沖擊荷載作用下橡膠混凝土的力學性能試驗研究

趙榮生

（山西四建集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

混凝土由于其良好的力學性能及取材的便利，被廣泛應用于土木工程建設中。在如橋面、機場跑道與公路防撞護欄等對混凝土材料有更高的動力性能要求，為改善混凝土的力學性能，通常會摻入纖維或橡膠等改性劑。實踐中，通常利用廢棄輪胎等橡膠制品來制作橡膠顆粒，這樣可以提高資源再利用率，同時橡膠材料具有輕質、變形能力好等優點，可以在減輕混凝土結構自重的同時提高其變形能力[1-4]。Topcu I B[5]在混凝土中摻入不同體積分數的橡膠顆粒，并測試了不同齡期時的強度及回彈性能，結果表明，摻入橡膠顆粒后混凝土的抗壓與抗拉強度均出現了下降，延性出現了增加，并且粗顆粒橡膠對混凝土的力學性能影響比細顆粒更顯著。Eldin N N與Senouci A B[6]通過壓縮試驗測試了不同橡膠顆粒含量混凝土的抗壓與抗拉強度，結果表明，隨著橡膠顆粒含量的增加，混凝土的抗壓與抗拉強度降低幅度可達85%與50%，同時橡膠混凝土的破壞具有更高的延性。Zheng等[7]利用彈性波法對比了不同含量及不同粒徑橡膠混凝土的動力性能，結果表明，橡膠混凝土的阻尼比較普通混凝土更大，并且橡膠顆粒含量更高、顆粒更大的橡膠混凝土阻尼比也更大。陳振富等[8]通過自由振動法測試了橡膠混凝土的阻尼比，結果表明，混凝土的阻尼比隨橡膠粉含量的提高而增加，并且在橡膠粉含量大于2.5%后，其阻尼比增加速度更顯著。郭永昌等[9]利用SHPB技術研究了橡膠混凝土的動力性能，結果表明，橡膠混凝土的動力強度對應變率和橡膠含量敏感，峰值應力隨著應變率的增加而增大，隨著橡膠顆粒含量的增大而降低。韓菊紅等[10]采用落錘試驗研究了橡膠混凝土的抗沖擊性能，結果表明，橡膠雖會降低混凝土的動力強度，但能顯著提高其耗能能力。本文利用SHPB試驗裝置對橡膠顆粒含量分別為15%、30%的橡膠混凝土及普通混凝土進行了沖擊荷載下的動力試驗，研究了橡膠含量和應變率對混凝土的破壞形態、抗壓強度及能量吸收的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水：自來水；水泥：P·O42.5水泥；粗骨料：主要為3種不同級配碎石，粒徑分別≤10 mm、≤7 mm和≤5 mm，密度2.71 g/cm3，吸水率0.5%；細骨料：硅質河砂；橡膠顆粒：粒徑分別為1～5mm和5～10mm兩種，為改善橡膠混凝土性能以及與水泥面之間的粘結性能，將橡膠顆粒用清水洗干凈以后并置于水中浸泡24 h備用。

1.2 試件制備

分別制備普通混凝土試件以及橡膠顆粒含量為15%與30%的橡膠混凝土試件（橡膠顆粒取代部分粗骨料和細骨料）。混凝土試件配合比如表1所示。坍落度控制在130～150 mm，符合文獻[11]的要求。

表1 混凝土試件配合比 kg/m3

按配比制備9個直徑100 mm、高200 mm的圓柱體試件用于抗壓強度測試，每組各3個試件；為研究橡膠混凝土的動力性能，制備了24個直徑100 mm、高50 mm的圓柱體試件用于SHPB試驗，每組各8個試件；對于相同橡膠顆粒含量的混凝土試件，分別測試4種不同應變率，每種應變率均測試2個試件。擬靜力抗壓試驗如圖1（a）所示，SHPB試驗如圖1（b）所示。

