基于SHPB的再生混凝土动态力学性能研究

穆荟宇

西南科技大学 土木工程与建筑学院 四川 绵阳 621010

近年来，地震、船舶撞击桥梁等事件时有发生，对工程结构造成了严重的破坏及经济损失，工程结构面临着强冲击荷载的危害。因此，研究在动荷载作用下，工程材料的力学性能、动力响应及失效机制有着极其重要的工程意义。

同时，随着现代化建设进程的加快，需要的混凝土越来越多，大量的开山采石将导致资源匮乏。而被拆除的建筑物将会有大量的废弃混凝土产生，废弃的混凝土块通过破碎、筛分等一系列程序，就会形成再生粗骨料，并按照一定的配合比，天然骨料将被再生粗骨料部分或全部替代，从而制成混凝土，形成再生混凝土（RAC）[1]，解决了废弃混凝土重复再利用的问题。同时，对节约物质资源、保护生态环境具有重要意义。

大量研究表明，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的强度会逐渐降低。Barhmaiah等[2,3,4]发现再生粗骨料取代率为25 %、50 %、75 %、100 %的再生混凝土抗压强度随再生粗骨料取代率的增加而降低。

肖建庄[5]通过在不同应变率下，对再生混凝土进行了单轴受压性能试验，研究结果表明，再生混凝土的应力-应变曲线形状相似，随着应变率的增大，峰值应力增大。杨强等[6]研究了普通混凝土与再生混凝土在高应变率下的动力响应，结果表明，随着冲击气压值的增大，动态抗压强度均有所增大。学者们在再生混凝土静态力学性能方面进行了系统的试验研究和理论分析，得到了很大的进展。然而，关于再生混凝土应变率敏感性的研究较为缺乏。

本文通过对再生粗骨料取代率为50 %的再生混凝土进行SHPB动态冲击压缩试验，并与普通混凝土试件进行对比，测试两种混凝土在不同冲击气压下的动态力学性能指标，分析其应力-应变曲线及动态压缩强度在不同应变率下的变化规律。本文的研究成果补充了在实际工程应用中再生混凝土材料性能的空白。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比

试验所使用的水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P.O 42.5，细骨料为中粗河砂，再生粗骨料以及天然粗骨料选用5 - 10 mm碎石，测得再生骨料吸水率为4 %。

试验制作的混凝土试件均按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）[7]进行配制。对再生粗骨料取代率为0 %，配制普通混凝土NAC0，并同时配制再生粗骨料取代率为50 %的再生混凝土RAC1。普通混凝土的水灰比为0.48，砂率为38 %，具体混凝土配合比设计详见表1。

表1 混凝土配合比设计

1.2 试验方法

根据试验研究需求，制备标准立方体和φ120mm×80mm[8]圆柱体试件，其中立方体抗压试件各3个，共6个；圆柱体冲击压缩试件各15个，共30个。如图1所示，对标准试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB／T 50081-2016)[9]进行静态抗压试验。对普通混凝土和再生混凝土试件，通过120mmSHPB试验装置，加载0.20MPa、0.22MPa、0.24MPa的冲击气压进行单轴冲击试验。

图1 混凝土静态抗压试验

SHPB试验装置为图2所示，入射杆、透射杆直径均为120mm，实验选取φ40mm×2mm的圆形橡胶片作为波形整形器，粘贴在入射杆杆端，以此来减小横向惯性效应和波形弥散效应[8,10]。在两杆之间放置试件，三者保持在同一水平线上，使试件加载时处于一维应力状态。分别在两杆的中部贴上应变片，用于采集试验中的应变。试验通过控制加载氮气气压值来改变子弹的入射速度。红外线测速仪设置在入射杆前，从而获得子弹撞击入射杆时的速度。

图2 SHPB试验装置

2 试验结果与分析

2.1 静态抗压强度

表2所示为两种混凝土平均静态抗压强度，可以看出，当再生粗骨料取代率为50 %时，静压强度相较于普通混凝土，降低了7 %。这是因为，再生粗骨料与新旧砂浆之间，产生较为薄弱的粘结作用，存在大量裂纹，且再生粗骨料也具有高孔隙率等特点，对水泥的水化过程有影响，容易形成应力集中，从而导致再生混凝土的强度有所降低。因此，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的静压强度逐渐降低。

表2 静态抗压强度

2.2 破坏形态

两种混凝土在三种不同的气压下，表现出三种不同的破坏形态，分别为轻微龟裂、破碎、粉碎。在相同气压作用下，两者的破坏形态大致相似。

如图3（a）所示，在0.20MPa的冲击气压下，再生混凝土的破坏形态为轻微龟裂。试件产生裂缝，外围有混凝土剥落，但仍保持整体的完整性。

图3 不同气压值下再生混凝土破坏形态

如图3（b）所示，当冲击气压为0.22MPa时，再生混凝土的最终形态表现为破碎，试件被裂纹贯穿，碎裂为均匀的块状。

如图3（c）所示，当冲击气压值达到0.24MPa时，试件完全破裂，试件的大部分破坏为小碎块，小部分粉末状，试件的破坏形态为粉碎。

2.3 应力-应变曲线

根据应力波一维假定、试件均匀性假定的测试数据处理方法，即二波法，在SHPB试验中试件的应力、应变、应变率可表示为：

如图4所示，为NAC0和RAC1动态应力-应变曲线。可以看出，在不同应变率下，两种混凝土的应力-应变曲线的变化趋势大致相同。且随着冲击气压的增大，峰值应力和峰值应变均增大，它们的动态压缩强度随着应变率的增加而增加。

图4 不同应变率下混凝土动态应力应变曲线

NAC0和RAC1的动态应力-应变曲线总共分为三个阶段。第一阶段为应力上升段，应力急剧上升，出现峰值应力，应力应变呈线性变化。第二阶段为应力缓冲段，应力减少较少，应变持续增大，试件开始破坏。第三阶段为应变软化阶段，应力随应变的增大逐渐减小，试件完全破坏，表现出明显的脆性破坏。

2.4 动态压缩强度

在混凝土的动态压缩强度中，通常用动态增强因子DIF来表示应变率效应的影响。其中，DIF为动态抗压强度与静压强度的比值。图5为不同冲击气压下NAC0和RAC1的DIF。

图5 不同气压下动态增强因子DIF

可以看出，RAC1和NAC0具有明显的应变率效应，它们的DIF随着冲击气压的增大而逐渐增大。且普通混凝土NAC0的DIF增幅为17.6 %，再生混凝土RAC1的DIF增幅为39.3 %，说明普通混凝土的应变率敏感性要低于再生混凝土。

3 结论

（1）由于再生混凝土新砂浆-旧骨料之间产生的粘结较为薄弱，且再生粗骨料具有高孔隙率等特点，因此，再生骨料取代率为50%的再生混凝土静压强度低于普通混凝土。

（2）随着冲击气压的增大，混凝土试件表现为三种破坏形态。当冲击气压为0.20 MPa时，破坏形态为轻微龟裂；当冲击气压为0.22 MPa时，最终形态为破碎；当冲击气压为0.24 MPa时，破坏形态为粉碎。

（3）在不同冲击气压下，再生混凝土和普通混凝土的应力-应变曲线变化大致相同，且随着冲击气压值的增大，应力、应变均增大，表现出明显的应变率效应。

（4）不同冲击气压下，两种混凝土的DIF也随气压值的上升而增大。普通混凝土的DIF增幅为17.6 %，再生混凝土的DIF增幅为39.3 %，表明普通混凝土的应变率敏感性要低于普通混凝土。