EPS颗粒对混凝土的增韧效应

EPS颗粒对混凝土的增韧效应
白二雷;许金余;高志刚;胡泽斌
【摘要】配制了聚苯乙烯(EPS)颗粒体积分数分别为10％,20％,30％,40％,50％的EPS混凝土,采用φ100分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,以比能量吸收作为指标,研究了EPS颗粒对混凝土的增韧效应,探讨了EPS颗粒对混凝土的增韧机理.结
果表明:冲击荷载作用下,由于应变率效应,相同体积分数的EPS混凝土冲击韧性随应变率的增加而提高,具有显著的应变率相关性；由于EPS颗粒的微结构效应,在EPS 颗粒体积分数为10％～30％时,其韧性较未掺EPS颗粒的混凝土有不同程度的提高,EPS颗粒体积分数为20％时对混凝土韧性的改善效果最佳.当EPS颗粒体积分
数达到40％～50％时,其韧性有所降低.%To study the effect of EPS on the toughness of plain concrete, the EPS concrete with 10% ,20% , 30%,40%,50% EPS volume fraction were prepared. Taking specific energy absorption as the index, the toughening effect of EPS with different EPS volume fraction under impact loading were studied using a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar(SHPB)apparatus, and the toughening mechanism
of the concrete was discussed. The results show that the toughness of the EPS concrete improves with increasing average strain rate, which shows obvious strain rate dependence. The toughness of EPS concrete improves
in some degree with 10%- 30% volume fraction of EPS. And the optimum volume fraction of EPS is 20%. Its toughing effect reduces somewhat when the EPS volume fraction reaches 40%- 50%.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2012(015)001
【总页数】7页(P53-59)
【关键词】聚苯乙烯颗粒;混凝土;比能量吸收;应变率;增韧效应
【作者】白二雷;许金余;高志刚;胡泽斌
【作者单位】空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;西北工业大学力学与建筑工程学院,陕西西安710072;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.41
聚苯乙烯（EPS）混凝土，又称Styropor混凝土，是一种用聚苯乙烯发泡颗粒作轻骨料而生产的矿物质胶结轻质混凝土.其优点主要有：（1）轻质中强，即密度小（800～1 800kg／m3），抗压强度可达20 MPa；（2）能量吸收特性突出，能够有效地缓冲、减振、降低应力幅值；（3）造价低、节能、环保.基于此，EPS混凝土在民用建筑结构及军事防护工程领域具有广阔的应用前景.
目前，关于EPS混凝土的研究主要有：Cook等[1]以EPS为混凝土的集料进行了研究，提出轻骨料的两种生产方式.李俊峰[2]和陈兵等[3－4]研究了EPS轻混凝土的生产与应用，并对试件进行了抗拉和抗压试验，测试其力学性能.Bischoff等[5]通过试验证明了EPS混凝土具有较强的吸能功能，并将其应用于结构的抗冲击保护层.Perry等[6]对掺加不同EPS颗粒及不同外加剂的EPS混凝土的物理力学性能进行了研究.
综上所述，目前对EPS混凝土的研究主要集中于其制备技术、物理性能和准静态力学性能，而对其在冲击荷载作用下的动态力学性能及冲击韧性的研究较少.基于此，本文采用大直径（φ100）分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置对不同EPS掺量（体积分数）的EPS混凝土在不同应变率下的冲击韧性展开研究，为EPS混凝土在工程中的应用提供理论指导.
1 EPS混凝土SHPB试验
1.1 试验材料及静力试验
混凝土基体材料：P·O 42.5R秦岭水泥，其28d抗压强度为48.6MPa；Ⅰ级粉煤灰，韩城第二发电厂生产；泾阳县石灰岩碎石（5～10mm（15%，质量分数）；10～20mm（85%，质量分数））；灞河中砂，细度模数为2.8；硅灰（0.10～0.15μm）；FDN高效减水剂，广州建宝新型建材有限公司生产；EPS颗粒采用高陵县泡沫厂生产的再生EPS颗粒（2～8mm）.本试验采用微硅粉和减水剂来改善EPS颗粒与水泥浆体的界面性能.TIF；%95%94混凝土配合比见表1.根据EPS颗粒的特点，试验采用AEP搅拌工艺，该工艺能够使拌和物均匀，克服离析现象，具体制备、养护工艺流程如图1所示.
EPS掺量分别为0%，10%，20%，30%，40%，50%（体积分数），每种掺量各制12个圆柱形试件.试件尺寸为直径（99±1）mm，长度（49.5±1）mm.试件用钢模具浇注而成，标准养护后进行切割，表面采用磨床精密加工，表面不平行度小于0.02mm.对EPS掺量分别为0%，10%，20%，30%，40%，50%的试件标准养护28d后进行试验.
为便于对比，首先采用2 000kN的电液伺服式压力机进行了EPS混凝土的静态力学性能试验，测得EPS混凝土的静态抗压强度及密度如表2所示.
