高抗冲击绿色水泥混凝土设计方案研究

汪浩 张景怡

摘要：以提升水泥混凝土抗冲击性能为目的，通过改善组分作用机理分析，选择固体废弃物（沥青路面再生骨料）制备“绿色”水泥混凝土。基于水泥混凝土基础配合比，采用40%、60%、80%和100%掺量沥青路面再生骨料等质量代替碎石进行配合比设计，提出高抗冲击的“绿色”水泥混凝土的试验设计方案。

关键字：水泥混凝土;再生骨料;抗冲击性能;试验设计

0 引言

水泥混凝土材料目前广泛应用于城市建筑、道路、桥梁等，具有强度高、刚性大的特点。对使用期水泥混凝土构件荷载作用分析发现，在其服役期内不仅受到静力荷载作用，还会受到频繁或偶发的冲击动载作用。根据水泥混凝土应用的场景不同，包括交通车辆行驶、飞机起飞及降落、海浪冲击等各种冲击动荷载，这些冲击荷载由于其偶发性，在设计过程中应给予考虑。传统水泥基混凝土材料由碎石、砂、水泥、水按一定配比组成，其结构内存在少量微觀缺陷，在冲击荷载作用下，混凝土的原始缺陷和有限的变形能力导致微裂缝的快速扩展贯通，从而导致混凝土结构迅速破坏，造成严重后果[1～2]。因此，在传统水泥基材料中掺配非传统组分来改善水泥混凝土服役期间的结构抗冲击性能值得深入研究，研究通过对冲击性能试验、冲击性能改善组分选择，进行抗冲击性能绿色水泥混凝土设计方案研究。

1 冲击性能试验方法选择

冲击性能是指水泥混凝土在承受冲击荷载作用下，材料内部吸收动能的能力。冲击性能作为评价水泥混凝土动态力学性能的重要指标之一，其冲击性能试验方法、评价指标选择是非常必要的。目前常采用的冲击性能试验方法包括：分离式霍普金森压杆法、落锤冲击试验、射弹冲击试验、夏比摆锤冲击试验、爆炸冲击试验等。

1.1 分离式霍普金森压杆法

分离式霍普金森压杆法（The Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）是由早期霍普金森压杆技术发展而来的，该方法利用压杆技术测量材料动态性能，在高应变率下测试其性能，并建立应力与应变之间的关系。SHPB试验以一维弹性应力波理论作为理论基础，以一维应力波假设和均匀性假设两个基本假设为前提，根据不同试验目的，将试验方法进行改装以满足需求。

1.2 夏比摆锤冲击法

这种测试抗冲击性能的试验方法来自于对金属材料的测试，通过能量守恒，使摆锤在不同高度上下落，测试其冲击性能。仪器组成包括机架、摆锤、操纵机构和电控系统等组成，由于这种测试方法容易受到谐波和尺寸影响，导致测试结果差异性较大，采用这种测试方法的研究较少。

1.3 射弹冲击法

此种测试方法适用于板式混凝土的抗冲击性能测试，属于高速率冲击试验方法。试验中，并以氮气、氦气和氢气等高压气体做驱动弹射子弹，使其以高速率冲击混凝土板，通过子弹碰撞板体时产生的应力，采集应力波形成的波形信息判断动态性能。这种试验方法装置简单，应用灵活，但在高速率冲击下，试件破坏时产生崩碎和散溅，存在风险和危险性。

1.4落锤冲击法

大多关于混凝土抗冲击性能的研究利用落锤冲击试验方法，通过记录初裂冲击寿命和破坏冲击寿命值的大小评价抗冲击性能，落锤冲击法设备简单、容易操作，成本相对较低，得到广泛的使用。研究也将基于落锤冲击试验的基本原理，对混凝土动态抗冲击性能试验方案进行设计。

2 改善组分选择

在水泥基组分中引入各种非传统组分来改善混凝土的抗冲击性能。目前，引入的组分大体可分为吸能颗粒和纤维材料两大类。

2.1 吸能颗粒

影响抗冲击性能的主要因素是材料的吸能及耗能能力，由于混凝土材料本身的吸能能力十分有限，通常采用掺入一定比例的吸能颗粒组分的方法来提高其吸能能力，进而优化其抗冲击性能。常用的吸能颗粒材料有橡胶颗粒、发泡聚苯乙烯（EPS）、空心铝球等。

橡胶颗粒是最常见的颗粒吸能材料，研究表明掺入一定量的橡胶颗粒能明显提高混凝土的抗冲击能力[3～4]。通过钢球冲击试件前后的势能变化作为能量吸收值来衡量混凝土的抗冲击性能，结果表明橡胶颗粒的掺入能够增加混凝土的弹性，进而提高混凝土在冲击荷载作用下的吸能能力。

