Investigation on the Dynamic Mechanical Properties of Thermally Treated Rubberized Self-compacting Concrete Under Repeated Impact
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摘要: 混凝土结构在服役期间经常因承受多次冲击荷载作用而发生破坏，基于此，针对橡胶自密实混凝土（RSCC），采用霍普金森压杆装置（SHPB）开展重复冲击压缩试验，研究在重复冲击作用下RSCC的动态力学特性演化。本试验准备橡胶掺量为10%、20%和30%的RSCC试样各1组，准备1组普通自密实混凝土（NSCC）试样作为对照组，研究橡胶掺量和高温作用对RSCC重复冲击性能的影响机制。结果表明：150 ℃高温作用对NSCC和RSCC重复冲击性能影响小，重复冲击性能与常温试样具有一致性。橡胶的掺入有效改善了NSCC的脆性，减小了冲击荷载在试样内部产生的应力，重复冲击次数随着橡胶掺量的增加呈上升趋势，RSCC重复冲击性能优于NSCC。300 ℃高温作用后，NSCC承载能力增加，但仍表现出脆性破坏特征；而RSCC重复冲击性能显著退化，峰值应力下降，抵抗冲击荷载重复作用次数减少，且橡胶掺量越大，性能衰退越明显。此外，在常温及150 ℃高温作用下，RSCC比NSCC吸收能量能力更强；而300 ℃高温作用后，RSCC能量吸收性能衰退，比NSCC累计单位体积吸收能量低。Abstract: Concrete structures often fail under multiple impacts in their service life. Therefore, the repeated impacts test was conducted by split Hopkinson pressure bar (SHPB) to investigated the dynamic behavior of RSCC under the repeated impacts. RSCC with three different rubber content, respectively 10%, 20%, and 30%, was prepared to investigate the effects of rubber content and high temperature. A group of NSCC was prepared as the control group. The experimental results demonstrate that the thermal treatment of 150 ℃ has a little effect on the repeated impacts behavior. A similar behavior of RSCC to NSCC is noted. The incorporation of rubber modifies the brittleness of NSCC. It decreases the peak stress generated in the specimen. With the increase of rubber content, an increasing trend in the repeated impact number is observed. RSCC shows better resistance to the repeated impacts than NSCC. After the thermal treatment of 300 ℃, the peak stress of NSCC increases, but NSCC still shows a brittle failure mode. However, the peak stress and the total repeated impact number of RSCC decreases. RSCC shows a deteriorating resistance to the repeated impacts with the increase of the temperature and deteriorates a lot with the increase of rubber content. Furthermore, at room temperature and the temperature of 150 ℃, RSCC shows a higher total specific energy absorption (SEA) than NSCC, but NSCC shows a higher total SEA than RSCC at 300 ℃.
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Keywords:
- RSCC /
- thermal treatment /
- repeated impacts /
- energy absorption
