材料及方案

混凝土基體材料:P.O 42.5R秦嶺水泥，28d抗壓強度為48.6 MPa;韓城第二發電廠生產的一級粉煤灰;涇陽縣石灰巖碎石(5 mm～10 mm，15%;10 mm～20 mm，85%);灞河中砂，細度模數為2.8;硅灰(0.1μm ～0.15 μm);減水劑:廣州建寶新型建材有限公司生產的FDN高效減水劑;EPS顆粒采用高陵縣泡沫廠的再生EPS顆粒(2～8 mm)，該顆粒級配分布均勻，表面粗糙，部分顆粒開口，水泥漿體容易進入孔隙，有利于EPS顆粒與水泥基體的粘結，可克服EPS顆粒與水泥漿體的離析現象。EPS混凝土配合比見表1。根據EPS顆粒特點，實驗采用AEP攪拌工藝，該工藝能夠使拌合物均勻，克服離析現象，具體制備養護工藝流程如圖1所示。

表1 EPS混凝土的配合比 (kg/m3)Tab.1 Mix proportions of EPS concrete

圖1 EPS混凝土制備養護工藝Fig.1 Preparing and maintenance technology for EPS concrete

EPS體積摻量分別為 10%、20%、30%、40%、50%，每種摻量各制12個圓柱形試件。試件尺寸直徑為99±1(mm)，長度為49.5±1(mm)。試件用鋼模具澆筑而成，標準養護后進行切割，表面采用磨床精密加工，表面不平行度小于0.02 mm。試件標準養護28 d后進行試驗。

1.2 試驗裝置及原理

試驗采用空軍工程大學工程學院防護試驗室的Φ100 mm分離式SHPB試驗裝置，如圖2所示。SHPB試驗技術被廣泛應用于混凝土［7－8］、巖石［9］、軟材料及松散材料［10－11］等多種材料動態力學性能的測試。

圖2 Φ100 mm SHPB試驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of 100-mm-diameter SHPB apparatus

圖3 不同體積摻量EPS混凝土的應力—應變曲線Fig.3 Stress versus strain curves of concrete specimens reinforced with different volume fractions of EPS

表2 EPS混凝土SHPB試驗結果Tab.2 Summary of SHPB experiment on EPS concrete specimens

試驗的基本原理是細長桿中彈性應力波傳播理論［12］，建立在兩個基本假設的基礎上:① 平面假設，即應力波在細長桿中傳播過程中，彈性桿的每個橫截面始終保持平面狀態;② 應力均勻假設，即應力波在試件中傳播兩個來回以上，試件中的應力處處相等。為滿足平面假設及應力均勻假設，本文采用文獻［13］提出的試驗技術。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

不同體積摻量的EPS混凝土SHPB試驗結果見表2，其應力應變曲線見圖3。

2.2 試驗結果討論

2.2.1 動態抗壓強度

根據表2的試驗數據可得出EPS混凝土的動態抗壓強度隨平均應變率變化關系如圖4所示。

從圖中可以看出，EPS混凝土動態抗壓強度隨平均應變率的提高近似線性增加，具有顯著的應變率相關性。同時，隨著EPS體積摻量的增加，混凝土的動態抗壓強度降低，且降低幅度呈現規律性比較明顯的梯降。

2.2.2 臨界應變

根據表2的試驗數據得臨界應變隨平均應變率的變化關系如圖5所示，從圖中可看出，臨界應變隨平均應變率近似線性增長，表現出顯著的應變率相關性，通過擬合可得到臨界應變隨平均應變率的變化關系，即:

本文引入臨界應變增長率定義，即EPS混凝土臨界應變相對于基體混凝土臨界應變的增長百分比計算增長率，進而得到臨界應變增長率隨平均應變率的關系曲線，如圖6所示。

圖4 EPS混凝土動態抗壓強度隨平均應變率變化情況Fig.4 Dynamical compressive strength vs.average strain rate for EPS concrete

圖5 EPS混凝土臨界應變隨平均應變率變化情況Fig.5 Critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

圖6 EPS混凝土臨界應變增長率隨平均應變率的變化情況Fig.6 Increase ratio of critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

