橡胶集料混凝土抗冲击性能研究

2017-09-03李建举张鲁渝唐兵朱涵

科技与创新 2017年16期

关键词：集料试件橡胶

李建举，张鲁渝，唐兵，朱涵

（1.空军第八空防工程处，四川成都611431；2.天津大学，天津300072）

橡胶集料混凝土抗冲击性能研究

李建举1，张鲁渝1，唐兵1，朱涵2

（1.空军第八空防工程处，四川成都611431；2.天津大学，天津300072）

采用大直径分离式霍普金森压杆装置对不同配比的橡胶集料混凝土进行了多应变率动态压缩力学性能试验，得到了不同应变率下的动态应力-应变曲线，并利用高速摄像机记录了不同气压下试件的微观破坏形态。试验结果表明，针对同一应变率，普通混凝土的峰值应力远高于橡胶集料混凝土的峰值应力，但后者的极限应变远大于前者的极限应变，橡胶集料混凝土的抗冲击性能优于普通混凝土。

橡胶集料混凝土；霍普金森压杆；应力应变；砂石骨料

橡胶集料混凝土也被称为弹性混凝土，是一种由橡胶集料、砂石骨料、水泥浆体、矿物掺加料及外加剂组成的多相水泥基复合材料，是在多组分水泥基混凝土基础上融入一定量的柔性成分，从而使其不仅具有普通混凝土的基本性能，而且具有了良好的柔性和塑性，破坏模式由脆性破坏变成延性破坏，同时，有很高的阻尼性能和能量吸收能力，且抗变形能力强的新型混凝土材料。该材料可广泛应用到军用机场道面建设中，研究该材料的抗冲击性能对提高军用机场道面抗打击能力、作战机场保障水平和防护能力具有重要的现实意义。

橡胶集料混凝土中橡胶颗粒作为细小的料群，起着类似弹性纤维的作用，能减小体系的各种应力和约束微观裂纹，从而减少裂纹产生、阻止或减缓微裂纹发展，同时，吸收大量的振动能，明显改善混凝土的抗冲击性能和减震性能。

目前，国内研究和评价混凝土抗冲击性能的试验方法主要有分离式霍普金森（SHPB）冲击压缩试验和落锤/摆锤类冲击试验。采用第一种方法主要对象是水泥混凝土，对橡胶集料混凝土抗冲击性能研究未见有报道。研究橡胶集料混凝土抗冲击性能的文献较少，彰旸采用U形冲击试验对橡胶集料混凝土的抗冲击性能进行了研究，然而，采用的是落锤类设备。本文采用分离式霍普金森（Hopkinson）冲击压缩试验对橡胶集料混凝土的抗冲击性能进行探索性研究，同时，对橡胶集料混凝土和水泥混凝土进行了对比试验，获得了两种混凝土材料的动态应力应变曲线以及与应变率之间的关系，并分析了橡胶集料混凝土与普通混凝土的抗冲击性能差异。试验结果表明，橡胶集料混凝土抗冲击性能优于普通混凝土。

1 试验方案及原理

1.1 试验试件制作

试验用试件配合比按照《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范》（MH 5006—2015）要求进行设计，配合比及28 d抗折强度如表1所示。抗冲击试验试件规格为ø100×50 mm，每种配合比制作一组试件（每组3块）并进行了标准养护。

表1 试验配合比及抗折强度

1.2 试验方法及原理

霍普金森压杆装置（SHPB）可以方便地记录加载脉冲的应力-应变、应力-时间、应变率-时间的动态曲线，研究应变率敏感材料的动态特性与应变率历史等。SHPB试验在金属材料的动力特性测试方面取得广泛应用，其试验装置包括压杆、加热装置、测量系统、数据采集系统和数据处理系统，如图1所示，设备实物如图2.

在图2中，“A”为发射装置简介，“B”为发射时入射杆端与炮口距离，“C”为气源供给（压气机）。

式（1）中：E为压杆的弹性模量；A0为压杆的横截面面积；AS为试样的截面面积；C0为杆中一维应力波的传播速度；lS为试样的高度。

由一维应力波理论有以下公式：

图1 分离式霍普金森压杆装置示意图

图2 设备组装图

2 试验数据分析

本文给出了各试样的应力应变曲线图以及对应试样破坏过程图，如图3～图10，4种试样对比如图11所示。各试样曲线图中曲线部分的标注“50/s、70/s、110/s”是动态应变率，单位为秒的负一次方，可表示为1/s或s-1.

3 结论

本文采用大直径分离式霍普金森压杆装置对不同橡胶颗粒含量的混凝土进行了多应变率动态压缩力学性能试验，得到了同一类试件在不同应变率下的动态应力-应变曲线，并利用高速摄像机记录了不同气压下试件的微观破坏形态。

图3 a试样应力应变曲线

图4 a试样摄像截取图（气压0.2 MPa）

图5 A试样应力应变曲线

图6 A试样摄像截取图（气压0.2 MPa）

图7 B试样应力应变曲线

图8 B试样摄像截取图（气压0.2 MPa）

图9 H试样应力应变曲线

通过对试验数据和微观破坏形态的分析，可得出以下结论：①橡胶混凝土与普通混凝土都是应变率敏感材料，其峰值应力、极限应变均表现出显著的应变率强化效应。②通过4种试样曲线对比图发现，对于同一应变率水平，普通混凝土的峰值应力远高于橡胶混凝土的峰值应力，但橡胶混凝土的极限应变远大于普通混凝土的极限应变。这说明了掺入橡胶颗粒的混凝土抗压强度降低，但其抗冲击性能优于普通混凝土，即吸能能力高。③通过微观破坏形态图发现，高速冲击下普通混凝土易出现贯穿的纵向裂纹，而掺入橡胶颗粒的混凝土在冲击荷载下的裂纹较杂乱无序，这是由于橡胶颗粒在变形过程中阻碍了裂纹的纵向扩张，从而提高了混凝土的韧性。④通过微观破坏形态图发现，在0.2 MPa和0.3 MPa冲击荷载下，同一类试件的微观裂纹扩展差异不大，说明应变率只对试件的抗压力学性能有较大影响，对其微观破坏形态影响较小。