不同冲击气压下橡胶混凝土力学性能研究

颜剑秋

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

废旧橡胶的产生既占用了大量的土地资源，也造成了环境污染，为将废旧橡胶制成橡胶混凝土进行回收再利用，学者们对此进行了多方面研究。胡仁桂[1]对橡胶混凝土单轴压缩应力应变全曲线数学进行了研究，结果表明随着橡胶掺量增大，轴向应变增长，在外部荷载下易产生延性破坏；龙一飞等[2]对冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验进行了研究，结果表明素混凝土中适量掺入橡胶颗粒，其韧性及吸能效果明显增加；李龙梓等[3]进行了大掺量废旧轮胎橡胶粉对混凝土性能的研究，结果表明混凝土中适量的掺入橡胶粉，能有效提高混凝土的耐磨性能以及抗冻性能；杨春峰等[4]对橡胶混凝土单轴受压下的应力-应变关系进行了研究，结果表明橡胶混凝土较素混凝土应力应变平缓，力学性能降低；郑邦容等[5]对橡胶混凝土力学性能与耐久性能进行了研究，结果表明掺入橡胶颗粒后，混凝土的力学性能降低，而耐久性和抗压能力有显著增强；赵行之等[6]对冲击荷载作用下橡胶混凝土动态力学性能进行了研究，结果表明动态荷载作用下，橡胶混凝土的破坏程度小于素混凝土，橡胶掺量为3%的混凝土吸能效果最佳；付毓等[7]对橡胶混凝土受压破坏机理的余能基面力元进行了分析，结果表明随着橡胶掺量的增加，抗压性能明显降低，其中分散均匀的橡胶颗粒能有效防止混凝土局部破坏；付乾等[8]对基于正交试验的橡胶混凝土单轴受压应力-应变全曲线进行了研究，结果表明相较于素混凝土，橡胶混凝土中橡胶颗粒的掺入，使混凝土的强度有所降低，但提高了混凝土的延性、韧性和耗能能力。

对于不同冲击气压下橡胶混凝土的力学性能，以上研究并没有系统分析。针对此问题，本文进行了素混凝土和橡胶混凝土在不同气压作用下的冲击试验，对素混凝土和橡胶混凝土的力学性能、韧性和单位吸能进行了分析。

1 工程概况

本项目为某水电站配套项目，建设大型停车场工程，拟采用橡胶混凝土建造大型停车场。该停车场停车数量较多，车辆出入频繁，因此停车场所用的橡胶混凝土对抗压强度、吸能、减震和降噪有较高的要求，为保证停车场使用年限不少于30a，须对所采用的橡胶混凝土进行力学性能试验。

2 试验材料与方案

2.1 试验材料

本试验所采用的材料分别为P.O42.5水泥、天然河砂、碎石、橡胶颗粒及减水剂，水泥为普通硅酸盐水泥，河砂为粒径0.35～0.5mm优质中砂，碎石为6～18mm天然花岗石，橡胶颗粒为0.8～3.2mm的不规则颗粒，其宏观形态如图1(a)所示，其微观形态如图1(b)所示。

图1 橡胶颗粒

首先制备橡胶混凝土试件，试件中橡胶的掺量为总体积的10%。设置基准素混凝土强度为40MPa，在素混凝土中掺入10%的橡胶颗粒代替河砂，橡胶混凝土质量配合比见表1。

表1 橡胶混凝土质量配合比 单位：kg/m3

制备的试件为圆柱体，直径为74mm，高度为37mm，以此规格试件作为标准试件，将制备完成的试件分为6组，每组3个，全部放入相对湿度大于95%、温度为20±3℃的条件下进行标准养护，养护龄期不小于28d。养护结束后，将试件表面打磨，使两端面保持水平，水平误差保持在0.05mm以下，单面平整度保持在0.02mm以下。

2.2 试验方案

本试验采用Φ74mm变截面SHPB试验设备对橡胶混凝土试件进行动态压缩，试验中设置4种冲击气压对试件进行冲击压缩，4种气压强度分别为0.25、0.35、0.45、0.55MPa。将试件放入试验设备中，平行于设备的入射杆和透射杆，子弹在冲击气压下获取速度撞击入射杆，在子弹撞入试件顶端的瞬间产生脉冲，形成入射波，一部分入射波透过试件传递到另一端的透射杆，形成透射波，另一部分入射波从试件顶端接触面反射回入射杆，形成反射波。施加的脉冲信号被入射杆和透射杆上的电阻应变片收集，收集的脉冲信号通过示波器进行显示，其显示的波形如图2所示。

图2 脉冲信号波形图

由图2可知，试件在子弹的冲击下，入射波信号先快速增大再减小，在240μs时，入射信号达到峰值，随着时间的增加，在380μs时入射波信号转换成两部分，一部分形成透射波，另一部分形成反射波。转换后的透射波和反射波均先增大再减小，直至受力消失。