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自密实混凝土（SCC）自被提出以来引起了广泛的关注[1-2]。SCC是一种无需振捣，可在自重作用下密实的高性能混凝土材料，其具有良好的流动性和抗离析性，可以很好地填充钢筋间隙与模具角落，在混凝土结构领域被大范围使用[3]。硬化后的SCC具有密实的内部结构、良好的抗压强度，但其变形能力较差，破坏时表现出明显的脆性特征[4]，是限制其工程应用的一个重要因素。
随着汽车工业的快速发展，废弃轮胎的数量与日俱增，造成了严重的环境污染与资源浪费[5-7]。面对废弃轮胎回收利用的重要需求，有学者提出将废弃轮胎橡胶掺入混凝土中，利用橡胶本身良好的弹性改善混凝土的脆性特征[8-10]。研究表明，将废弃轮胎橡胶制成不同形状、大小、级配的骨料掺入混凝土中，可以有效地改善混凝土的脆性，提高其变形能力、抗冲击性能[11]。Topçu[12]以等体积取代的方法，分别使用粒径0～1 mm的橡胶片取代细骨料、粒径1～4 mm的橡胶片取代粗骨料制得橡胶混凝土（RC），发现橡胶的掺入减小了混凝土的弹性能，提高了混凝土的塑性能，改善了混凝土的变形能力。Gupta等[13]通过落锤试验、弯曲试验及回弹试验研究，证明了橡胶纤维的掺入有效地提高了混凝土的抗冲击性能和延性。
橡胶颗粒良好的弹性可以改善SCC的脆性特征；SCC在浇筑过程中无需振捣，有利于橡胶颗粒均匀分布于混凝土中。因此，废弃轮胎橡胶颗粒与SCC的结合引起了众多学者的关注。目前，针对橡胶自密实混凝土（RSCC）工作性能与静态力学性能已有广泛的研究[14-16]；已有研究重点关注RSCC的动态抗压强度和应变率效应[17-18]，忽略了在工程实际中混凝土结构通常需承受多次冲击荷载的作用[19]。此外，橡胶颗粒性能易受温度影响，对高温下RSCC动态特性的研究具有重要意义[20]。基于此，本文采用霍普金森压杆装置（SHPB）对10%、20%及30% 3种不同橡胶掺量的RSCC进行重复冲击试验，并设置1组NSCC试样作为参照组。试验设计室温、150 ℃和300 ℃3种温度工况，以分析不同高温作用对NSCC与RSCC重复冲击性能的影响。
1. 试验设计
1.1 原材料
RSCC原材料主要包括：普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、碎石、天然河砂、橡胶颗粒、水及减水剂。其中硅酸盐水泥强度等级为42.5 MPa；粉煤灰为Ⅰ级灰，密度为2 250 kg/m3；硅灰密度为2 100 kg/m3。采用碎石作为粗骨料，最大粒径为15 mm；采用天然河砂、橡胶颗粒作为细骨料，表观密度为 1 060 kg/m3，橡胶颗粒粒径为1～5 mm，粒径分布如图1所示。
图 1 橡胶颗粒粒径分布Fig. 1 Size distribution curve of rubber aggregate
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1.2 试样制备
试验所用配合比见表1。橡胶颗粒通过等体积取代天然河砂的方式掺入自密实混凝土中，掺量为0、10%、20%及30%分别对应表1中NSCC、RSCC10、RSCC20及RSCC30。橡胶自密实混凝土拌合物坍落度和J环扩展度测试结果见表2。混凝土浇筑于550 mm×550 mm×220 mm的木模具中，并覆盖土工布洒水养护。养护龄期达到28 d后，使用钻孔取芯机钻取直径为74 mm的芯样，并通过切割制得直径74 mm、厚37 mm的重复冲击压缩试样。
表 1 NSCC与RSCC配合比Table 1 Mix properties of NSCC and RSCCkg/m3 试件编号 水泥 粉煤灰 硅灰 水 减水剂 橡胶颗粒 砂 碎石 NSCC 385 139 26 200 7.5 0 1 018.0 800 RSCC10 385 139 26 200 7.5 41.5 916.2 800 RSCC20 385 139 26 200 7.5 83.0 814.4 800 RSCC30 385 139 26 200 7.5 124.5 712.6 800 表 2 NSCC与RSCC自密实性能Table 2 Fresh properties of NSCC and RSCCmm 试件编号 坍落扩展度 J环扩展度 坍落扩展度与J
环扩展度差值NSCC 705 690 15 RSCC10 695 673 22 RSCC20 686 663 23 RSCC30 683 652 31 1.3 高温试验
使用高温节箱立式箱式炉进行高温试验。高温试验前，使用电热鼓风干燥箱对试样进行干燥处理；试样完全干燥后，放入高温炉中，进行高温试验。试验设置150 ℃和300 ℃两种温度，设置1组常温存放试样作为对照组。升温速度为10 ℃/min，当温度升至设定温度后，保持炉内恒温2 h。试验完成后，试样放置于炉内自然冷却，待试样温度冷却至室温后即可进行冲击试验。
1.4 重复冲击试验
使用SHPB进行重复冲击试验，试验装置如图2所示。分别对经高温作用后的NSCC与RSCC进行重复冲击试验，设计冲击速度为5.00 m/s，研究在重复冲击荷载作用下高温对橡胶自密实混凝土的动态力学特性。针对高温作用后的RSCC10和RSCC30试样进行不同冲击速度的重复冲击试验。重复冲击试验通过调节撞击杆位于炮管中的相对位置，实现冲击速度的调节。试验过程中，需严格控制撞击杆相对于炮管口的距离，以获得稳定的冲击速度。基于预试验结果，试验设计了3.50、5.00及6.50 m/s 3种冲击速度。
图 2 SHPB装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of SHPB下载:
