EPS混凝土动态力学性能研究

胡 俊，巫绪涛，胡时胜

(1.中国科学技术大学 力学和机械工程系，合肥 230027;2.安徽建筑工业学院 土木工程学院，合肥 230601，3.合肥工业大学 土木工程学院，合肥 230009)

泡沫混凝土尽管是在1923年首次被发明的［1]，但一直没有得到广泛的应用，直到最近几十年来由于混凝土材料的发展，泡沫混凝土目前已广泛应用于各类民用建筑中，诸如复合墙板，港口的挡土墙，填充夹芯构件等。Kearsley和Wainwright就高掺量粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响进行了大量实验研究，据此给出了优化的粉煤灰与水泥的掺量比，并且研究了孔隙率和强度之间的关系［2－4]。Jones和 McCarythy研究了在泡沫混凝土中用一种低钙粉煤灰代替砂对其抗压强度的影响，同时也研究了粗、细粉煤灰及聚丙烯纤维对泡沫混凝土力学性能的影响［5－6]。Kunhanandan Nambiar和Ramamurthy研究了泡沫混凝土抗压强度随细砂填料的细化而提高［7]。

将发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，简称EPS)作为轻质骨料加入混凝土制作的EPS混凝土是一种新型节能建筑材料。EPS混凝土是由混凝土和轻质泡沫材料EPS复合而成，它具有以下复杂特性:① 组分复杂，由均匀性差、材质很脆的混凝土和均匀性好、质地柔软的EPS组合，从而导致了这种复合材料力学行为的复杂性;② 在变形过程中，除表现出各自的力学行为外，两者的相互作用会呈现出独特的力学行为。同时，EPS颗粒的加入，能够影响混凝土中裂纹的扩展，有效改变混凝土的脆性破坏形态。Roy、Ganesh Babu和Laukaitis研究了EPS混凝土强度和EPS颗粒粒径之间的关系［8－10]。Miled、Sab 和 Le Roy对 EPS 混凝土的尺寸效应和破坏机理进行了研究，结果表明:对于同样体积含量的EPS混凝土，其抗压强度随EPS粒径的降低而显著增加是由和EPS粒径大小相关的颗粒尺寸效应决定的，而不是由和试样大小相关的体积尺寸效应所决定的;并且发现:对于较低体积含量的EPS混凝土，这种尺寸效应很显著，而随EPS颗粒体积含量的增加，这一尺寸效应不明显;研究了EPS混凝土尺寸效应的物理机制［11]。陈兵等研究了EPS混凝土抗压强度、劈裂强度、抗折强度性能［12－13]。

以上研究都是基于准静态下的EPS混凝土的力学性能的研究。由于混凝土材料是一种应变率敏感性材料，尤其对于在爆炸和冲击荷载作用下具有良好的缓冲吸能能力的EPS混凝土这种材料，研究EPS混凝土的动态力学性能显得很重要，而目前对于EPS混凝土的动态力学性能的研究很少。本文主要利用大尺寸分离式Hopkinson压杆(简称SHPB)进行单轴冲击压缩实验来研究EPS混凝土的动态力学性能。

1 试样的制备和试验装置

1.1 原材料与配比

(1)水泥:强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度为48.4 MPa，密度为3 100 kg/m3;

(2)粗骨料:石子公称粒径为5 mm～10 mm，含泥量为 0.3%;

(3)细集料:细集料采用河沙，细度模数为2.5，表观密度为2 660 kg/m3;

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

(5)减水剂:聚羧酸高效减水剂;

(6)混凝土基体密度为2 446 kg/m3，抗压强度为110 MPa，弹性模量为34 MPa。

其配合比见表1、表2。

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

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

1.2 试件制作

采用30L的搅拌机进行拌合。先将砂、水泥加入搅拌机中拌合2min;接着将石子加入其中拌合2min;然后将EPS颗粒加入其中拌合5 min;最后将减水剂加入水中拌合均匀并逐步加入拌合物中拌合5 min～10 min，将均匀的EPS混凝土拌合物装入模具振捣成型。由于EPS颗粒的轻质性和憎水性，本文采用添加氯丁乳胶对EPS混凝土进行改性，以改善EPS颗粒与水泥砂浆体的粘结力，另外在振捣时，严格控制振捣时间，防止EPS颗粒上浮，使EPS颗粒能够均匀的分布在混凝土基体中。24 h后脱模，用铝纸包好放在标准养护室养护28天。试样尺寸采用直径为70 mm、高度为35 mm的圆柱体。由于EPS混凝土在极小的应变下就已失效或破坏，试件端面的不平行或不平整都可能导致局部失效和应变测量的不精确，因此在SHPB压缩试验中，必须保持试件两个端面严格平行。试样如图1所示。

图1 EPS粒径为3mm和1mm的EPS混凝土试样Fig.1 The specimen of EPSconcrete containing respectively 3mm and 1mm EPSbeads.

