高應變率下橡膠混凝土壓縮和劈裂試驗研究

陳瑞林，巫緒濤，朱俊凱，金大帥

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年來，國內外由廢舊橡膠的大量產出而導致的“黑色污染”問題日益突出，廢舊橡膠的回收再利用具有重要的環保意義。在混凝土基體中摻入廢舊橡膠粉而制成的橡膠混凝土(RC)是一種集合了脆性和韌性材料優點的新型環保混凝土。其不僅將廢舊橡膠由黑色廢料和環境公害轉變為環境友好型的綠色資源，而且具有質輕、韌性及吸能效果良好等性質，在抗沖擊、抗爆震等方面具有較高要求的民用建筑和防護工程領域具有廣泛的應用。從20世紀80年代開始，橡膠混凝土力學性能的研究就引起了一些學者的關注。如T.S.Nagaraj等[1]對由超塑性天然橡膠乳作為摻合料制成的改性混凝土的基本力學性質進行了研究，得到橡膠乳對混凝土的延性、抗壓和抗拉強度均具有一定影響的結論。T.D.Biel等[2]對摻有廢舊橡膠粒的混凝土進行了抗壓和劈裂試驗，得出與普通混凝土相比，其抗壓強度和劈裂強度均大幅降低的結論。隨后，國內外學者對橡膠混凝土的靜態力學性質開展了系列的試驗研究[3-7]。研究發現，與普通混凝土相比，橡膠混凝土的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、抗折強度等均顯著降低，韌性得到改善。目前對于橡膠混凝土的動態力學性能的研究尚處于起步階段，K.B.Najim[8]和袁勇等[9]均對橡膠混凝土的動力特性進行了試驗，但其內容均僅局限于與靜態性質相比較的動態彈性模量、剪切模量、泊松比等方面，而這些動力特性不能全面反應橡膠混凝土的抗沖擊性能。郭永昌等[10]對橡膠混凝土進行了沖擊壓縮試驗，探討了橡膠混凝土的動態抗壓性能，但未研究其動態抗拉伸性能。

本文采用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)對3種橡膠粉摻量及2種粒徑的RC試樣進行了3個應變率下的沖擊壓縮和動態劈裂試驗。系統的探討了RC在高應變率下壓縮和拉伸兩方面的動力性能，并進行對比分析，以更全面地反應RC的抗沖擊性能而更好地指導RC在實際工程上的應用。

1 試驗內容

1.1 橡膠混凝土的制備

制備了兩種橡膠粉粒徑(2mm，0.2mm)和四種體積摻量(0%，15%，30%，45%)的RC試樣。試驗所用材料包括42.5級普通水泥、粒徑5～9.5mm的碎石、粒徑0.3～2.5mm的河沙等。詳細配合比如表1所列。其中橡膠粉摻入方式為保證水灰比不變的情況下等體積替換砂和碎石。

兩種橡膠粒徑不同摻量的橡膠混凝土配合比 表1

分別制作了兩種尺寸的圓柱狀試樣：直徑50mm，高40mm的短試樣(用于沖擊壓縮和靜、動態劈裂試驗)，直徑50mm，高150mm的長試樣(用于靜態壓縮試驗)。各材料組分經攪拌充分、注入模具、振搗均勻后，標準養護28d。對試樣上下端面進行磨削加工，保證其不平行度在0.05mm以內。

1.2 試驗裝置及原理

分別進行包含壓縮和劈裂在內的靜態和3個應變率下的動態試驗：靜態試驗采用電子萬能試驗機，動態試驗采用圖1所示的直錐變截面SHPB裝置。進行SHPB試驗時，撞擊桿高速撞擊入射桿產生入射波εi(t)，與試樣發生作用后產生反射波εr(t)和透射波εt(t)，分別被桿上粘貼的應變計及連接的瞬態數據采集裝置記錄。試驗記錄的典型入射、反射、透射波如圖2所示。采用了如下措施減少試驗誤差：①為了減小試樣離散的影響，相同條件下的試驗至少保證有3個試樣；②在試樣和透射桿之間安裝萬向墊塊消除試樣端面與壓桿間的微小間隙；③使用橡膠墊片（第一、第二應變率）和紫銅片（第三應變率）作為波形整形器以減少應力波傳播的波形彌散。

圖1 SHPB裝置

圖2 典型的入射、反射、透射波

對于沖擊壓縮試驗，按式(1)計算得到各試樣的應變 ε(t)和應力 σ(t)：

對于動態劈裂試驗，可由透射波εt(t)求得試樣所受外力P(t)和試樣中心處與受力方向垂直的拉應力σt(t)，如式（2）所示：

式中，D0為試樣直徑。當σt(t)最大時即為劈裂強度 σb。

2 試驗分析

2.1 沖擊壓縮試驗

按式（1）處理得到每個試樣的應力-應變曲線，并對同一試驗類型下的多條曲線進行平均處理。部分數據處理結果如圖3～8所示，其中圖3～4所示分別為抗壓強度fc及εt峰值應變（抗壓強度對應的應變）與應變率的關系，圖5～6所示分別為動態第一、第三應變率下不同材料類型的試樣應力-應變曲線。圖7～8所示分別為30%、45%橡膠摻量的試樣在不同應變率下的應力-應變曲線。其中，動態第一、第二、第三3個應變率的數值范圍分別為（8.9～12.5）s-1、（15.3～23.9）s-1、（47.8～58.9）s-1。

