橡胶水泥混凝土动态力学性能试验研究

王永杰 魏士贞 魏国振 楚琪

[摘要] 在水泥混凝土中掺入适量的橡胶粉制成橡胶水泥混凝土，可较好地改善混凝土的韧性、抗冲击性能。通过利用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验机，以动态峰值应力为主要指标对橡胶水泥混凝土动态力学性能进行了研究。试验研究结果表明，橡胶水泥混凝土具有良好的动态力学性能，可在公路、机场场道工程中推广应用。

[关键词] 橡胶水泥混凝土；动态力学性能；SHPB；峰值应力

[中图分类号] TU528 [文献标志码] A[文章编号] 2095-4085（2012）-06-0095-03

在水泥混凝土中掺入适量的橡胶粉制成橡胶水泥混凝土，并将其应用于机场道面工程，是目前道路建筑材料研究中的一个热点。它对改善混凝土的韧性、抗冲击性能，有效解决水泥混凝土的缺陷对机场道面产生的不利影响具有重大意义。

在材料的动力学性能研究方面，分离式Hopkinson压杆（SHPB）试验技术是一种应用较为普遍且效果较好的试验技术。通过利用SHPB对橡胶水泥混凝土抗冲击压缩性能进行试验研究，分析橡胶的加入对混凝土动态力学性能的影响，指导其工程应用，具有重要的现实意义。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验用橡胶粉规格分别采用40目、80目、120目橡胶粉，表观密度为1030kg/m3；水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；试验所用的细集料为河砂，最大粒径为5mm，连续级配，细度模数为2.6，表观密度为2650kg/m3；粗集料采用粒径为4.75～9.5mm的级配碎石，表观密度为2700kg/m3；试验用水为普通自来水；减水剂为MN萘系高效减水剂。

1.2 试验配合比设计

在本文的橡胶水泥混凝土配合比设计中，橡胶粉取代方法为：以等体积橡胶粉取代砂和石料，并保持基准配合比中的砂率不变。试验方案中基准混凝土配合比为水泥：水：砂：石=1：0.45：1.84：3.64。在保持基准配合比中水泥用量、水灰比和外加剂的用量不变的条件下，将A类（40目）、B类（80目）、C类（120目）橡胶粉掺入混凝土中，等体积取代砂和石料，并保持砂和石料的比例不变。橡胶粉的掺量分别为15kg/m3、30kg/m3、60kg/m3、90kg/m3、110kg/m3，共设计16组配合比。制作尺寸为φ70mm×35mm圆柱体试件，进行SHPB动力试验。

1.3 橡胶水泥混凝土SHPB试验

利用直径为74mm的SHPB装置，对16组橡胶水泥混凝土圆柱体试件在4种不同的加载波下进行冲击压缩试验，得到橡胶水泥混凝土在不同应变率下的应力—应变曲线，研究不同试验应变率下橡胶粉粒径和掺量对混凝土动态峰值应力的影响，分析橡胶水泥混凝土的动态力学性能。

1.3.1试验过程及注意事项

SHPB试验仪器选用中国科技大学研制的直径为74mm的直锥变截面大直径SHPB装置。输入杆、输出杆长度分别为2.7m、1.8m。子弹直径为37mm，采用压缩气体驱动，磁助电接点压力表控制，气压连续可调，控制方便。输入杆和输出杆均采用半导体应变片测量应变信号，电阻值通过电桥来确定放大器对信号的放大倍数。如果不进行提前标定，试验时只能得到示波器上显示的放大后的信号大小，不知道放大倍数是无法具体获取原始信号的数值的。静态标定时需要不断调节增益的大小，直到输出信号可以恰当的显示在示波器的界面上。静标定见表1。

（5）安放子弹和试件。试验过程中为了降低摩擦，在试样的两个端面均涂抹凡士林。

（6）调节气压进行试验。试验中对压气枪所施加的气压分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa（分别对应加载波1、2、3、4），以获得不同应变率下试样的动力学性能。

（7）采集、处理数据。将试验数据保存、导出，采用中国科技大学提供的软件进行处理。在处理过程中，需要特别注意波形的重置和波位的计算，这样才能得到正确的波形计算点，获得理想的应力—应变曲线。

1.3.2 试验波形曲线、试件破坏形式与试验结果列表

对16组不同配合比的试件在4种加载波下进行SHPB试验，试件出现了六种破坏形态，即表面完好、细裂纹、边缘开裂、破裂、破碎、粉碎。试验采集典型波形曲线示例见图1。

橡胶水泥混凝土在不同的应变率下进行SHPB试验所得的数据结果和破坏形态以120目为例列出见表2。由于在同一触发气压下，试件的应变率相似，因此将触发气压相同的试件归为应变率相同的一组进行分类编号。例如，C15-1表示橡胶粉为120目掺量为15kg/m3的试件，试验触发气压为0.2MPa，以此类推。

