冲击荷载作用下EPS混凝土动态性能研究

白二雷， 许金余，2，高志刚

(1.空军工程大学 工程学院，西安 710038;2.西北工业大学 力学与建筑工程学院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(Expanded Polystyrene Concrete，简称EPS混凝土)是一种用聚苯乙烯发泡颗粒作轻骨料的矿物质胶结轻质材料。随着科技的发展、居住等生活水平的提高，废弃的EPS颗粒随处可见，严重污染环境。回收废弃的EPS颗粒用作混凝土的轻集料，将产生很好的经济、社会及环保效益。此外，EPS混凝土还具优异的抗冲击力学性能。因此，EPS混凝土在民用建筑结构及军事防护工程领域应用前景广阔。

关于EPS混凝土的研究主要有:Cook等［1］对EPS作为混凝土的集料进行了研究，提出轻骨料的两种生产方式。李俊峰［2］与陈兵等［3］研究了EPS轻混凝土的生产与应用，并对试件进行了抗拉及抗压试验，测试其力学性能。Bischoff等［4］通过实验证明了 EPS混凝土具有较强的吸能功能，并将其应用于结构的抗冲击保护层。Perry等［5］对掺加不同EPS颗粒，不同外加剂的EPS混凝土物理力学性能进行了研究。姜德民等［6］研究了提高EPS混凝土强度的方法。

综上所述，目前对EPS混凝土的研究主要集中在对其制备技术、物理性能、准静态力学性能的研究，而对其在冲击荷载下动态力学性能及变形特性的研究较少。基于此，本文采用大直径(Φ100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对不同体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的动态性能展开研究，为EPS混凝土在工程中的应用提供理论指导。

1 EPS混凝土SHPB试验

1.1 试验材料及方案

混凝土基体材料:P.O 42.5R秦岭水泥，28d抗压强度为48.6 MPa;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(0.1μm ～0.15 μm);减水剂:广州建宝新型建材有限公司生产的FDN高效减水剂;EPS颗粒采用高陵县泡沫厂的再生EPS颗粒(2～8 mm)，该颗粒级配分布均匀，表面粗糙，部分颗粒开口，水泥浆体容易进入孔隙，有利于EPS颗粒与水泥基体的粘结，可克服EPS颗粒与水泥浆体的离析现象。EPS混凝土配合比见表1。根据EPS颗粒特点，实验采用AEP搅拌工艺，该工艺能够使拌合物均匀，克服离析现象，具体制备养护工艺流程如图1所示。

表1 EPS混凝土的配合比 (kg/m3)Tab.1 Mix proportions of EPS concrete

图1 EPS混凝土制备养护工艺Fig.1 Preparing and maintenance technology for EPS concrete

EPS体积掺量分别为 10%、20%、30%、40%、50%，每种掺量各制12个圆柱形试件。试件尺寸直径为99±1(mm)，长度为49.5±1(mm)。试件用钢模具浇筑而成，标准养护后进行切割，表面采用磨床精密加工，表面不平行度小于0.02 mm。试件标准养护28 d后进行试验。

1.2 试验装置及原理

试验采用空军工程大学工程学院防护试验室的Φ100 mm分离式SHPB试验装置，如图2所示。SHPB试验技术被广泛应用于混凝土［7－8］、岩石［9］、软材料及松散材料［10－11］等多种材料动态力学性能的测试。

图2 Φ100 mm SHPB试验装置示意图Fig.2 Sketch of 100-mm-diameter SHPB apparatus

图3 不同体积掺量EPS混凝土的应力—应变曲线Fig.3 Stress versus strain curves of concrete specimens reinforced with different volume fractions of EPS

表2 EPS混凝土SHPB试验结果Tab.2 Summary of SHPB experiment on EPS concrete specimens

试验的基本原理是细长杆中弹性应力波传播理论［12］，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。为满足平面假设及应力均匀假设，本文采用文献［13］提出的试验技术。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

不同体积掺量的EPS混凝土SHPB试验结果见表2，其应力应变曲线见图3。

2.2 试验结果讨论

2.2.1 动态抗压强度

根据表2的试验数据可得出EPS混凝土的动态抗压强度随平均应变率变化关系如图4所示。

从图中可以看出，EPS混凝土动态抗压强度随平均应变率的提高近似线性增加，具有显著的应变率相关性。同时，随着EPS体积掺量的增加，混凝土的动态抗压强度降低，且降低幅度呈现规律性比较明显的梯降。

2.2.2 临界应变

根据表2的试验数据得临界应变随平均应变率的变化关系如图5所示，从图中可看出，临界应变随平均应变率近似线性增长，表现出显著的应变率相关性，通过拟合可得到临界应变随平均应变率的变化关系，即:

本文引入临界应变增长率定义，即EPS混凝土临界应变相对于基体混凝土临界应变的增长百分比计算增长率，进而得到临界应变增长率随平均应变率的关系曲线，如图6所示。

图4 EPS混凝土动态抗压强度随平均应变率变化情况Fig.4 Dynamical compressive strength vs.average strain rate for EPS concrete