圖3 抗壓強度-應變率關系

圖4 峰值應變-應變率關系

圖5 動態第一應變率下試樣應力-應變曲線

圖6 動態第三應變率下試樣應力-應變曲線

根據圖3～8得到如下分析結果。

①應變率效應：在沖擊壓縮荷載作用下，素混凝土與RC均具有顯著的應變率效應。

首先，如圖3所示，RC和素混凝土的抗壓強度fc均具有明顯的應變率增強效應，且其增強效應隨應變率的增大具有減緩趨勢。但與素混凝土不同的是，RC的減緩趨勢更為顯著，且橡膠粉摻量越大，減緩的幅度越大。其中動態第一、第二、第三應變率下與相應的低一級應變率相比，素混凝土的抗壓強度分別提高82.9%、29.4%、13.7%，0.2mm粒徑15%橡膠粉摻量的RC分別提高98.3%、17.0%、12.1%，0.2mm粒徑45%橡膠粉摻量的RC分別提高144.2%、13.9%、5.2%。這也證明了混凝土是率敏感性材料，與準靜態下的主裂紋沿薄弱界面擴展不同，高應變率動載作用下大量微裂縫同時發展，所需的能量大幅增加，導致其強度顯著提高。而由于橡膠的率敏感性遠沒有混凝土材料顯著，兩者摻合作用后，應變率增強效應減弱。

其次，如圖4所示，峰值應變εp也具有明顯的應變率效應：隨應變率增大而增大，且具有減緩趨勢。其減緩趨勢與抗壓強度不同，橡膠粉摻量較少時減緩幅度明顯，而摻量較多時減緩幅度不明顯。

圖7 30%摻量時試樣應力-應變曲線

圖10 DIF與應變率的關系

②橡膠粉摻量的影響

如圖5～6所示，橡膠粉摻量顯著影響RC的應力-應變曲線的形態：橡膠粉摻量越大，曲線越低矮平緩。即橡膠粉摻量越大，抗壓強度降低得越多，韌性越好。這正是橡膠材料的特點在復合混凝土中的體現。與素混凝土相比，0.2mm粒徑、15%，30%，45%橡膠摻量的RC在動態第一應變率時抗壓強度分別減少33.4%、48.7%、68.1%，第二應變率時分別減少36.7%、61.7%、74.0%。均顯著大于橡膠粉的摻量（15%、30%、45%），可見，橡膠粉的摻入，混凝土強度降低幅度不能簡單歸結于材料置換，更重要的是產生了大量的薄弱界面。

③橡膠粉粒徑的影響

如圖7～8所示，相近應變率下小粒徑RC的抗壓強度高于相同摻量的大粒徑RC，且靜態提高的幅度大于動態。例如45%橡膠摻量時，與大粒徑RC相比，在靜態和動態第一、第二、第三應變率下小粒徑RC的抗壓強度分別提高19.9%、6.3%、9.3%、4.4%。這主要是由于大粒徑橡膠粉與混凝土的接觸界面更大，在混凝土內部的分布也不如小粒徑橡膠粉均勻，靜載下大粒徑RC周邊更易形成主裂紋，而動載下多裂紋同時發展的性質，減小了粒徑不同的影響。

另外，橡膠粉粒徑對RC應力-應變曲線卸載段的形態具有顯著的影響。如圖5～6所示，在應變率較大時，小粒徑RC應力-應變曲線所圍面積要更大。如圖7～8所示，在較高應變率下，小粒徑RC應力-應變曲線卸載段具有更明顯的卸載平臺，即小粒徑RC具有更好的的韌性和吸能效果。

3 動態劈裂

按式（2）處理得到各試樣的劈裂強度σb、應變率等力學參數。這里的應變率是指名義應變率，即，其中E0為試樣的彈性模量(由沖擊壓縮試驗第一個應變率下的應力-應變曲線得到)，t為透射波εt(t)上升段起點至峰值點的時間。圖9所示為劈裂強度σb與名義應變率的關系。可以看出：RC的劈裂強度與抗壓強度一樣，均表現出顯著的應變率增強效應；橡膠粉摻量對劈裂強度的影響與抗壓強度類似，即隨著橡膠粉摻量的增多，劈裂強度不斷減小；橡膠粉粒徑對靜、動態劈裂強度的影響均不明顯。

圖9 劈裂強度與名義應變率

圖10 DIF與應變率的關系

為了進一步比較RC的劈裂強度和抗壓強度應變率增強效應的強弱，圖10繪出了0.2mm橡膠粒徑的RC劈裂強度及抗壓強度的動態增強因子DIF與應變率的關系，其中DIF為動態強度與靜態強度的比值，表示應變率增強的幅度。可以看出，與抗壓強度的應變率增強效應相比，劈裂強度增強的幅度顯著更大，且其隨應變率的增強趨勢也遠大于抗壓強度。

4 結論

①RC混凝土具有顯著的應變率效應：抗壓強度、峰值應變、劈裂強度均隨應變率的增大而增大，但三者隨應變率的增長趨勢不一樣。抗壓強度的應變率增強效應隨應變率的增大具有減緩趨勢，且橡膠粉摻量越大，減緩的幅度越大。峰值應變的增大隨應變率的增大也具有減緩趨勢，橡膠粉摻量較少時減緩幅度明顯，而摻量較多時減緩幅度不明顯。劈裂強度的應變率增強效應顯著大于抗壓強度，不僅體現在增強幅度，也體現在增強趨勢方面。

②橡膠粉摻量顯著影響RC的抗壓強度、劈裂強度和應力-應變曲線的形態：橡膠粉摻量越大，抗壓強度、劈裂強度降低得越多，應力-應變曲線越低矮平緩，韌性和吸能效果越好。

③小粒徑RC的抗壓強度與大粒徑RC相比有所提高，且靜態提高的幅度大于動態。在應變率較大時，小粒徑RC應力-應變曲線所圍面積更大，具有更明顯的卸載平臺。橡膠粒徑對靜、動態劈裂強度的影響均不明顯。