聚苯乙烯混凝土动态劈裂实验＊

胡 俊，巫绪涛

(1.安徽建筑工业学院土木工程学院，安徽 合肥 230601;2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

轻质混凝土被越来越广泛地应用于现代结构工程中。目前，用于配制混凝土的轻质骨料主要有2类:一类是天然的骨料，如浮石、硅藻土等;另一类是人造的骨料，如膨胀珍珠岩、膨胀页岩、EPS颗粒等。EPS颗粒是一种轻质、内部含有不连续空气的泡沫，将EPS颗料掺入砂浆或混凝土中能制备不同表观密度的轻质混凝土［1］。为了更好地开展对EPS混凝土这种新型复合材料的缓冲吸能研究，必须对其力学性能进行研究，才能为其缓冲吸能特性研究提供有效的本构关系和材料性能参数。

由于EPS混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，在受载时经常会发生拉伸破坏，并且这种破坏往往与加载率(应力率)有关，因此动态拉伸强度是EPS混凝土力学性能的重要指标之一。考虑到直接拉伸实验受加载条件的限制，因此混凝土的拉伸强度一般由间接拉伸实验得出。巴西圆盘拉伸实验(劈裂实验)被广泛应用于混凝土抗拉强度的测试中，许多国际混凝土规范(ASTM C-496、ISO4105、BS1881-117等)都采用劈裂实验作为测定混凝土拉伸强度的标准方法［2-4］。

高应变率下，EPS混凝土动态劈裂性能研究应该考虑波传播的影响。对动态劈裂拉伸实验的完整评价至少须考虑3个关键问题:弹性行为的假设、随时间变化试样内应力分布的情况以及破坏模式［5］。目前对EPS混凝土动态力学性能测试主要采用分离式霍普金森压杆(SHPB)，利用该设备测量巴西圆盘EPS混凝土动态拉伸强度，可以研究EPS混凝土动态拉伸强度与加载率之间的关系。

本文中主要利用材料试验机和SHPB装置测得EPS混凝土准静态和动态下的劈裂拉伸强度，得到EPS混凝土劈裂强度随加载率变化的一些规律，同时分析EPS混凝土劈裂破坏特征。

1 试样的制备

1.1 原材料与配比

水泥:强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为48.4 MPa，密度为3.1 t/m3。粗骨料:石子公称粒径为5～10 mm，泥的质量含量为0.3%。细集料:采用河沙，细度模数为2.5，表观密度为2660 kg/m3。EPS颗粒:直径3.0 mm，密度 18 kg/m3;直径 1.0 mm，密度 30 kg/m3。减水剂:聚羧酸高效减水剂。水灰质量比为0.27，其他配合比如表1所示，其中w(水泥)、w(水)、w(石)、w(砂)、w(EPS)、w(减水剂)分别为水泥、水、石、砂、EPS、减水剂在EPS混凝土中的体积质量，d(EPS)为EPS颗粒的粒径，v(EPS)为EPS在EPS混凝土中的体积含量。

表1 EPS混凝土的配比Table 1 Proportion of EPS concrete mixes

1.2 试样制作

采用30 L的搅拌机进行拌合。先将砂、水泥加入搅拌机中拌合2 min;接着加入石子拌合2 min;然后加入EPS颗粒拌合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5～10 min，将均匀的EPS混凝土拌合物装入模具振捣成型。24 h后脱模，用铝纸包好放在标准养护室养护28 d。试样采用直径为70 mm、高度为35 mm的圆柱体。

1.3 实验原理及装置

图1 巴西圆盘对径压缩Fig.1 Dimetral compression on the Brazilian disc

1.3.1 实验原理

由弹性理论可以知道，巴西圆盘试样在准静态对径压缩下，如图1所示，试样加载直径上(施力点附近除外)的应力状态为

式中:σc为压缩应力;σt为拉伸应力;d、h分别为圆盘的直径和厚度;r为从加载点到微单元点的距离。试样的拉伸强度可通过实验中测得的最大载荷代入式(1)中的第2式进行计算。本文中取压应力为正。

图2 SHPB装置示意图Fig.2 Schematic of the SHPB setup

1.3.2 实验装置

准静态劈裂实验在材料试验机上进行，动态劈裂实验在SHPB装置上进行，实验装置见图2。输入杆、输出杆与试样直接接触处由于应力集中产生的压应力极高，容易引起该处EPS混凝土的破坏，造成试样不是由中心起裂破坏，这与巴西实验的基本原理不符。对此，在试样两端加上钢垫块，垫块的角度为20°，把集中力改为均布力，改善接触部位的受力状态，见图3。根据Griffith强度准则计算的相当应力在中心最大，并从圆心开始随半径增大而逐渐减小，故可以保证中心起裂［6-7］。

常规SHPB实验中，陡峭的梯形脉冲容易导致试样在小变形下的严重应力不均匀。对于脆性材料，斜坡加载波形有助于试样中应力均匀，所以在EPS混凝土SHPB劈裂实验中，采用了脉冲整形技术，典型入射、反射、透射波形见图4。

图3 改进的巴西圆盘对径压缩Fig.3 Dimetral compression on the modified Brazilian disc

图4 动态实验中典型的记录信号Fig.4 Typical oscilloscope signals in SHPB experiments

2 实验结果及分析

由于EPS混凝土的拉伸强度与应力率(加载速率)密切相关，应力率的定义为拉伸应力对时间的导数，为了简便起见，计算加载速率时采用近似公式σ·=σt/t，式中t为试样拉伸破坏时间，是试样达到最大载荷即拉伸强度所用的时间;σt为试样劈裂拉伸强度。