圖1 擬靜力抗壓試驗及SHPB試驗裝置

1.3 SHPB試驗

SHPB試驗被廣泛應用于材料的動力性能研究中。材料的動力性能指標一般包括動態破壞過程、動力作用下的材料強度和能量耗散等。圖1（b）的SHPB試驗裝置中，入射桿直徑100 mm，長度5500 mm，傳遞桿長度3000mm。沖擊棒采用鋼材制作，鋼材密度7800 kg/m3，楊氏模量為240 GPa，壓縮波速為5064 m/s。試件與桿件接觸面采用潤滑油以減少二者之間的摩擦。所有沖擊試驗均采用厚度3mm、半徑20 mm的圓形橡膠脈沖整形器，并安裝于入射桿沖擊端以獲取沖擊過程中的半正弦沖擊波。脈沖整形器還可延長入射波的上升段時長，使應力平衡更易實現。沖擊過程中材料破壞過程演變采用高速攝像機記錄。

根據一維波動理論[12]，試件的應力、應變及應變率可由入射波生成的反射波和透射波，由式（1）～式（3）得出：

式中：σ（t）——試件應力，MPa；

L——試件的長度，mm；

AS——試件的截面積，mm2；

A——桿的截面積，mm2；

E——桿的楊氏模量，GPa；

C0——桿的縱波波速，mm/ms；

εR、εT——反射波及透射波的應變。

2 試驗結果及分析

2.1 擬靜力抗壓試驗

試件澆筑完畢后標養28d，采用萬能試驗機測試試件的抗壓強度，結果見表2。

表2 混凝土試件的抗壓強度

由表2可見，采用15%、30%橡膠顆粒取代粗細骨料，大幅降低了混凝土試件的抗壓強度，與普通混凝土試件相比，橡膠顆粒含量為15%、30%的混凝土試件抗壓強度分別降低了50.4%、71.0%。

2.2 SHPB試驗

用SHPB試驗研究試件的動力性能時，只有當試驗機達到應力平衡，測得的數據才可靠，因此需要先進行測試，選取滿足應力平衡的試件。圖2為測得的各橡膠顆粒含量混凝土試件的應力，包括入射應力波、反射應力波、透射應力波及入射與反射應力波之和。

圖2 各試件的應力平衡

由圖2可以看出，各試件測得的入射波與反射波之和跟透射波吻合較好，這表明本次試驗所有試件均達到了應力平衡狀態。

2.3 試件的破壞形態及分析

SHPB試驗中，由于沖擊速度較快，應變率較高，故采用高速攝像機記錄試件的動態破壞形態。普通混凝土試件N-0和15%橡膠顆粒含量混凝土R-15的破壞發展情況如圖3所示，由于R-30與R-15的破壞形態較為相似，因此未列出。

圖3 N-0和R-15試件的破壞發展過程

由圖3可以看出，裂縫最早出現在試件兩端，然后再發展至中部區域，隨后裂縫進一步布滿試件，這也進一步證明了這些試件均達到了應力平衡狀態。N-0和R-15裂縫發展情況對比表明，由于橡膠混凝土的靜力抗壓強度較低，因此裂縫也出現較早，50μs時R-15試件出現了10條微裂縫，而N-0試件僅在60μs時出現了2條微裂縫；但從二者后續的裂縫發展情況來看，橡膠混凝土延緩了裂縫的產生，在200μs時，R-15的裂縫數量明顯少于N-0，在1800μs時，R-15試件的裂縫數量仍比N-0試件在200μs時的裂縫數量要少；從二者最終破壞的情況來看，N-0試件被粉碎成為一個個較小的塊體，而R-15試件被粉碎成了相對較大的塊體。

圖4為3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件在不同應變率下的最終破壞形態。

圖4 3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件的最終破壞形態

由圖4可見，N-0試件在116 s-1的應變率下，被粉碎成了許多碎塊，并且隨著應變率的提高，最終形成的碎塊越來越小；而相近的應變率下，R-15與R-30試件最終形成的碎塊均比N-0要大。例如在105 s-1的應變率時，R-15試件的外側混凝土破壞比較嚴重，而中間部位相對較為完整；R-30試件僅在周邊出現了一些裂縫，整個試件仍為較完整的保留了以前的形狀。當應變率增加到125 s-1時，N-0試件被破壞成了較小的碎塊，而R-15試件被破壞成為相對較大的碎片，而R-30試件仍然較為完整。即使在151 s-1的高應變率下，R-30試件也僅在周圍出現了明顯的破壞，其中間區域仍舊基本完好。綜上，橡膠混凝土在沖擊荷載作用下的損傷隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，這種差異隨著橡膠顆粒含量的提高更加明顯。同時，應變率對橡膠混凝土的破壞形態影響較小，而對普通混凝土的破壞形態影響較大。