1.3 试验装置

由于混凝土是一种复合材料，其骨料尺寸较大，而在骨料周围及整个材料中布满了大量不规则的裂隙、气泡等缺陷，这就要求试件的尺寸必须足够大，用来做冲击的装置也要足够大，因此EPS混凝土冲击压缩试验所选的设备为φ74变截面SHPB装置。鉴于EPS混凝土材料的波阻抗比较小，透射信号比较弱，本文在透射杆上还采用了半导体应变片技术采集透射波信号。φ74变截面SHPB装置见图2。

图2 SHPB装置Fig.2 Schematic of the SHPB setup.

2 试验结果以及分析

本文对粒径是3 mm和1 mm、体积含量分别为10%、20%、30%、40%四个系列的EPS混凝土进行了SHPB试验，试验结果和分析如下:

2.1 粒径为3 mm的EPS混凝土试验结果和分析

粒径为3mm、体积含量分别为10%、20%、30%、40%的EPS混凝土在不同应变率下工程应力－应变曲线如图3～图6所示。由图3～图6可以看出，EPS混凝土具有不同于普通混凝土的率效应:① 不同体积含量的EPS混凝土在本文所测定动态的前一、二个应变率下应力－应变关系都表现出明显的三个不同的阶段:在压缩开始表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台，最后进入一个应力陡然升高区。线弹性区主要是由于混凝土基体材料的孔壁(骨架)支撑所引起的，孔壁屈曲坍塌形成平台区;坍塌的混凝土碎块及EPS颗粒被进一步压缩则形成应力陡升区。随着应变率的逐渐加大，上述三个不同的阶段的力学特性逐渐消失，这主要是由于在高应变率下，混凝土基体材料孔壁处大量微裂纹来不及扩展，迟缓的屈曲坍塌已受到孔壁内EPS颗粒应变率增强效应影响，第二阶段的屈曲平台区已不明显，并直接形成应力陡升区。② 对不同体积含量的EPS混凝土，随应变率的增加，试件在峰值应力后的残余强度也在增长。其主要是由于以下原因:① EPS颗粒基体为粘弹性的泡沫材料，具有较强的缓冲吸能特性;② 由于EPS颗粒的加入，增加了EPS颗粒和混凝土颗粒之间的粘性。

图3 粒径3mm、含量10%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.3 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 10 EPSgranular

图4 粒径3mm、含量20%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.4 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 20 EPSgranular

图5 粒径3mm、含量30%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.5 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 30 EPSgranular

图6 粒径3mm、含量40%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.6 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent40 EPSgranular

图7 粒径1mm、含量10%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.7 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 10 EPSgranular.

图8 粒径1mm、含量20%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.8 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 20 EPSgranular

2.2 粒径为1 mm的EPS混凝土试验结果及分析

图7～图10是粒径为1 mm的EPS混凝土在不同体积含量、不同应变率下的应力－应变曲线。从图7～图10中可以看出，1 mm粒径的EPS混凝土和3 mm粒径的EPS混凝土具有相似的特性，即在低应变率下应力－应变关系表现出明显的三个阶段，在高应变率下这一特征逐渐消失。但是对于1 mm粒径的、体积含量分别为10%、20%、30%、40%EPS混凝土，在应变率分别为 19(s－1)、27(s－1)、28(s－1)、30(s－1)时，EPS 混凝土的平台区比3 mm粒径的EPS混凝土平台区更明显。根据Miled和Sab等对EPS混凝土的力学性能研究结果表明:EPS混凝土的破坏主要由准微观脆性指数(Brittleness Mesoscopic Number)决定的，准微观脆性指数是几何长度(Geometric Length)和材料特征长度(Characteristic Material Length)的比值，几何长度主要和EPS颗粒的体积含量和EPS颗粒的粒径的大小有关，材料特征长度是由基体材料不均匀性的最大尺寸所确定的［11];因而对于同样基体、同样体积含量的EPS混凝土，粒径小的准微观脆性指数小，表明其脆性较小、延性较大，所以对于同样体积含量的EPS混凝土，小孔径的EPS混凝土平台区更明显。从图7～图10中可以看出:对于同样体积含量的EPS混凝土，随应变率的增加，峰值应力后都有一定的残余强度，比较3 mm粒径和1 mm粒径的EPS混凝土的应力－应变曲线可以看出，1 mm粒径的EPS混凝土峰值应力后的残余强度明显高于3 mm粒径的EPS混凝土峰值应力后的残余强度，说明对于同样体积含量的EPS混凝土，粒径小的EPS混凝土比粒径大的EPS混凝土具有更好的缓冲性能。从图7～图10中可以看出，EPS混凝土平台区段都比较小，主要是由于混凝土基材是脆性材料，塑性变形比较小，孔壁通过脆性压损而破坏。