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2. 试验结果
高温处理后不同橡胶掺量的RSCC试样如图3所示。NSCC与RSCC试样经高温试验后发生的变化主要体现如下：
图 3 高温处理后试样Fig. 3 Thermal treated specimens下载:
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1）不同高温处理后，NSCC和RSCC试样表面颜色发生了变化。未经高温作用试样表面呈现灰色；经150 ℃高温作用后，试样颜色变浅，呈浅灰色；经300 ℃高温作用后，试样整体颜色发黄，RSCC试样局部出现焦色。
2）对于未掺入橡胶的NSCC试样，经150 ℃和300 ℃高温处理后，试样表面未发现混凝土开裂或剥落现象。
3）在150 ℃高温作用下，RSCC试样表面未见混凝土开裂或剥落；分布于试件表面的废弃轮胎橡胶颗粒边缘颜色加深，这是由于在150 ℃高温作用下，橡胶颗粒开始软化，有向黏液化转变趋势，经冷却后，颜色加深。
4）300 ℃高温作用后，RSCC试样表面有明显的开裂现象。RSCC10、RSCC20和RSCC30的开裂现象如图4所示。由图4可以看出：橡胶掺量显著影响试样在300 ℃高温作用后的开裂行为。随着橡胶掺量的增加，试样表面开裂情况越发严重，主要表现在两个方面：裂缝长度随掺量增加逐渐增长；裂缝数量随掺量增加逐渐增多。此外，混凝土开裂现象主要出现在巴西圆盘试样的外圈。
图 4 300 ℃高温作用后RSCC开裂现象Fig. 4 Cracking behavior of 300 ℃ treated RSCC下载:
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5）在300 ℃高温作用后的RSCC试样表面可以观察到橡胶颗粒开始分解，部分橡胶丧失了良好的弹性。此时，主要是废弃轮胎橡胶颗粒中的天然橡胶成分分解[21]。此外，在橡胶颗粒表面可见粉状黑色颗粒，这是掺入废弃橡胶轮胎中的炭黑。与天然橡胶相比，炭黑具有良好的耐高温性能，不会在300 ℃温度作用下分解，从而从废弃轮胎橡胶颗粒中析出。
3. 重复冲击试验结果
经统计，在重复冲击试验中，实际子弹冲击速度平均值分别为3.58、4.99和6.30 m/s，基本符合设计的冲击速度。图5统计了NSCC与RSCC试样抵抗重复冲击荷载作用的次数。
图 5 重复冲击次数随温度的变化Fig. 5 Variation of impact number with temperature下载:
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由图5可见：在室温和150 ℃高温下，RSCC抵抗重复冲击作用次数大于NSCC，且随着橡胶掺量的增加，抵抗重复冲击作用次数呈上升趋势，150 ℃高温对NSCC与RSCC重复冲击性能影响较小；在300 ℃高温下，NSCC抵抗重复冲击作用次数大于RSCC，RSCC重复冲击性能劣化，且随着橡胶掺量的增加，劣化程度加剧；随着冲击速度的增加，试样承受的冲击力变大，内部产生更多损伤，引起损伤快速累积，重复冲击荷载作用次数减少。
4. 应力–应变特性
4.1 橡胶掺量的影响
经不同高温作用后，在4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC的应力–应变曲线如图6所示。由图6可看出，应力–应变曲线随着温度、冲击次数的变化而变化。
图 6 4.99 m/s冲击速度下不同高温作用后NSCC和RSCC试样应力–应变曲线Fig. 6 Stress–strain curves of thermally treated NSCC and RSCC under impact with velocity of 4.99 m/s下载:
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由图6可见，在相同温度下，第1次冲击作用在RSCC上产生的峰值应力小于NSCC的峰值应力，且随着橡胶掺量的增加，峰值应力呈下降趋势。已有研究[6]表明，橡胶与被替代材料的材性差异、橡胶颗粒与砂浆黏结强度低等因素会引起橡胶混凝土动、静态抗压强度的下降。在重复冲击试验中，子弹以相同的冲击速度撞击入射杆，每次产生的冲击力可近似认为相等，因此橡胶的掺入引起的试样峰值应力下降不能直接归因于承载能力的下降。试样的应力和应变是通过“两波法”计算而得：
$$ \sigma \left( {{t}} \right) = \frac{{EA}}{{{A_{{\rm{s}}} }}}{\varepsilon _{\rm{t}}}\left( t \right) $$ (1) $$ \varepsilon \left( {{t}} \right) = {{ - }}\frac{{{{2}}{{{C}}_0}}}{{{L_{\rm{s}}}}}\int {{\varepsilon _{\rm{r}}}\left( t \right){\rm{d}}t} $$ (2) 式中，