图5 EPS混凝土临界应变随平均应变率变化情况Fig.5 Critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

图6 EPS混凝土临界应变增长率随平均应变率的变化情况Fig.6 Increase ratio of critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

从图中可看出:EPS颗粒的掺入对混凝土均有一定的韧化效果，变形能力得到提高，且不同体积掺量的EPS混凝土变形能力均随应变率的增加而提高。EPS体积掺量为10%时，在应变率为45～80 s－1范围内，EPS混凝土的变形性能得到提高及改善，80 s－1时的临界应变增长率为5%;EPS体积掺量为20%时，在应变率为35～80 s－1范围内，EPS混凝土的变形性能得到提高及改善，80 s－1时的临界应变增长率为8%;EPS体积掺量为30%时，在应变率为32～80 s－1范围内，EPS混凝土的变形性能得到提高改善，80 s－1时的临界应变增长率为9%;EPS体积掺量为40%时，在应变率为30～80 s－1范围内，EPS混凝土的变形性能得到提高改善，80 s－1时的临界应变增长率为20%;EPS体积掺量为50%时，在应变率为5～80 s－1范围内，EPS混凝土的变形性能得到提高改善，80 s－1时的临界应变增长率为10%，其改善的应变率范围虽然最广，但其改善效果不明显，临界应变随应变率的增长变化不大。综上分析，以EPS颗粒对基体混凝土的冲击变形能力的改善效果作为衡量标准，EPS颗粒体积掺量为40%时改善效果最佳。

3 EPS颗粒对混凝土动态性能改善机理

3.1 应变率效应

从EPS混凝土的SHPB实验结果可以看出，在相同EPS体积掺量条件下，EPS混凝土动态抗压强度与临界应变随平均应变率近似线性增长，表现出明显的应变率效应。主要是在冲击荷载作用下，混凝土内部、骨料周围及整个水泥浆体中产生了大小不同的微裂纹与微孔洞等损伤。混凝土材料的破坏是因裂纹的产生和扩展所致，裂纹产生所需能量远比裂纹扩展所需能量高。应变率越高，撞击速度越大，产生的裂纹数目亦越多，因而需要的能量就越多。而EPS混凝土主要通过其空腔结构的变形等消耗能量，因而应变率越高，其动压越大，变形越大。

3.2 微结构效应

为从微观上研究EPS颗粒对混凝土变形性能的改善机理，采用扫描电子显微镜(SEM)观察EPS体积掺量为0%，40%，50%的微观结构(放大1000倍)，图7为EPS颗粒与水泥浆体界面的微观结构图。

图7 不同体积掺量EPS混凝土的SEM图，(×1000)Fig.7 SEM for EPS concret with different volumetric fractions，(×1000)

从图7可以看出，未掺入EPS颗粒的混凝土结构比较致密，存在一定孔隙;体积掺量为40%的EPS混凝土，EPS颗粒一部分均匀分布于水泥砂浆表面，一部分填充了混凝土的孔隙;而体积掺量为50%的EPS混凝土，难以搅拌均匀，使混凝土中出现大量孔隙，EPS颗粒在混凝土中的分布极不均匀。

从以上结果分析得出EPS颗粒对混凝土变形性能的改善机理为:① EPS颗粒的置换效应，即将再生EPS颗粒作为轻骨料，置换部分砂石掺入素混凝土。而置换的EPS颗粒孔腔结构决定了其具有良好的能量吸收特性。当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，提高混凝土抗冲击变形性能。② EPS颗粒的空间效应。即EPS颗粒的掺入改变了混凝土骨架结构的受力状态，受力后易产生较大变形，刚度降低，韧性提高。

当EPS体积掺量达到50%时，其变形性能反而降低，这主要是由于EPS混凝土本身是一种多相复合不均质材料且各向异性。当EPS体积掺量达50%以上时，在混凝土制备过程中很难搅拌均匀，离析现象严重，在混凝土中造成大量孔隙，同时界面粘结性差，混凝土内部所形成孔腔结构的不均匀性加剧，从而导致其韧性降低。

4 结论

(1)EPS混凝土的动态抗压强度随平均应变率的提高近似线性增加，具有显著的应变率相关性。同时，随着EPS体积掺量的增加，混凝土的动态抗压强度降低，且降低的幅度呈现规律性较明显的梯降。

(2)EPS颗粒的掺入使混凝土变形能力得到提高，相同体积掺量的EPS混凝土变形能力随应变率的增加而提高，具有显著的应变率相关性。

(3)在EPS颗粒体积掺量0～40%范围内，EPS体积掺量越高，其抗冲击变形性能越好;当EPS体积掺量达50%时，其变形能力有所降低。以EPS颗粒对基体混凝土冲击变形能力的改善效果作为衡量标准，EPS颗粒体积掺量为40%时改善效果最佳。

(4)EPS颗粒对混凝土动态性能的改善机理主要在于应变率效应及微结构效应。

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