图11和图12分别是粒径为3 mm和1 mmEPS混凝土的峰值应力和应变率的关系。从图中可以看出，EPS混凝土的峰值应力随EPS颗粒体积含量的增加而显著降低，并且随EPS颗粒体积含量的增加，其峰值应力变化逐渐减小。从图11和图12中可以看出，对于体积含量为40%、粒径分别为3 mm和1 mm的EPS混凝土，其峰值应力分别在19 MPa～26 MPa之间和20 MPa～23 MPa之间，EPS颗粒粒径的大小对峰值应力影响很小，即随EPS颗粒含量的增加，EPS混凝土粒子尺寸效应逐渐消失;由于EPS混凝土的破坏主要有两种形式:脆性破坏和延性破坏［8]，脆性破坏是由大量的微裂纹相互结合形成相互贯通可控制强度的宏观裂缝所引起的，而延性破坏是由于大量分布的微裂纹所引起的;随EPS含量的增加，EPS颗粒周围混凝土基体中微裂纹的数量急剧增加，在高体积含量的EPS混凝土中，其破坏时，大量微裂纹没有相互结合形成贯穿裂缝，所以EPS颗粒粒径的影响比较小。图13是体积含量分别为10%和40%、粒径为1 mm的EPS混凝土破坏形态。

图9 粒径1mm、含量30%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.9 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 30 EPSgranular

图10 粒径1mm、含量40%的EPS混凝土应力－应变曲线Fig.10 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 40 EPSgranular

图11 3mm粒径的EPS混凝土峰值应力和应变率的关系Fig.11 Peak stress-vs.strain rate curve containing 3mm EPSbeads.

图12 1mm粒径的EPS混凝土峰值应力和应变率的关系Fig.12 Peak stress-vs.strain rate curve containing 1mm EPSbeads

图13 1mm粒径、体积含量为40%的EPS混凝土两种破坏形式:脆性破坏和延性破坏Fig.13 Two broken EPSconcrete specimens for percent 40 EPSvolume fractions containing 1mm EPSgranular:quasi-brittle failure mode and ductile failure mode

3 结论

(1)不同粒径、不同体积含量的EPS混凝土应力－应变关系在本文所测定的前两个应变率下表现出明显的三个不同的阶段:弹性区，近似平台区，致密区，但是随应变率的增加，这一特性会逐渐消失;并且对同样体积含量的EPS混凝土，粒径小的EPS混凝土平台区表现得更明显。

(2)随应变率的增加，EPS混凝土在峰值应力后留有长长的“尾巴”，并且对于同样体积含量的EPS混凝土，粒径小的EPS混凝土峰值应力后的“尾巴”强度要大于粒径大的EPS混凝土峰值应力后的“尾巴”的强度。

(3)对于不同粒径的EPS混凝土，随EPS颗粒体积含量的增加，其粒子尺寸效应逐渐消失。

(4)对于同样体积含量的EPS混凝土，粒径小的EPS混凝土比粒径大的EPS混凝土具有更好的缓冲性能。

［1] Valore R C.Cellular concrete part 1 composition and methods of production［J] .ACI J 1954，50:773 －96.

［2] Kearsley E P，Wainwright P J.The effect of high fly ash content on the compressive strength of foamed concrete［J] .Cement and Concrete Research，2001，31:105 －112.

［3] Kearsley E P，Wainwright P J.Ash content for optimum strength of foamed concrete［J] .Cement and Concrete Research，2002，32:241 －246.

［4] Kearsley E P，Wainwright P J.The effect of porosity on the strength of foamed concrete［J] .Cement and Concrete Research，2002，32:233 －239.

［5] Jones M R，McCarythy A.Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material［J] .Magazine of Concrete Research，2005，57(1):21 －31.

［6] Jones M R，Mc Carythy A.Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in foamed concrete［J] .Fuel，2005，84:1398 － 1409.

［7] Kunhanandan Nambiar E K，Ramamurthy K.Influence of filler type on the properties of foam concrete［J] .Cement and Concrete Composites，2006，28:475 －480.

［8] Le Roy R，Parant E，Boulay C.Taking into account the inclusions’size in lightweight concrete compressive strength prediction［J] .Cem.Concr.Res，2005，35(4):770 －775.

［9] Ganesh Babu K，Saradhi Babu D.Behaviour of lightweight expanded polystyrene concrete containing silica fume［J] .Cem.Concr.Res，2002，2249:1 －8.

［10] Laukaitis A，Zurauskas R，Keriene J.The effect of foam polystyrene granules on cement composite properties［J] .Cement and Concrete Composites，2005，27:41 －47.

［11] Miled K，Sab K，Le Roy R.Particle size effect on EPS lightweight concrete compressive strength［J] .Experimental investigation and modeling.Mechanics of Materials.2007，39:222－240.

［12] 陈 兵，陈龙珠.EPS轻质混凝土力学性能研究［J] .混凝土与水泥制品，2004，(3):41 －45.

［13] Chen B，Liu J Y.Properties of lightweight expanded polystyrene concrete reinforced with steel fiber［J] .Cement and Concrete Research，2004，34:1259－1263.