$ E $ 为杆件的弹性模量，$ A $ 为杆截面面积，$ {A_{\rm{s}}} $ 为试件截面面积，$ {\varepsilon _{\rm{t}}}(t) $ 为透射波，$ {{{C}}_0} $ 为杆中的弹性波波速，$ {L_{\rm{s}}} $ 为试件长度，$ {\varepsilon _{\rm{r}}}(t) $ 为反射波。式（1）表明应力大小与透射波幅值为正相关。根据王礼立[22]的研究：$$ {\sigma _{\rm{r}}} = \frac{{1 - {{n}}}}{{1 + n}}{\sigma _{\rm{i}}} $$ (3) $$ {\sigma _{\rm{t}}} = \frac{2}{{1 + n}}{\sigma _{\rm{i}}} $$ (4) $$ n = \frac{{{\rho _{\rm{e}}}{C_{\rm{e}}}}}{{{\rho _{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}}}}n > 1 $$ (5) 式中，
$ {\sigma _{\rm{i}}} $ 、$ {\sigma _{\rm{r}}} $ 和$ {\sigma _{\rm{t}}} $ 分别为入射应力波、反射应力波和透射应力波，$\; {\rho _{\rm{e}}} $ 、$\; {\rho _{\rm{s}}} $ 分别为入射杆密度、试样密度，$ {C_{\rm{e}}} $ 、$ {C_{\rm{s}}} $ 分别为应力波在入射杆和试样中的波速，$ \;{\rho _{\rm{e}}}{C_{\rm{e}}} $ 、$\; {\rho _{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}} $ 分别为入射杆、试样的波阻抗。由此可见，反射波、透射波的幅值与入射杆、试样的波阻抗比值$ n $ 相关。Turatsinze等[23]测试发现，随着橡胶掺量的增加，RSCC密度减小。彭亮[24]采用冲击回波法测试了应力波在橡胶混凝土中的传播速度。结果表明，随着橡胶掺量的增加，应力波传播速度变小。由此可见，橡胶掺量的增加会引起RSCC波阻抗的减小。在
$ n > 1 $ 的情况下，随着橡胶掺量增加，波阻抗减小，透射波幅值减小，试样峰值应力减小。因此，橡胶的掺入可以有效降低冲击荷载在试样内部产生的应力水平。重复冲击试验中NSCC与RSCC的应力–应变特性见表3。由表3可知，随着冲击次数的增加，NSCC和RSCC峰值应力下降，峰值应变、最大应变变大。这是因为冲击荷载在试样内部产生微裂纹等损伤，引起试样密度下降，试样波阻抗减小，峰值应力也随之减小，变形增大。与NSCC相比，RSCC峰值应力下降幅度较小，变形较大。由此可见，橡胶的掺入可以减缓试样峰值应力的下降速度，提高试样抵抗变形的能力，有效的改善NSCC的脆性特征。
表 3 应力–应变曲线特征参数Table 3 Characteristic indicators of stress–strain curves试样 冲击次数 峰值应力/MPa 峰值应变 最大应变 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ NSCC 1 46.86 44.01 50.92 0.006 3 0.009 4 0.004 0 0.012 6 0.010 3 0.006 8 2 — 22.13 29.09 — 0.016 2 0.006 8 — 0.020 3 0.015 5 RSCC10 1 39.28 41.99 29.72 0.004 8 0.004 9 0.008 5 0.012 5 0.014 2 0.014 2 2 26.44 33.92 20.89 0.004 0 0.007 0 0.008 7 0.017 8 0.016 0 0.019 2 RSCC20 1 42.62 38.12 32.60 0.005 5 0.006 2 0.008 5 0.010 6 0.018 0 0.018 4 2 32.37 33.28 19.33 0.007 7 0.008 0 0.012 2 0.021 5 0.020 7 0.020 7 3 23.55 15.73 — 0.009 0 0.013 5 — 0.025 9 0.022 8 — RSCC30 1 34.53 36.02 25.82 0.011 0 0.008 3 0.010 6 0.016 6 0.020 3 0.022 1 2 22.37 25.34 — 0.009 9 0.009 5 — 0.020 1 0.022 3 — 3 6.86 12.29 — 0.009 6 0.012 9 — 0.024 2 0.026 3 — 4.2 温度的影响
在150 ℃高温作用下，NSCC与RSCC试样内部发生的变化主要是水分的脱离，内部结构变化很小，因此，应力应变特性与常温试样相似。经300 ℃高温作用后，第1次冲击荷载在NSCC中产生的峰值应力变大，而RSCC峰值应力变小。这是因为在高温作用的过程中，水分的大量蒸发在NSCC内部形成了高蒸压环境，促进了未水化水泥颗粒的水化，NSCC变得更加密实，波阻抗变大；而橡胶颗粒中的天然橡胶成分在此过程中分解，橡胶弹性变差且强度变小，RSCC密度降低，波阻抗减小，峰值应力随之下降。
4.3 冲击速度的影响
在不同冲击速度下RSCC10与RSCC30试样的应力应变曲线如图7所示。由图7可见：在第1次冲击中，RSCC10与RSCC30的峰值应力随着冲击速度的增加而变大，在3.58 m/s的冲击速度下，高温度300 ℃下试样RSCC10和RSCC30易在第1次冲击作用中完全失效。由此可见，300 ℃高温作用显著引起了RCCC试样重复冲击性能的劣化。
