王永杰 魏士貞 魏國振 楚琪

[摘要] 在水泥混凝土中摻入適量的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，可較好地改善混凝土的韌性、抗沖擊性能。通過利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗機，以動態(tài)峰值應力為主要指標對橡膠水泥混凝土動態(tài)力學性能進行了研究。試驗研究結果表明，橡膠水泥混凝土具有良好的動態(tài)力學性能，可在公路、機場場道工程中推廣應用。

[關鍵詞] 橡膠水泥混凝土；動態(tài)力學性能；SHPB；峰值應力

[中圖分類號] TU528 [文獻標志碼] A[文章編號] 2095-4085（2012）-06-0095-03

在水泥混凝土中摻入適量的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，并將其應用于機場道面工程，是目前道路建筑材料研究中的一個熱點。它對改善混凝土的韌性、抗沖擊性能，有效解決水泥混凝土的缺陷對機場道面產生的不利影響具有重大意義。

在材料的動力學性能研究方面，分離式Hopkinson壓桿（SHPB）試驗技術是一種應用較為普遍且效果較好的試驗技術。通過利用SHPB對橡膠水泥混凝土抗沖擊壓縮性能進行試驗研究，分析橡膠的加入對混凝土動態(tài)力學性能的影響，指導其工程應用，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用橡膠粉規(guī)格分別采用40目、80目、120目橡膠粉，表觀密度為1030kg/m3；水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；試驗所用的細集料為河砂，最大粒徑為5mm，連續(xù)級配，細度模數(shù)為2.6，表觀密度為2650kg/m3；粗集料采用粒徑為4.75～9.5mm的級配碎石，表觀密度為2700kg/m3；試驗用水為普通自來水；減水劑為MN萘系高效減水劑。

1.2 試驗配合比設計

在本文的橡膠水泥混凝土配合比設計中，橡膠粉取代方法為：以等體積橡膠粉取代砂和石料，并保持基準配合比中的砂率不變。試驗方案中基準混凝土配合比為水泥：水：砂：石=1：0.45：1.84：3.64。在保持基準配合比中水泥用量、水灰比和外加劑的用量不變的條件下，將A類（40目）、B類（80目）、C類（120目）橡膠粉摻入混凝土中，等體積取代砂和石料，并保持砂和石料的比例不變。橡膠粉的摻量分別為15kg/m3、30kg/m3、60kg/m3、90kg/m3、110kg/m3，共設計16組配合比。制作尺寸為φ70mm×35mm圓柱體試件，進行SHPB動力試驗。

1.3 橡膠水泥混凝土SHPB試驗

利用直徑為74mm的SHPB裝置，對16組橡膠水泥混凝土圓柱體試件在4種不同的加載波下進行沖擊壓縮試驗，得到橡膠水泥混凝土在不同應變率下的應力—應變曲線，研究不同試驗應變率下橡膠粉粒徑和摻量對混凝土動態(tài)峰值應力的影響，分析橡膠水泥混凝土的動態(tài)力學性能。

1.3.1試驗過程及注意事項

SHPB試驗儀器選用中國科技大學研制的直徑為74mm的直錐變截面大直徑SHPB裝置。輸入桿、輸出桿長度分別為2.7m、1.8m。子彈直徑為37mm，采用壓縮氣體驅動，磁助電接點壓力表控制，氣壓連續(xù)可調，控制方便。輸入桿和輸出桿均采用半導體應變片測量應變信號，電阻值通過電橋來確定放大器對信號的放大倍數(shù)。如果不進行提前標定，試驗時只能得到示波器上顯示的放大后的信號大小，不知道放大倍數(shù)是無法具體獲取原始信號的數(shù)值的。靜態(tài)標定時需要不斷調節(jié)增益的大小，直到輸出信號可以恰當?shù)娘@示在示波器的界面上。靜標定見表1。

（5）安放子彈和試件。試驗過程中為了降低摩擦，在試樣的兩個端面均涂抹凡士林。

（6）調節(jié)氣壓進行試驗。試驗中對壓氣槍所施加的氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa（分別對應加載波1、2、3、4），以獲得不同應變率下試樣的動力學性能。

（7）采集、處理數(shù)據。將試驗數(shù)據保存、導出，采用中國科技大學提供的軟件進行處理。在處理過程中，需要特別注意波形的重置和波位的計算，這樣才能得到正確的波形計算點，獲得理想的應力—應變曲線。

1.3.2 試驗波形曲線、試件破壞形式與試驗結果列表

對16組不同配合比的試件在4種加載波下進行SHPB試驗，試件出現(xiàn)了六種破壞形態(tài)，即表面完好、細裂紋、邊緣開裂、破裂、破碎、粉碎。試驗采集典型波形曲線示例見圖1。

橡膠水泥混凝土在不同的應變率下進行SHPB試驗所得的數(shù)據結果和破壞形態(tài)以120目為例列出見表2。由于在同一觸發(fā)氣壓下，試件的應變率相似，因此將觸發(fā)氣壓相同的試件歸為應變率相同的一組進行分類編號。例如，C15-1表示橡膠粉為120目摻量為15kg/m3的試件，試驗觸發(fā)氣壓為0.2MPa，以此類推。