2 试验结果分析

2.1 应变率对橡胶水泥混凝土动态峰值应力的影响

在混凝土的动态力学性能的研究中，不同应变率下动态冲击的峰值压力相对于静态破坏压力的提高值[1]是其一重要指标。根据欧洲混凝土委员会（CEB）采取的动态因数（DIF）—应变率关系[2]，本文中采取下面的公式分析混凝土的应变率效应：

式中：α、β表示拟合的参数，κ为分界点应变率，ε为动态冲击应变率，fcs为准静态强度，εs为相对于准静态强度的应变。

根据公式并运用试验中得到的C类橡胶水泥混凝土的数据进行拟合，求出公式中的参数，最后得出动态因数与应变率的关系式。由于公式中κ值一般小于20，而本文中试验的应变率值大于20，因此，只用公式中第二个公式进行拟合，静态强度应变率εs取值为5×10-5。根据DIF与ε/εs对应关系，运用软件可以得到DIF与ε/εs对应的散点图。对其进行拟合结果如图2所示，其中纵轴表示动态因数、横轴表示ε/εs。

图2 拟合曲线和散点图

根据DIF与ε/εs的对应关系，拟合曲线后求出参数，y=0.05661，β=0.23166得到拟合方程：

拟合的相关系数R-square：-0.80724，标准偏差为0.00495。说明了拟合的方程与实际结果有较大的相关性。

分析计算结果和拟合曲线，可以得到如下结论：橡胶水泥混凝土表现出明显的应变率增强效应，即动态因数（DIF）随着应变率的增大而增大。相应的，混凝土动态峰值应力也随着应变率的增大而增大。

2.2 橡胶粉粒径对混凝土动态峰值应力的影响

图3给出了固定加载波（以加载波3、4为例）下，当掺量一定时，橡胶水泥混凝土动态峰值应力与粒径的关系。从图中可以看出，与静态抗压峰值应力不同，动态峰值应力随着橡胶粉粒径目数的增大而增大。而动态因数也随之增大，即可认为动态峰值应力的增速随着橡胶粉粒径目数的增大而增大，如加载波为4、掺量为15kg/m3时，C类和B类混凝土的峰值应力分别较A类混凝土高13.1%和8.5%，动态因数分别较A类混凝土高27.6%和11.8%。此外，各类试件的动态峰值应力均在掺量为60kg/m3时大幅下降。如加载波3时，A类的动态峰值应力由55.20MPa降到43.14MPa，降低幅度达22%。

图3 橡胶粉粒径——混凝土动态峰值应力关系曲线

2.3 橡胶粉掺量对混凝土动态峰值应力的影响

作为弹性体的橡胶粉，其强度相对于周围的混凝土基体来说几乎可忽略不计，且作为有机材料，橡胶粉与混凝土在粘结面上粘结力降低。这些都导致动态峰值应力的降低。图4、5给出了C类橡胶水泥混凝土在不同加载波下，橡胶粉掺量与动态峰值应力、动态因数的关系曲线。从图4中可以看出，试件的动态峰值应力随掺量的增加而减小；但图5表明，试件的动态因数却随着橡胶粉掺量的增加而增大。

图4 C类混凝土动态峰值应力与橡胶粉掺量关系曲线

图5 C类混凝土动态因数与橡胶粉掺量关系曲线

3 结论

在水泥混凝土中掺入适量不同粒径的橡胶粉制成橡胶水泥混凝土，以动态峰值应力为主要指标通过SHPB试验对其动态力学性能进行了研究。研究表明，橡胶水泥混凝土具有良好的动态力学性能，主要表现在以下几个方面：

（1）橡胶水泥混凝土表现出明显的应变率增强效应，动态峰值应力随着应变率的增大而增大；

（2）当橡胶粉掺量一定时，橡胶水泥混凝土动态峰值应力与胶粉粒径成正比；

（3）橡胶混凝土动态峰值应力随橡胶粉掺量的增加而减小，但其动态因数则随着橡胶粉掺量的增加而增大。

参考文献

[1] 中华人民共和国建设部.GB/T 50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准.北京：中国建筑工业出版社，2003.

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

[3] 刘锋，潘东平.橡胶混凝土应力和强度的细观数值分析.建筑材料学报，2008，2：144～151.

[4] 董建伟，袁琳，朱涵.橡胶集料混凝土的试验研究及工程应用.混凝土.2006，7：69～71.

作者简介王永杰（1970-），男，山东莱阳人，本科，主要研究方向为机场场道工程；魏士贞（1987-），男，山东肥城人，硕士，主要研究方向为机场防护工程；楚琪（1988-），男，安徽蒙城人，本科，主要研究方向为机场场道工程。魏国振（1989-），男，山东肥城人，主要研究方向为地基处理与加固；