图 7 不同冲击速度作用下RSCC10与RSCC30试样应力–应变曲线Fig. 7 Stress–strain curves of RSCC10 and RSCC30 under different impact velocities下载:
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5. 破坏形态
在4.99 m/s冲击速度下，NSCC与RSCC试样的破坏形态如图8所示。
图 8 4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC试样破坏形态Fig. 8 Failure mode of NSCC and RSCC under impact velocity of 4.99 m/s下载:
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由图8可见：NSCC（25 ℃）因形成的几条贯穿主裂缝破碎成较大的碎块，碎块表面没有细小裂纹形成，表现出明显的脆性破坏特征。RSCC（25 ℃）试样则多破碎成小碎块与小颗粒，破碎程度随着橡胶掺量的增加而加剧；在一些大碎块表面可见裂纹分布，裂纹密集程度随橡胶掺量的增加而加剧，且碎块的残余强度仅剩机械咬合力，具有延性破坏特征。150 ℃高温作用后的NSCC与RSCC破坏形态与常温试样具有相似性，而300 ℃高温作用后的试样则表现出明显的差异性。在300 ℃时NSCC破碎程度高于25 ℃时NSCC的破碎程度，多破碎成为小碎块，少有小颗粒出现，碎块表面无裂纹分布。300 ℃时RSCC破碎程度同样高于25 ℃时的RSCC的破碎程度；在300 ℃高温作用下，橡胶颗粒的力学性能劣化，橡胶颗粒所占据的空间成为混凝土内部的缺陷，在冲击荷载作用下，这些缺陷开裂贯通形成破碎面，因此300 ℃时RSCC在冲击荷载作用下更易破碎。此外，由于橡胶颗粒与砂浆之间的黏结强度低，且橡胶颗粒具有良好的弹性，不易破裂，25 ℃时RSCC与150 ℃时的RSCC试样裂缝多沿橡胶颗粒与砂浆的界面过渡区发展；当橡胶物理力学性能随温度的升高而逐渐劣化时，橡胶颗粒失去了良好的弹性特征，300 ℃时RSCC裂缝易从橡胶颗粒内部穿过。
6. 能量特征
试样的变形、开裂、破碎等行为都伴随着能量的传递转换，分析试验中能量变化规律可以揭示试样内部结构的变化。在SHPB试验中，主要的能量特征参数包括入射能
$ {{{W}}_{\rm{i}}} $ 、反射能$ {{{W}}_{\rm{r}}} $ 及透射能$ {{{W}}_{\rm{t}}} $ ，计算如下：$$ {{{W}}_{\rm{i}}} = AE{C_0}\int {\varepsilon _{\rm{i}}^2} \left( t \right){\rm{d}}t $$ (6) $$ {{{W}}_{\rm{r}}} = AE{C_0}\int {\varepsilon _{\rm{r}}^2} \left( t \right){\rm{d}}t $$ (7) $$ {{{W}}_{\rm{t}}} = AE{C_0}\int {\varepsilon _{\rm{t}}^2} \left( t \right){\rm{d}}t $$ (8) 忽略冲击过程中产生的微小能量耗散，根据能量守恒定律，试样吸收的能量
${{{W}}_{\rm{s}}}$ 为：$$ {{{W}}_{\rm{s}}} = {{{W}}_{\rm{i}}}{{ - }}{{{W}}_{\rm{r}}}{{ - }}{{{W}}_{\rm{t}}} $$ (9) 为排除试样体积因素对材料吸收能量特性的影响，使用单位体积吸收能量（specific energy absorption，SEA）作为评价材料能量吸收特性的指标，吸收能量
$E_{\rm{SEA}} $ ：$$ E_{\rm{SEA}} = \frac{{{W_{\rm{s}}}}}{{{{{A}}_{\rm{s}}}{L_{\rm{s}}}}} $$ (10) 入射能与冲击速度为正相关，其值反映了作用于试样的冲击力。不同冲击速度下入射能如图9所示。
图 9 入射能与冲击速度的关系Fig. 9 Relationship between the incident energy and the impact velocity下载:
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由图9可见，入射能随冲击速度增加而线性增长，3.58、4.99和6.30 m/s 3种冲击速度对应的平均入射能分别为63.39、128.19和225.08 J。反射能反映试样内部的损伤情况，其值越大表明试样内部损伤越严重；透射能反映试样的致密性以及均质性[25]。重复冲击试验中150 ℃时RSCC30试样入射能、反射能、透射能及吸收能的演化曲线如图10所示。由图10可见：在前3次冲击中，反射能与入射能变化趋势具有一致性；试样吸能能力先增大后减小，这是因为，较小的冲击速度首先对试样内部结构产生了密实作用；随着损伤的加剧，裂纹萌生和发展耗散能量增加，试样吸能能力下降，并最终失效。
图 10 入射能、反射能、透射能及吸收能演化曲线Fig. 10 Variation of the incident energy, reflected energy, transmitted energy, and absorbed energy下载:
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3.58 m/s冲击速度下150 ℃ RSCC30试样破坏过程如图11所示。
图 11 3.58 m/s冲击速度下150 ℃ RSCC30试样破坏过程Fig. 11 Failure process of RSCC30 under impact velocity of 3.58 m/s at 150 ℃下载:
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由图11（a）、（d）、（c）可见：早期冲击荷载下，试样产生少量裂纹，随着橡胶的掺入，在较小的冲击速度下，早期重复冲击荷载在试样内部产生轻微损伤。由图11（c）、（d）、（e）可见：随着试样损伤的累积，试样抗冲击性能不断劣化，反射能不断变大，在这个阶段试样内部裂纹快速发展聚集并形成宏观裂缝，损伤快速累积直至破坏；随着重复试样内部产生的微裂纹数量增加以及微裂纹不断发展汇聚，试样致密性变差，透射能随着冲击次数的增加而不断减小。
能量吸收特性是评价混凝土材料动态力学特性的一个重要指标[26]。不同温度作用后，在4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC累计SEA增长如图12所示。由图12可见，随着重复冲击次数的增加，试样SEA有减小趋势。由此可见：在4.99 m/s的冲击速度下，冲击荷载在试样内产生的损伤效应大于密实效应；对于未经高温处理的试样与150 ℃高温作用的试样，RSCC累计SEA均大于NSCC，RSCC表现出良好的吸能能力； 300 ℃高温作用的试样，NSCC吸能特性有所改善，累计SEA大于RSCC，RSCC吸能特性显著退化，且橡胶掺量越大，退化越显著。
图 12 不同高温作用后4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC单位体积累计吸收能量增长曲线Fig. 12 Accumulative SEA of thermally treated NSCC and RSCC with impact number under impact velocity of 4.99 m/s下载:
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7. 结 论
采用SHPB对NSCC、3种不同掺量的RSCC进行重复冲击试样，得到结论如下：
1）150 ℃高温作用下，NSCC与RSCC试样重复冲击性能与室温存放试样重复冲击性能具有一致性。橡胶的掺入降低了冲击荷载在试样内部产生的峰值应力，延缓了其破坏过程，有效地改善了NSCC的脆性特征与变形能力。
2）300 ℃高温作用对NSCC重复冲击性能具有改善作用，主要表现为NSCC内部结构更加密实，承载能力上升，但仍具有脆性破坏特征；在300 ℃高温下，橡胶颗粒开始分解，RSCC承载能力下降，冲击荷载作用次数减少，重复冲击性能显著退化。
3）在重复冲击试验中，入射能与冲击速度呈线性相关，反射能随着损伤的加剧而逐渐增大，透射能随着试样微裂纹数量增加而不断减小。在较小的冲击速度作用下，冲击荷载具有一定的密实效应，RSCC试样吸收能量能力先增大后减小。
4）对于常温存放与150 ℃高温作用后的试样，RSCC累计SEA高于NSCC的累计SEA，其中RSCC20性能最优；300 ℃高温作用后，RSCC累计SEA随着橡胶掺量的增加而减小，且均小于NSCC的累计SEA，其重复冲击性能在300 ℃高温作用下显著退化。
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图 1 橡胶颗粒粒径分布
Fig. 1 Size distribution curve of rubber aggregate
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图 2 SHPB装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of SHPB
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图 3 高温处理后试样
Fig. 3 Thermal treated specimens
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图 4 300 ℃高温作用后RSCC开裂现象
Fig. 4 Cracking behavior of 300 ℃ treated RSCC
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图 5 重复冲击次数随温度的变化
Fig. 5 Variation of impact number with temperature
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图 6 4.99 m/s冲击速度下不同高温作用后NSCC和RSCC试样应力–应变曲线
Fig. 6 Stress–strain curves of thermally treated NSCC and RSCC under impact with velocity of 4.99 m/s
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图 7 不同冲击速度作用下RSCC10与RSCC30试样应力–应变曲线