图5给出了EPS体积分数分别为0.1、0.2、0.3、0.4的EPS混凝土劈裂强度与应力率之间的关系。从图中可以看出，随应力率的增大，EPS混凝土的劈裂强度逐渐增大;随EPS颗粒体积分数的增加，其劈裂强度逐渐降低。从图5(a)中可以看出，对于EPS体积分数为0.1的EPS混凝土，EPS粒径为1 mm的EPS混凝土的劈裂强度略微大于EPS粒径为3 mm的EPS混凝土的劈裂强度，EPS混凝土劈裂强度表现出粒子尺寸效应，即EPS颗粒粒径的大小对EPS混凝土的劈裂强度有影响，对于同样密度的EPS混凝土，劈裂强度随EPS颗粒粒径的减小而增大。而从图5(b)～(d)中可以看出，对于EPS体积分数分别为0.2、0.3、0.4的EPS混凝土，这种粒子尺寸效应不明显。这主要是由于EPS颗粒大小对裂纹扩展的影响作用不同。随EPS体积分数的增加，应力率对EPS混凝土劈裂强度的影响减小。另外，随EPS体积分数的增加，EPS混凝土的抗压强度降低，容易在试样两端产生局部压碎破坏，见图6。

图6展示了SHPB实验中EPS混凝土试样的破坏形态。把中心起裂并随后沿垂直加载直径扩展的裂纹叫主裂纹，把在其他部位起裂和扩展的裂纹叫次生裂纹。如果试样的初始破坏主要由主裂纹引起，认为实验有效，反之，实验无效。图6(a)为试样在准静态下的破坏形态，从图中可以看出，在准静态下试样基本是从中心开裂，试样中没有出现次生裂纹;图6(b)是在较小冲击速度下的试样破坏形态，从图中可以看出，试样中有一条沿加载直径的主裂纹，同时还有其他次生裂纹，但试样两端没有出现破坏，破坏形式较理想;图6(c)是在较高冲击速度下试样的破坏形态，试样基本沿撞击方向破裂为两半，并在试样与2个垫块接触处有三角形区域的粉碎情况，主要是由于在高速撞击下，在试样两端与垫块接触处产生应力集中而导致试样在两端被压碎而破坏，但从试样破坏形态看，试样的破坏主要是由于沿加载直径方向的劈裂而引起的。

图5 不同EPS体积分数的EPS混凝土的劈裂强度随应力率的变化Fig.5 Variation of splitting strength with stress rate for EPS concrete with different EPS volume concentration

图6 SHPB实验中EPS混凝土试样的破坏形式Fig.6 Splitting failure patterns of EPS concrete specimens in SHPB experiments

3 结论

(1)通过设计合适的垫块，可以改善加载处的应力状态，加大冲击杆与试样的接触面积，减弱应力集中，有利于试样的变形均匀，使试样不会在开裂前由于两端压碎破坏而失效。

(2)通过对EPS体积分数不同、粒径大小不同的EPS混凝土的动态劈裂强度的测定发现，EPS混凝土劈裂强度随应力率的增大而增大，但随体积分数的增加，应力率对EPS混凝土劈裂强度的影响减小;在EPS体积分数为0.1时，EPS混凝土的劈裂强度表现出一定程度的粒子尺寸效应，但在EPS体积分数为0.2、0.3、0.4 时，这一现象不明显。

(3)分析试样破坏形态可知，在弹速较小时，试样基本是从中心开裂;但随弹速的增大，试样两端由于应力集中会出现局部压碎，所以设计合适的垫块，改善两端的受力状态对实验具有重要意义。

［1］Ramamurthy K，Kunhanandan Nambiar E K，Indu Siva Ranjani G.A classification of studies on properties of foam concrete［J］.Cement＆ Concrete Composites，2009，31(6):388-396.

［2］American Society for Testing and Materials(ASTM).Standard test method for splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens［S］.ASTM C496-90，1991，4:266-269.

［3］British Standards Institution.BS 1881:Part 117:Testing concrete method for the determination of tensile splitting strength［S］.London:British Standards Institution，1983.

［4］ISO 4108(E)Concrete:Determination of tensile splitting strength of test specimens［S］.International Standard，1980:1-3.

［5］Rodríguez J，Navarro C，Sánchez-Gálvez V.Splitting tests:An alternative to determine the dynamic tensile strength of ceramic materials［J］.Journal de Physique IV，1994，4(c8):101-106.

［6］王启智，贾学明.用平台巴西圆盘试样确定脆性岩石的弹性模量、拉伸强度和断裂韧度——第一部分:解析与数值结果［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(9):1285-1289.WANG Qi-zhi，JIA Xue-ming.Determination of elastic modulus，tensile strength and fracture toughness of brittle rocks by using flattened Brazilian disc specimen—Part I:Analytical and numerical results［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1285-1289.

［7］王启智，吴礼舟.用平台巴西圆盘试样确定脆性岩石的弹性模量、拉伸强度和断裂韧度——第二部分:实验结果［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(2):199-204 .WANG Qi-zhi，WU Li-zhou.Determination of elastic modulus，tensile strength and fracture toughness of brittle rocks by using flattened Brazilian disc specimen—Part II:Experimental results［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(2):199-204.