從圖中可看出:EPS顆粒的摻入對混凝土均有一定的韌化效果，變形能力得到提高，且不同體積摻量的EPS混凝土變形能力均隨應變率的增加而提高。EPS體積摻量為10%時，在應變率為45～80 s－1范圍內，EPS混凝土的變形性能得到提高及改善，80 s－1時的臨界應變增長率為5%;EPS體積摻量為20%時，在應變率為35～80 s－1范圍內，EPS混凝土的變形性能得到提高及改善，80 s－1時的臨界應變增長率為8%;EPS體積摻量為30%時，在應變率為32～80 s－1范圍內，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時的臨界應變增長率為9%;EPS體積摻量為40%時，在應變率為30～80 s－1范圍內，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時的臨界應變增長率為20%;EPS體積摻量為50%時，在應變率為5～80 s－1范圍內，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時的臨界應變增長率為10%，其改善的應變率范圍雖然最廣，但其改善效果不明顯，臨界應變隨應變率的增長變化不大。綜上分析，以EPS顆粒對基體混凝土的沖擊變形能力的改善效果作為衡量標準，EPS顆粒體積摻量為40%時改善效果最佳。

3 EPS顆粒對混凝土動態性能改善機理

3.1 應變率效應

從EPS混凝土的SHPB實驗結果可以看出，在相同EPS體積摻量條件下，EPS混凝土動態抗壓強度與臨界應變隨平均應變率近似線性增長，表現出明顯的應變率效應。主要是在沖擊荷載作用下，混凝土內部、骨料周圍及整個水泥漿體中產生了大小不同的微裂紋與微孔洞等損傷。混凝土材料的破壞是因裂紋的產生和擴展所致，裂紋產生所需能量遠比裂紋擴展所需能量高。應變率越高，撞擊速度越大，產生的裂紋數目亦越多，因而需要的能量就越多。而EPS混凝土主要通過其空腔結構的變形等消耗能量，因而應變率越高，其動壓越大，變形越大。

3.2 微結構效應

為從微觀上研究EPS顆粒對混凝土變形性能的改善機理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察EPS體積摻量為0%，40%，50%的微觀結構(放大1000倍)，圖7為EPS顆粒與水泥漿體界面的微觀結構圖。

圖7 不同體積摻量EPS混凝土的SEM圖，(×1000)Fig.7 SEM for EPS concret with different volumetric fractions，(×1000)

從圖7可以看出，未摻入EPS顆粒的混凝土結構比較致密，存在一定孔隙;體積摻量為40%的EPS混凝土，EPS顆粒一部分均勻分布于水泥砂漿表面，一部分填充了混凝土的孔隙;而體積摻量為50%的EPS混凝土，難以攪拌均勻，使混凝土中出現大量孔隙，EPS顆粒在混凝土中的分布極不均勻。

從以上結果分析得出EPS顆粒對混凝土變形性能的改善機理為:① EPS顆粒的置換效應，即將再生EPS顆粒作為輕骨料，置換部分砂石摻入素混凝土。而置換的EPS顆粒孔腔結構決定了其具有良好的能量吸收特性。當EPS混凝土受到外界沖擊載荷時很容易發生變形，變形量大而流動應力水平低，在壓縮變形過程中消耗大量的功，將其轉變為結構中泡孔的變形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而有效地吸收外界的沖擊能量，提高混凝土抗沖擊變形性能。② EPS顆粒的空間效應。即EPS顆粒的摻入改變了混凝土骨架結構的受力狀態，受力后易產生較大變形，剛度降低，韌性提高。

當EPS體積摻量達到50%時，其變形性能反而降低，這主要是由于EPS混凝土本身是一種多相復合不均質材料且各向異性。當EPS體積摻量達50%以上時，在混凝土制備過程中很難攪拌均勻，離析現象嚴重，在混凝土中造成大量孔隙，同時界面粘結性差，混凝土內部所形成孔腔結構的不均勻性加劇，從而導致其韌性降低。

4 結論

(1)EPS混凝土的動態抗壓強度隨平均應變率的提高近似線性增加，具有顯著的應變率相關性。同時，隨著EPS體積摻量的增加，混凝土的動態抗壓強度降低，且降低的幅度呈現規律性較明顯的梯降。

(2)EPS顆粒的摻入使混凝土變形能力得到提高，相同體積摻量的EPS混凝土變形能力隨應變率的增加而提高，具有顯著的應變率相關性。

(3)在EPS顆粒體積摻量0～40%范圍內，EPS體積摻量越高，其抗沖擊變形性能越好;當EPS體積摻量達50%時，其變形能力有所降低。以EPS顆粒對基體混凝土沖擊變形能力的改善效果作為衡量標準，EPS顆粒體積摻量為40%時改善效果最佳。

(4)EPS顆粒對混凝土動態性能的改善機理主要在于應變率效應及微結構效應。

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