Fig. 7 Stress–strain curves of RSCC10 and RSCC30 under different impact velocities
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图 8 4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC试样破坏形态
Fig. 8 Failure mode of NSCC and RSCC under impact velocity of 4.99 m/s
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图 9 入射能与冲击速度的关系
Fig. 9 Relationship between the incident energy and the impact velocity
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图 10 入射能、反射能、透射能及吸收能演化曲线
Fig. 10 Variation of the incident energy, reflected energy, transmitted energy, and absorbed energy
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图 11 3.58 m/s冲击速度下150 ℃ RSCC30试样破坏过程
Fig. 11 Failure process of RSCC30 under impact velocity of 3.58 m/s at 150 ℃
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图 12 不同高温作用后4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC单位体积累计吸收能量增长曲线
Fig. 12 Accumulative SEA of thermally treated NSCC and RSCC with impact number under impact velocity of 4.99 m/s
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表 1 NSCC与RSCC配合比
Table 1 Mix properties of NSCC and RSCC
kg/m3 试件编号 水泥 粉煤灰 硅灰 水 减水剂 橡胶颗粒 砂 碎石 NSCC 385 139 26 200 7.5 0 1 018.0 800 RSCC10 385 139 26 200 7.5 41.5 916.2 800 RSCC20 385 139 26 200 7.5 83.0 814.4 800 RSCC30 385 139 26 200 7.5 124.5 712.6 800 表 2 NSCC与RSCC自密实性能
Table 2 Fresh properties of NSCC and RSCC
mm 试件编号 坍落扩展度 J环扩展度 坍落扩展度与J
环扩展度差值NSCC 705 690 15 RSCC10 695 673 22 RSCC20 686 663 23 RSCC30 683 652 31 表 3 应力–应变曲线特征参数
Table 3 Characteristic indicators of stress–strain curves
试样 冲击次数 峰值应力/MPa 峰值应变 最大应变 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ 25 ℃ 150 ℃ 300 ℃ NSCC 1 46.86 44.01 50.92 0.006 3 0.009 4 0.004 0 0.012 6 0.010 3 0.006 8 2 — 22.13 29.09 — 0.016 2 0.006 8 — 0.020 3 0.015 5 RSCC10 1 39.28 41.99 29.72 0.004 8 0.004 9 0.008 5 0.012 5 0.014 2 0.014 2 2 26.44 33.92 20.89 0.004 0 0.007 0 0.008 7 0.017 8 0.016 0 0.019 2 RSCC20 1 42.62 38.12 32.60 0.005 5 0.006 2 0.008 5 0.010 6 0.018 0 0.018 4 2 32.37 33.28 19.33 0.007 7 0.008 0 0.012 2 0.021 5 0.020 7 0.020 7 3 23.55 15.73 — 0.009 0 0.013 5 — 0.025 9 0.022 8 — RSCC30 1 34.53 36.02 25.82 0.011 0 0.008 3 0.010 6 0.016 6 0.020 3 0.022 1 2 22.37 25.34 — 0.009 9 0.009 5 — 0.020 1 0.022 3 — 3 6.86 12.29 — 0.009 6 0.012 9 — 0.024 2 0.026 3 — -
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