2 試驗結果分析

2.1 應變率對橡膠水泥混凝土動態(tài)峰值應力的影響

在混凝土的動態(tài)力學性能的研究中，不同應變率下動態(tài)沖擊的峰值壓力相對于靜態(tài)破壞壓力的提高值[1]是其一重要指標。根據歐洲混凝土委員會（CEB）采取的動態(tài)因數(shù)（DIF）—應變率關系[2]，本文中采取下面的公式分析混凝土的應變率效應：

式中：α、β表示擬合的參數(shù)，κ為分界點應變率，ε為動態(tài)沖擊應變率，fcs為準靜態(tài)強度，εs為相對于準靜態(tài)強度的應變。

根據公式并運用試驗中得到的C類橡膠水泥混凝土的數(shù)據進行擬合，求出公式中的參數(shù)，最后得出動態(tài)因數(shù)與應變率的關系式。由于公式中κ值一般小于20，而本文中試驗的應變率值大于20，因此，只用公式中第二個公式進行擬合，靜態(tài)強度應變率εs取值為5×10-5。根據DIF與ε/εs對應關系，運用軟件可以得到DIF與ε/εs對應的散點圖。對其進行擬合結果如圖2所示，其中縱軸表示動態(tài)因數(shù)、橫軸表示ε/εs。

圖2 擬合曲線和散點圖

根據DIF與ε/εs的對應關系，擬合曲線后求出參數(shù)，y=0.05661，β=0.23166得到擬合方程：

擬合的相關系數(shù)R-square：-0.80724，標準偏差為0.00495。說明了擬合的方程與實際結果有較大的相關性。

分析計算結果和擬合曲線，可以得到如下結論：橡膠水泥混凝土表現(xiàn)出明顯的應變率增強效應，即動態(tài)因數(shù)（DIF）隨著應變率的增大而增大。相應的，混凝土動態(tài)峰值應力也隨著應變率的增大而增大。

2.2 橡膠粉粒徑對混凝土動態(tài)峰值應力的影響

圖3給出了固定加載波（以加載波3、4為例）下，當摻量一定時，橡膠水泥混凝土動態(tài)峰值應力與粒徑的關系。從圖中可以看出，與靜態(tài)抗壓峰值應力不同，動態(tài)峰值應力隨著橡膠粉粒徑目數(shù)的增大而增大。而動態(tài)因數(shù)也隨之增大，即可認為動態(tài)峰值應力的增速隨著橡膠粉粒徑目數(shù)的增大而增大，如加載波為4、摻量為15kg/m3時，C類和B類混凝土的峰值應力分別較A類混凝土高13.1%和8.5%，動態(tài)因數(shù)分別較A類混凝土高27.6%和11.8%。此外，各類試件的動態(tài)峰值應力均在摻量為60kg/m3時大幅下降。如加載波3時，A類的動態(tài)峰值應力由55.20MPa降到43.14MPa，降低幅度達22%。

圖3 橡膠粉粒徑——混凝土動態(tài)峰值應力關系曲線

2.3 橡膠粉摻量對混凝土動態(tài)峰值應力的影響

作為彈性體的橡膠粉，其強度相對于周圍的混凝土基體來說幾乎可忽略不計，且作為有機材料，橡膠粉與混凝土在粘結面上粘結力降低。這些都導致動態(tài)峰值應力的降低。圖4、5給出了C類橡膠水泥混凝土在不同加載波下，橡膠粉摻量與動態(tài)峰值應力、動態(tài)因數(shù)的關系曲線。從圖4中可以看出，試件的動態(tài)峰值應力隨摻量的增加而減??；但圖5表明，試件的動態(tài)因數(shù)卻隨著橡膠粉摻量的增加而增大。

圖4 C類混凝土動態(tài)峰值應力與橡膠粉摻量關系曲線

圖5 C類混凝土動態(tài)因數(shù)與橡膠粉摻量關系曲線

3 結論

在水泥混凝土中摻入適量不同粒徑的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，以動態(tài)峰值應力為主要指標通過SHPB試驗對其動態(tài)力學性能進行了研究。研究表明，橡膠水泥混凝土具有良好的動態(tài)力學性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）橡膠水泥混凝土表現(xiàn)出明顯的應變率增強效應，動態(tài)峰值應力隨著應變率的增大而增大；

（2）當橡膠粉摻量一定時，橡膠水泥混凝土動態(tài)峰值應力與膠粉粒徑成正比；

（3）橡膠混凝土動態(tài)峰值應力隨橡膠粉摻量的增加而減小，但其動態(tài)因數(shù)則隨著橡膠粉摻量的增加而增大。

參考文獻

[1] 中華人民共和國建設部.GB/T 50081-2002.普通混凝土力學性能試驗方法標準.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2] Bischoff P H， Perry S H.Compressive behavior of concrete at high strain rates.Materials and Structures，1991，24：425～450.

[3] 劉鋒，潘東平.橡膠混凝土應力和強度的細觀數(shù)值分析.建筑材料學報，2008，2：144～151.

[4] 董建偉，袁琳，朱涵.橡膠集料混凝土的試驗研究及工程應用.混凝土.2006，7：69～71.

作者簡介王永杰（1970-），男，山東萊陽人，本科，主要研究方向為機場場道工程；魏士貞（1987-），男，山東肥城人，碩士，主要研究方向為機場防護工程；楚琪（1988-），男，安徽蒙城人，本科，主要研究方向為機場場道工程。魏國振（1989-），男，山東肥城人，主要研究方向為地基處理與加固；