表1 EPS混凝土的配合比Table1 Mix proportion of EPS concretesNote：In order to prepare EPS concrete，some sand and stone were substituted by
regenerative EPS foam.At the same time，the ratio of sand to stone were unchanged.Thus the light weight EPS concrete can be made.Sample code Mix proportion／（kg·m－3）Water Cement Flyash Silica ash FDN Sand Stone φ（EPS）／%S1 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 599.00 1 070.00 0 S2 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 503.00 899.00 10 S3 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 407.00 728.00 20 S4 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 311.00 557.00 30 S5 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 215.00 386.00 40 S6 184.00 386.00 213.50 29.68 5.93 119.00 215.00 50
图1 EPS混凝土制备养护工艺Fig.1 Preparing and curing technology for EPS concrete
表2 EPS混凝土的静态试验结果Table2 Summary of static experiment on EPS concrete specime nsSample φ（EPS）／% Density／（kg·m－3）MPa S1 0 2 434.66 67.76 S2 10 2 313.18 57.57 S3 20 2 138.36 44.81 S4 30 1 984.07 32.16 S5 40 1 781.92 23.08 Compressive strength／S6 50 1 487.21 15.86
1.2 SHPB试验装置及原理
试验采用空军工程大学工程学院防护实验室的φ100分离式SHPB试验装置，如
图2所示.SHPB试验技术被广泛应用于混凝土[7]、陶瓷[8]、岩石[9]、软材料及松散材料[10]等多种材料动态力学性能的测试.试验装置主要由主体设备、能源系统、测试系统3大部分组成.主体设备包括：杆件发射装置、炮管、打击杆、吸能装置、杆件调整支架、操纵台等零部件；能源系统包括：空压机、气包、管道等；测试系统主要包括：由振荡测试仪、时间间隔仪组成的速度测试系统，以及由超动态应变仪瞬态波形存储仪组成的应变测试系统.
图2 φ100SHPB试验装置Fig.2 Sketch of 100mm diameter SHPB apparatus
试验的基本原理是细长杆中弹性应力波传播理论[11]，建立在两个基本假设的基础上：（1）平面假设，即应力波在细长杆的传播过程中，弹性杆的每个横截面始终保持平面状态；（2）应力均匀假设，即应力波在试件中传播两个来回以上，试件中的应力处处相等.为满足平面假设及应力均匀假设，本文采用文献[12]提出的试
验技术.
2 试验结果及分析
2.1 韧性评价指标
本文采用单位体积的混凝土材料吸收应力波能量的大小，即比能量吸收a来表征
混凝土材料的韧性[13]：
式中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；t为时间；A，As分别为杆、试件的横
截面面积；ls为试件的初始厚度；εi，εr，εt 分别为杆中的入射、反射、投射应变；τ1，τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的时间延迟；T为试件完全破坏时刻.
2.2 试验结果与分析
不同掺量的EPS混凝土其SHPB试验结果见表3，其应力－应变曲线如图3所示. 根据表3的试验数据可以得到比能量吸收（SEA）随平均应变率的变化关系，如图4所示.从图4可见，比能量吸收随平均应变率近似线性增长，表现出显著的应变
率相关性.通过拟合可得到比能量吸收随平均应变率的变化关系.根据比能量吸收增
长率的定义（即EPS混凝土的比能量吸收相对于基体混凝土比能量吸收的增长百
分比）进行计算可得到图5中的关系曲线.以比能量吸收增长率作为EPS混凝土的冲击韧性指标，从图5可看出，EPS颗粒掺量为10%，20%，30%时，对其基体
混凝土具有显著的增韧效果，EPS颗粒掺量为40%，50%时反而削弱了基体混凝
土的韧性.TIF；%95%94掺量为10%的混凝土，其冲击韧性随平均应变率的提高
而降低，而EPS掺量为20%，30%的EPS混凝土，其冲击韧性随平均应变率的提高而增长.80s－1时，EPS掺量为10%，20%和30%的混凝土，韧性增长率分别为5%，48%和20%.
3 EPS混凝土的破坏形态及增韧机理
3.1 EPS混凝土的破坏形态
通过EPS混凝土的SHPB试验所获得的试件破坏形态与比能量吸收值及平均应变率的关系如图6所示.从图6可以看出，在不同冲击荷载作用下，试件的破坏形态主要有：开裂、留芯、块状碎裂、粉碎这4种形态.TIF；%95%94掺量相同的情况下，试件的破坏形态随着应变率的增加而趋于严重.在同一个应变率范围内，不同EPS掺量的EPS混凝土的破坏形态不同；EPS掺量相同的情况下，试件的破坏形态随着比能量吸收值的增加而趋于严重，即试件破坏越严重，在破坏过程中所吸收的能量也越大.比能量吸收值接近而EPS掺量不同的混凝土，破坏形态不同.