2.4 應力-應變曲線（見圖5）

圖5 3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件在不同應變率時的應力-應變曲線

由圖5可見，3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件的動力抗壓強度均隨著應變率的增加而提高，對比各組曲線可以發現，在相近的應變率下，普通混凝土的動力抗壓強度最高，其次是R-15與R-30，這是由于普通混凝土的靜力抗壓強度高于橡膠混凝土。

2.5 動力放大因子（DIF）

動力放大因子（DIF）經常被用于定量研究材料的動力性能，可以表征材料動力強度相對于靜力強度增大的情況。不同橡膠顆粒含量試件的DIF與應變率的關系見圖6。

圖6 DIF與應變率的擬合曲線

由圖6可見，相近的應變率下，R-30的DIF最高，其次是R-15與N-0，這表明DIF隨著橡膠顆粒含量的增加而增大，即混凝土抗壓強度對應變率的敏感性隨著橡膠顆粒含量的增加而增大。當應變率為125～133s-1時，N-0、R-15及R-30的DIF分別為1.52、2.54和3.21，相較于N-0，DIF分別增大了67%和111%。混凝土的應變率效應主要與以下2種機制有關：裂縫開展與斷裂過程的關系；混凝土變形對完整水泥漿體的影響。這2種機制與混凝土的動力性能密切相關，第1種機制在高應變率下尤為明顯。

對試驗曲線進行擬合，得到試件R-15及R-30的DIF與應變率的經驗表達式如下：

由圖6可見，在本文試驗的應變率范圍內，擬合的曲線與試驗結果吻合較好，表明本次可用于預測結構在沖擊作用下的動力響應。

2.6 能量吸收

能量吸收值也常被用于研究材料的動力性能，其為應力-應變曲線與橫坐標所包圍的面積。不同橡膠顆粒含量混凝土試件的能量吸收值見表3。

表3 不同橡膠顆粒含量混凝土試件的的能量吸收值

由表3可見，普通混凝土與橡膠混凝土試件的能量吸收均隨著應變率的增加而增大；在相近的應變率下，橡膠混凝土的能量吸收比普通混凝土小，但橡膠混凝土的能量吸收增加值隨著應變率的增加而更為顯著地增大。當應變率從103s-1增加到150 s-1時，R-15與R-30的能量吸收值分別增加了18%和117%，表明提高橡膠顆粒含量會增強橡膠混凝土能量吸收能力對應變率的敏感性，這使得在高應變率下，增加橡膠含量可更好的改善橡膠混凝土的能量吸收能力。

高橡膠顆粒含量的橡膠混凝土的DIF更小，如果提高橡膠顆粒含量對應變率效應所引起的能量吸收能力的改善小于其對抗壓強度帶來的損失，那么橡膠混凝土的能量吸收將小于普通混凝土。因此，將所有試件的能量吸收值除以自身的抗壓強度，得到正則化能量吸收值，結果如表3所示。可以看到，橡膠混凝土的正則化能量吸收值顯著大于普通混凝土，當應變率為141～150 s-1時，R-15和R-30的正則化能量吸收值分別為37、43（kN/m2）/MPa，較普通混凝土N-0分別增大了54%、79%。此外，R-30的正則化能量吸收值也大于R-15。這表明在相同動力抗壓強度下，橡膠混凝土的能量吸收能力大于普通混凝土，并且隨著橡膠顆粒含量的增加而增大。

3 結論

（1）橡膠混凝土在高應變率下具有較好的抗沖擊性能。在相近的應變率下，橡膠混凝土基本保持完整，而普通混凝土破壞成為小碎塊。橡膠顆粒的添加顯著地減小了混凝土的裂縫發展。

（2）相比于普通混凝土，橡膠混凝土對應變率更為敏感，并且隨著橡膠顆粒含量的提高，其對應變率的敏感性增強。

（3）橡膠混凝土在沖擊荷載下的正則化能量吸收值比普通混凝土。當應變率為141～150s-1時，R-15和R-30的正則化能量吸收值分別為37、43（kN/m2）/MPa，較普通混凝土N-0分別增大了54%、79%。

（4）通過對試驗結果擬合，得到了橡膠混凝土的DIF與應變率的經驗公式，擬合結果較好，可以用于預測橡膠混凝土在沖擊荷載作用下的動力性能。