为保证冲击试验的有效性，根据冲击试验所得数据，对试件进行应力平衡检测，得出应力平衡曲线，如图3所示。在50μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为40、-32、8、9MPa;在100μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为48、-24、24、24.5MPa;在150μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为49、-38、18、19MPa;在200μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为50、-39、10、12MPa;在250μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为38、-20、16、17MPa;在300μs时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为0、7、10、11MPa。由此可知，随着时间的增加，入射应力、反射应力和透射应力沿波传播方向先增加再逐渐衰减，在传播过程中，应力在试件内部发生多次反射，两端应力差逐渐减少直至消失[9- 10]。

图3 应力平衡曲线

3 试验结果与分析

3.1 混凝土的力学性能分析

对相同配合比的素混凝土和橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，得出不同应变率下的应力应变曲线，如图4所示。

图4 混凝土应力应变曲线

由图4(a)可知，在强度为0.25、0.35、0.45、0.55MPa气压冲击下，当应变率为0.005时，素混凝土的应力分别为30、43、60、70MPa；当应变率为0.010时，素混凝土的应力为40、45.5、50、67MPa；当应变率为0.014时，素混凝土的应力为3、21、10、73MPa；当应变率为0.015时，强度为0.25MPa气压冲击下素混凝土试件的应力已消失，强度为0.35、0.45、0.55MPa气压冲击下素混凝土试件的应力分别为12、2.5、74MPa。由此可知，不同气压冲击下，素混凝土的应力先增大再减小，在0.55MPa气压冲击下，素混凝土应力最大，在0.25MPa气压冲击下，素混凝土应力最小。

由图4(b)可知，在强度为0.25、0.35、0.45、0.55MPa气压冲击下，当应变率为0.005时，橡胶混凝土的应力分别为30、40、50、70MPa；当应变率为0.010时，橡胶混凝土的应力为37、44、56、57MPa；当应变率为0.015时，橡胶混凝土的应力为38、41、48、60MPa；当应变率为0.020时，强度为0.25MPa气压冲击下橡胶混凝土试件的应力已消失，强度为0.35、0.45、0.55MPa气压冲击下橡胶混凝土试件的应力分别为20、32、54MPa。由此可知，不同气压冲击下，橡胶混凝土的应力先增大再减小，在0.55MPa气压冲击下，橡胶混凝土应力最大，在0.25MPa气压冲击下，橡胶混凝土应力最小。

综上所述，通过对素混凝土和橡胶混凝土的应力应变对比，素混凝土的峰值应力整体上明显高于橡胶混凝土，橡胶混凝土的应变延性高于素混凝土，其变形能力较素混凝土明显增强。

3.2 混凝土的韧性及吸能分析

通过对素混凝土和橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，得出混凝土的韧性和吸能密度曲线，如图5所示。

图5 混凝土韧性和吸能密度曲线

由图5(a)可知，在强度为0.25MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为0.42、0.6；在强度为0.35MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为0.62、0.79；在强度为0.45MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为0.78、1.02；在强度为0.55MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为1.18、1.33。由此可知，随着冲击气压的增大，素混凝土和橡胶混凝土的韧性明显增大，在相同的冲击气压下，橡胶混凝土的韧性明显高于素混凝土，在外力荷载作用下，能够有效的防止混凝土的脆性破坏。

由图5(b)可知，在强度为0.25MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.12、0.16J/m3；在强度为0.35MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.17、0.23J/m3；在强度为0.45MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.23、0.33J/m3；在强度为0.55MPa气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.29、0.38J/m3。由此可知，随着冲击气压的增大，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度明显增大，在相同的冲击气压下，橡胶混凝土的单位吸能密度明显高于素混凝土，因此素混凝土中掺入适量的橡胶能增加混凝土的吸能效果。

综上所述，在不同气压冲击作用下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性和单位吸能密度均明显增大，其中橡胶混凝土较素混凝土增大明显。在相同的气压冲击作用下，橡胶混凝土的的韧性和单位吸能密度明显高于素混凝土，因此橡胶混凝土较素混凝土有较好的减震性能和抗冲击性能，素混凝土中适量掺入橡胶能提高混凝土耐久性，防止混凝土脆性破坏。

4 结论

本文通过素混凝土和橡胶混凝土在不同气压作用下的冲击试验，对橡胶混凝土的力学性能、韧性和单位吸能进行了研究，结果显示橡胶混凝土的延性及抗冲击性能好，韧性及抗冲击性能及耐久性较素混凝土显著增加，可有效避免混凝土的脆性破坏；橡胶混凝土的单位吸能密度明显高于素混凝土，其抗震和减震性能较素混凝土显著增加。说明橡胶可改善混凝土部分力学性能，具有较高的应用价值，但橡胶混凝土较素混凝土抗压强度峰值降低，在一定程度上降低了混凝土的强度，在具体的工程应用中，需要进一步开展研究。