表3 EPS混凝土SHPB试验结果Table3 Summary of SHPB experiment on EPS concrete specimens（EPS）／%Test No.Impact velocity／Average strain rateDynamical compressiveStrain atUltimateSpecific energyφ（m·s－1）ε˙s ／s－1strength fc，d／MPapeakεp×103strainεmax×103absorption a／（J·cm－3）S1－1 4.84 5.88 84.93 7.68 8.55 0.246 S1－2 6.72 19.42 114.47 5.50 9.59 0.385 0 S1－3 7.51 37.35 122.98 7.50 17.21 0.439 S1－4 7.93 41.11 130.66 10.00 18.95 0.557 S2－1 6.19 13.72 85.35 5.70 7.35 0.377 S2－2 6.69 27.31 91.52 6.30 13.19 0.513 10 S2－3 6.88 31.49 94.08 6.10 13.93 0.537 S2－4 7.31 42.34 101.77 7.10 18.29
0.590 S3－1 6.1 27.92 75.63 7.20 13.44 0.535 S3－2 6.87 40.78 77.42
6.70 19.32 0.710 20 S3－3
7.33 46.66 84.59 5.70 21.51 0.794 S3－4
7.56 50.55 91.77 5.80 21.84 0.824 S4－1 4.67 20.02 43.58 6.20 10.64
0.295 S4－2 5.36 29.88 49.98 7.20 13.87 0.574 30 S4－3 6.26 42.35 53.83 5.60 19.79 0.609 S4－4 7.35 57.42 61.27 7.80 25.36 0.735 S5－1 4.46 22.87 36.62 6.40 11.70 0.171 S5－2 5.35 32.02 48.12 6.50 15.26 0.322 40 S5－3 5.72 38.05 51.00 7.40 18.31 0.360 S5－4 6.4 46.37
53.36 6.60 22.36 0.341 S6－1 4.87 34.65 20.14 5.80 18.34 0.142 S6－2 5.33 41.55 21.52 5.50 20.57 0.144 50 S6－3 6.27 53.33 22.49 5.00 25.32 0.172 S6－4 6.76 60.08 25.37 6.90 27.33 0.159
从图4和图6可看出，在相同EPS掺量条件下，EPS混凝土的比能量吸收随平均
应变率近似线性增长，试件的破坏形态随着应变率的增加而趋于严重，表现出了显著的应变率效应.这主要是由于冲击荷载作用下，混凝土内部、骨料周围及整个水
泥浆体中产生了大小不同的微裂纹和微孔洞等损伤.混凝土材料的破坏是由于裂纹
的产生和扩展所致，裂纹产生所需的能量远比裂纹扩展所需的能量高.应变率越高，撞击的速度越大，产生的裂纹数目就越多，因而需要的能量就越多.而EPS混凝土
主要通过其孔腔结构的变形等来消耗能量，因而应变率越高，其变形越大，韧性也就越好.
3.2 EPS颗粒对混凝土的增韧机理
为研究EPS颗粒对混凝土的增韧机理，采用扫描电子显微镜（SEM）观察了EPS
掺量为0%，20%，50%EPS混凝土的微观结构，如图7所示.
从图7可以看出，未掺EPS颗粒的素混凝土（S1）结构比较致密，存在一定孔隙；
EPS掺量为20%的EPS混凝土（S3）中，EPS颗粒一部分均匀分布于水泥砂浆表面，一部分填充了混凝土的孔隙；而EPS掺量为50%的EPS混凝土（S6）难以搅拌均匀，使混凝土中出现大量孔隙，EPS颗粒在混凝土中的分布极不均匀.
从以上结果可以分析得出EPS颗粒对混凝土的增韧机理为：（1）置换效应.即将再生EPS颗粒作为轻骨料来置换部分砂石并掺入混凝土.这是因为EPS颗粒的孔腔结构决定了其具有良好的能量吸收特性.当EPS混凝土受到外界冲击载荷时变形量大而流动应力水平较低，在压缩变形过程中消耗了大量的功，并将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效地吸收了外界的冲击能量，提高了混凝土抗冲击变形性能.（2）空间效应.即EPS颗粒的掺入改变了混凝土骨架结构的受力状态，受力后易产生较大变形，刚度降低，而韧性提高.
当EPS掺量达到40%～50%时，其韧性有所降低，这主要是由于EPS混凝土本身是一种多相复合不均质材料且各向异性.当EPS掺量达到40%～50%以上时，混凝土在制备过程中很难搅拌均匀，离析现象严重，在混凝土中造成大量孔隙，同时界面黏结性变差，使混凝土内部所形成的孔腔结构不均匀性加剧，从而导致其韧性降低.
4 结论
（1）以比能量吸收作为评价指标，发现EPS颗粒的掺入对混凝土具有韧化效果，相同EPS掺量的EPS混凝土其韧性随平均应变率的增加而提高，体现出显著的应变率相关性.
（2）在EPS颗粒掺量为10%～30%时，EPS混凝土的韧性较未掺EPS颗粒的混凝土有不同程度的提高，EPS颗粒掺量为20%时对混凝土韧性的改善效果最佳.当EPS颗粒掺量达到40%～50%时，混凝土的韧性则有所降低.
（3）EPS掺量相同的情况下，试件的破坏形态随着应变率和比能量吸收的增加而
趋于严重.TIF；%95%94颗粒对混凝土韧性的改善机理主要在于EPS颗粒的置换
效应和空间效应.
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