橡胶混凝土动态劈裂拉伸性能试验研究
关键词：动态劈裂拉伸试验、橡胶混凝土、扁平巴西圆盘(FBD)、能量吸收能力。
摘要：本实验对体积分数为10%、20%、30%、40%和50%的橡胶颗粒替代细骨料的橡胶混凝土（分别命名为RC 10、RC 20、RC 30、RC 40和RC 50）进行了静态和动态劈裂拉伸试验。采用扁平的巴西圆盘试样，使用SHPB(分离式霍普金森压杆)测定高应变率下的拉伸性能和能量吸收能力，并使用落锤试验机测定试样的中应变率。利用高速摄像机对SHPB试件的裂纹扩展和落锤冲击试验进行了观察和验证。得到五种橡胶混凝土和一种不含橡胶颗粒的普通混凝土的试验结果，并确定了应变速率对橡胶混凝土和普通混凝土抗拉强度的影响。对于高应变率，RC 10、RC 20和RC 30对应变速率的依赖性敏感，但RC 40和RC 50的速率依赖性低于普通混凝土。RC 30在静态和动态实验中表现出最灵敏和优良的能量吸收能力。过高的橡胶含量并没有使混凝土在动荷载作用下的韧性不断提高。
一、前言
混凝土是一种脆性材料，脆性指数随混凝土强度等级的增加而增大。最近证明，混凝土的韧性指数[1-3]和耐久性[4-6]可以通过与部分再生橡胶粉混合增强。此外，在高应变率荷载作用下混凝土材料的响应与在静态荷载下不同。对普通混凝土的应变速率效应已有许多研究[7-10]。同样，现有的研究结果[11-14]表明在动荷载下具有相同应变率效应与能量吸收能力的橡胶混凝土的抗压强度是优于普通混凝土的。并且混凝土材料的抗拉强度远低于抗压强度，这是混凝土的必备性能。Malver[15，16]总结了应变率与拉伸动态增长因子(DIF)的关系，即不同应变率载荷下的动态抗拉强度与静态抗拉强度之比。
然而，直接测试混凝土的张力是复杂的，因此国际岩石力学学会(ISRM)和美国试验与材料学会(ASTM)建议，巴西圆盘是测试岩石[17]和混凝土[18]静态抗拉强度的一种合适的方法。巴西圆盘劈裂拉伸试验已逐渐应用于易碎材料的动态力学试验中。然而，很难保持实验前圆盘在试验机的加载板和试件的周向表面之间不动，并且当试样受到冲击载荷时，很容易在接触点处产生应力集中。巴西圆盘劈裂拉伸试验的原则是确保裂纹最初产生于圆盘的中心。如果试样从接触点断裂而不是从中心断裂，则试验无效。Awaji和Sato[19]使用了一对圆形的承载带来解决这些问题。这种方法还应用于巴西动态圆盘试验[20，21]。在上述结果中，条带的大小是不一样的，条带和圆盘标本的外部边界之间的匹配也是困难的。 中校。进一步的，Rocco等人[22]验证了试件的劈裂抗拉强度与承载带的尺寸有关。因此，为了测试的有效性和准确性，对条带的尺寸和材料进行标准化是一项复杂的工作。Wang等人[23，24]确定了在岩石圆盘圆形表面抛光两个平行和光滑的平端的改进方案用于实验，称为扁平巴西圆盘(FBD)。FBD试件不仅避免了试验过程中的应力集中，而且更方便制备，对动态劈裂拉伸试验也是准确的。此方法也适用于易碎的混凝土材料。因此，本文应用FBD试件获得橡胶混凝土的动态拉伸性能。为了提高试验精度，采用了一台高精度磨床(山东省MY250)，该磨床具有0.01/300 mm平行度精度和Ra0.1m精细度精度，以保证样品精度要求。
落锤装置和分离式霍普金森压杆(SHPB)被广泛应用于研究各种材料在中、高应变率下的动态特性。为达到橡胶混凝土的动态性能，主要有两种方法将橡胶颗粒混入混凝土中：部分替代细骨料或粗集料。Topcu[25]是第一名用落锤试验表征橡胶混凝土的动态抗压强度和抗冲击性能，发现橡胶片代替粗骨料和细骨料加入橡胶混凝土中，使混合物具有较强的塑性能量吸收能力。Atahan等人[26]模拟了车辆与新泽西混凝土护栏之间的碰撞，结果表明以体积代替的20-40%粗集料的抗冲击性能最好。Khaloo等人[27]研究了以橡胶为细集料的混凝土试件的韧性，发现25%的置换获得最大的韧性。Khalil等人[11]使用落锤装置，获得中应变率下的动态拉伸性能，发现以30%以上的体积取代细集料，反而降低了冲击性能的提高，强度异常虚弱。无论是作为细集料还是粗集料，橡胶颗粒掺入混凝土中，上述结果相差不大，最佳掺量在20-30%左右。产生差异的主要原因是橡胶的用量间隔不同。此外，橡胶颗粒一般由废轮胎制成。它们的粒径通常很小， 接近于沙子的颗粒大小。因此，橡胶颗粒被大多数研究者用来取代细骨料。近年来，SHPB仪器逐渐被应用于橡胶混凝土的动态压缩性能[12，13]实验。
由于混凝土结构的大部分构件都可能因受拉或剪应力而失效，因此对橡胶混凝土抗拉强度应变速率敏感性的研究较少。对不同动态载荷下的拉伸性能进行了研究是非常必要的。在本研究中也采用了橡胶颗粒替代细集料。橡胶混凝土拉伸强度的应变速率敏感性，通过试验得到验证，并与普通混凝土进行了比较研究。介绍了静态和动态实验的基本理论(第二节)。通过试验(第三节)确定了橡胶混凝土的静态劈裂拉伸性能和杨氏模量。橡胶混凝土的动态劈裂拉伸试验是在落锤试验机(第四节)。在phi;100mmSHPB装置(第五节)上进行的动态拉伸性能实验，包括动态拉伸强度和在不同应变率载荷下的能量吸收能力。最后，确定了橡胶的最佳含量及橡胶混凝土的确定动态拉伸性能，以促进废橡胶的使用(第6节)。
二、试件制备及实验原理
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