冲击荷载作用下早强EPS混凝土的力学性能

丁国博，许金余，2，胡泽斌，席 峰，白二雷

(1.空军工程大学 工程学院机场建筑工程系，西安 710038;2.西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(简称EPS混凝土)，又称Styropor混凝土，是一种用聚苯乙烯发泡颗粒作轻骨料生产的矿物质胶结轻质混凝土［1］，早在 1973 年 Cook［2］就对EPS作为混凝土的集料进行了研究。其在加压过程中，EPS混凝土试件变形较大，即使在试件发生破坏时，其破坏过程也是逐渐变化的，显示出良好的韧性。这表明EPS混凝土具有优异的吸能功能［3］。其轻质吸能的优异性能使之在军事防护工程中有着重要和广泛的用途。

目前，对于聚苯乙烯混凝土的整体研究主要集中在养护龄期为28 d的研究，而对早强EPS混凝土的冲击力学性能研究相对较少，这样使得EPS混凝土应用范围很有限。

为满足实际工程抗冲击材料的需要，本文对早强聚苯乙烯混凝土进行了试验研究。配制了基体强度等级为C60，EPS体积掺量为40%，养护时间分别为12 h、24 h、36 h和28 d的聚苯乙烯混凝土，利用φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，进行动态压缩力学试验，并对试验结果进行了分析。

1 试验

1.1 试验原材与配合比

混凝土基体材料:P.O 42.5R秦岭水泥;韩城第二发电厂生产的一级粉煤灰;泾阳县石灰岩碎石(5 mm～10 mm，15%;10 mm ～20 mm，85%);灞河中砂，细度模数为2.8;硅灰(0.1 μm ～0.15 μm);EPS 颗粒采用高陵县泡沫厂生产的再生EPS颗粒(2 mm～8 mm)。本试验采用自配外加剂对EPS颗粒进行改性，以改善EPS颗粒与水泥浆体的界面性能。

表1 早强EPS混凝土的配合比Tab.1 Mix proportions of Early-strengthed kg/m3

1.2 EPS混凝土的准静态力学性能

根据表1提供的配合比，浇筑了标准混凝土立方体试件，测定相应养护龄期的抗压强度，结果如表2所示。

表2 EPS混凝土的准静态力学性能Tab.2 Quasi-static mechanical properties of EPS reinforced concrete

2 试验装置及原理

冲击压缩试验采用空军工程大学工程学院五系防护工程实验室φ100 mm分离式霍普金森压杆装置。系统主要包括主体设备、气源和量测设备3大部分，试验装置原理如图1所示。

图1 φ100 mm分离式霍普金森压杆装置示意图Fig.1 Sketch of 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar(SHPB)equipment

试验中采用H62黄铜作为波形整形器，其作用是消除由于大尺寸SHPB装置弥散效应产生的应力波波头的过冲和波形的震荡，同时可将上升沿拉长，可以得到材料真实的响应特性［4］。

试验的基本原理是细长杆中弹性应力波传播理论，建立在两个基本假设的基础上:(1)平面假设，即应力波在细长杆中传播过程中，弹性杆的每个横截面始终保持平面状态;(2)应力均匀假设，即应力波在试件中传播两个来回以上，试件中的应力处处相等［5］。通过粘贴在入射杆与透射杆应变片测出入射应变εi、反射应变εr及透射应变εt;再采用三波法［6］计算出试件的应力σs、应变率及应变εs。即:

式中:E为杆的弹性模量;c为杆中波速;A、As分别为杆、试件的横截面积;ls为试件的初始厚度［7］。

3 试验结果及分析

采用φ100 mm SHPB试验装置，对EPS体积掺量为40%，养护龄期分别为12 h、24 h、36 h和28 d的EPS混凝土进行冲击压缩实验，试件的几何尺寸为φ99 mm×50 mm，试验时在试件端面涂抹薄薄的一层石墨与润滑剂的混合物，以消除界面摩擦效应［8］。SHPB试验结果见表3。其中:动态抗压强度fc，d为峰值应力;峰值应变εp为动态抗压强度达到峰值应力时的应变;极限应变εu为EPS混凝土最终的应变;动态强度增长因子(dynamic increase factor，简称DIF)为试件动态抗压强度和静态抗压强度的比值，是反映冲击荷载下材料抗压强度增幅的指标，用公式表示为:

式中:fc，d、fc，s分别为 EPS 混凝土的动态、静态抗压强度;Ec为弹性模量，本文采用混合模量，即曲线上升段上对应压缩强度为峰值强度的40%和60%的两点连线的斜率，计算公式为:

式中，下标1和2分别表示曲线上对应0.4σ0和0.6σ0的两点;S表示轴向应力;ε为轴向应变。

表3 EPS混凝土动态压缩试验结果Tab.3 Summary of SHPB tests on EPS concrete specimen

图2 EPS混凝土冲击破坏形态Fig.2 Failure forms of EPS reinforced concrete specimens

不同养护龄期条件下EPS混凝土试件的破坏形态如图2所示。在冲击荷载作用下，不同养护龄期的EPS混凝土破坏形态主要有裂缝、留芯周围块状碎裂、粉碎等几种形态。在同一养护龄期内，随着平均应变率的提高，试件的破坏形态趋于严重，试件由出现微裂缝、明显裂缝、留芯周围块状碎裂、碎而不散直至粉碎。

不同龄期的EPS混凝土动态压缩试验应力－应变曲线如图3所示。从图3可以看出，不同养护龄期的EPS混凝土应力－应变曲线具有相似的几何形状。

图4和图5是在不同养护龄期下，测得的相应EPS混凝土的动态抗压强度。由图4可以看出，养护龄期为36 h和28 d的EPS混凝土，其动态抗压强度随应变率的增加呈近似线性增长;养护龄期为12 h和24 h的EPS混凝土，随着应变率的增加，其动态抗压强度变化不明显。由图4和图5还可以看出，EPS混凝土的抗冲击性能随养护龄期的增长而增加。

在混凝土强度与应变率关系的研究中，人们更关心的是特定应变率下动态强度相对于静态强度的提高值。不同养护龄期的EPS混凝土的DIF随平均应变率变化如图6所示。由图6可见，养护龄期为36 h、28 d的EPS混凝土的DIF随应变率的增加呈对数函数递增，其对数递增规律如式(4)所示。

养护36 h和28 d的EPS混凝土，其动态抗压强度具有显著的应变率相关性，且随平均应变率的提高而近似线性增加，其原因有以下两个方面:(1)随着应变率的增加，混凝土在破坏时砂浆基体内部微裂缝来不及充分扩展，因而导致了混凝土骨料的破坏，应变率越高，混凝土骨料破坏得越多，从而混凝土的抗冲击强度就越高;(2)EPS混凝土受到外界冲击载荷时很容易发生变形，变形量大而流动应力水平较低，在压缩变形过程中消耗大量的功，将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效地吸收外界的冲击能量，提高混凝土抗冲击力学性能。

养护龄期为12 h、24 h的EPS混凝土的动态抗压强度随应变率的增加变化不明显，其原因是由于养护时间较短，混凝土内部还没有水化充分，EPS颗粒与水泥矿物砂浆的界面还没充分粘结，当混凝土受到外界冲击载荷作用时，界面裂缝容易较早出现，随着应变率的增加，基体内部界面裂缝迅速扩展所致。

图3 不同养护龄期下EPS混凝土的应力－应变曲线Fig.3 Stress versus strain curves of concrete specimens reinforced with different maintenance duration

图4 动态抗压强度随平均应变率的变化Fig.4 Increase ratio of dynamic compressed strength vs.averagestrain rate for EPS concrete specimen

图5 养护龄期对动态抗压强度的影响Fig.5 Effect of dynamic compressed strength with maintenance duration

图6 不同龄期EPS混凝土的DIF随应变率的变化Fig.6 Semi-logarithmic plot of dynamic strength increase factor vs.average strain rate for EPS reinforced concrete specimens with different maintenance period

4 结论

利用φ100 mm SHPB装置，对不同养护龄期的EPS混凝土试件进行了多个应变率下的冲击压缩试验，分析了EPS混凝土的动态力学性能。试验的主要结论有:

(1)养护龄期为36 h、28 d时，EPS混凝土的动态抗压强度随着应变率的增加而增大，具有显著的应变率相关性;养护龄期为12 h、24 h时，EPS混凝土的动态抗压强度随着应变率的增加变化不明显。这说明EPS混凝土的动态抗压强度受养护龄期的影响。

(2)EPS混凝土的抗冲击性能随养护龄期的增长而增加。

［1］Cook D J.Expanded polystyrene concrete［A］.Swamy R N.Concrete Technology and Design:(1).New Concrete Materials［C］.London:Surrey University Press，1983，41 －69.

［2］Cook K D J.Expanded polystyrene beads as lightweight aggregate for concrete［J］.Precast Concr，1973，4(4):691－693.

［3］张雪松.聚苯乙烯轻集料混凝土物理力学性能试验研究［D］.河北:河北工业大学，2003.

［4］孟益平，胡时胜.混凝土材料冲击压缩试验中的一些问题［J］.试验力学，2003，18(1):108 －112.

［5］王礼立.应力波基础［M］.北京:国防工业出版社，1985.

［6］Ravichandran G，Subhash G.Critical appraisal of limiting strain rates for compression testing ceramics in a split Hopkinson pressure bar［J］.J Am Ceram Soc，1994，77(1):263 －267.

［7］李为民，许金余，沈刘军，等.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能［J］.复合材料学报，2008，25(2):135 －142.

［8］朱 珏，胡时胜.SHPB试验中粘弹性材料的应力均匀性分析［J］.爆炸与冲击，2006，7(4):316－322.