除橡胶颗粒外，采用聚苯乙烯泡沫（EPS）颗粒也可以改善混凝土的抗冲击性能，由于EPS颗粒在混凝土中的置换效应和空间效应，EPS能显著提高混凝土的冲击韧性，当掺入适量EPS颗粒后，混凝土能够获得最佳的抗冲击韧性。同时，对比柔性的EPS颗粒和硬质空心铝球对混凝土抗冲击性能的作用效果，并且EPS效果更佳，表明柔性颗粒对改善混凝土抗冲击性能的效果更显著。

但是，由于吸能颗粒与混凝土其他组分相比具有较低的弹性模量，将其代替混凝土传统组分后，会导致混凝土强度的下降。因此，为保证必要的混凝土结构强度，吸能颗粒在在混凝土中掺配比例需试验得到，且有最大掺量限制。通过引入吸能颗粒组分来改善水泥混凝土抗冲击性能时，一定要综合考虑其对混凝土结构强度降低带来的不利影响。

2.2 纤维材料

由于吸能颗粒在改善混凝土抗冲击性能的同时会引起其强度的一定损失，为使在优化混凝土抗冲击性能的同时不显著降低其力学强度，纤维类材料可作为理想的改善组分材料，常用于混凝土中的纤维类增强材料包括聚丙烯纤维（PPF），聚乙烯醇纤维（PVAF），玄武岩纤维（BF）、钢纤维（SF）等。

纤维材料掺入混凝土后能够有效提高混凝土的抗冲击性能，并能够保证其力学强度。其对混凝土抗冲击性能的影响与材料本身的物理力学性能、纤维形状、掺量、分散效果及与水泥石间粘结强度相关。

纤维材料能够改善混凝土抗冲击性能根本原因在于纤维对冲击荷载作用下裂缝的扩展有抑制的作用。当受到冲击荷载后，在纤维和水泥基体间出现微裂缝扩展，根据纤维间距理论，均匀分布的纤维能够连接裂缝上下尖端，并将尖端应力扩散传递到周围的水泥基体中。这种桥接作用能够使裂缝尖端的应力场重新分布，从而弱化应力集中现象的作用，延缓裂缝的进一步扩展[5]。另外，当裂缝纤维和水泥基体粘结低于裂缝尖端应力时，纤维会被拉断或拔出，这一过程中，也会消耗大部分的冲击能力。随着应变进一步增大试件迅速变形，会同时出现多处微裂缝发展，因此更多的纤维随着冲击加载过程被拔出和拉断，而消耗更多的能量。这也使得相同冲击能量下，纤维混凝土的损伤程度会显著低于未添加纤维的传统混凝土。为充分发挥不同纤维材料的优势，也可采用在混凝土中掺加两种或多种混杂纤维，通过将物理力学性能或纤维形状差异较大的不同纤维共同作用，发挥各自特点，弥补相互的不足，协同作用来进一步提高其抗冲击性能。

需要注意的是，纤维材料掺入混凝土基体中的分散程度是保证其能够发挥作用的前提条件，因此需要保证纤维材料在基体中能够均匀随机分布。但试验研究发现如果纤维掺量过大，超过其最佳掺量后，纤维在基体中容易出现聚团的现象，导致抗冲击效果的弱化，对于低流动性的混凝土尤为明显，因此需要控制掺量和保证拌合中的均匀分散[6]。同时，纤维改善混凝土抗冲击性能效果受纤维与水泥基体间粘结力的影响很大，如果粘结力过差，在冲击荷载作用下纤维会很容易被拔出，从而失去持荷和吸能能力，影响其对混凝土抗冲击性能的提高效果。

2.3 沥青路面再生骨料

沥青路面材料作为我国道路路面面层的主要铺筑材料，广泛用于城市道路和公路建设。随着道路使用年限的增长，沥青路面结构为提高其服务性能需要进行养护维修，路面面层铣刨后会产生大量的沥青固体废弃物，如果能够充分利用这些固体废弃物，不仅可以节约大量材料资源和成本投入，同时有效避免环境的污染，实现循环发展模式和可持续发展。

不同粒径的沥青再生骨料中含有不同沥青含量，如表1所示。

利用沥青路面再生骨料作为改组成分，可以利用柔性沥青组分吸收冲击荷载能量，减少冲击对混凝土结构的影响，减缓裂缝扩展并连通。同时，利用沥青路面再生骨料制备“绿色”水泥混凝土，从社会和环境效益方面，符合建设生态文明社会的号召，同时将道路工程中的固体废弃物进行综合利用，具有一定的经济效益[7]。

研究基于沥青路面再生骨料的组成特点，将沥青路面再生骨料旧料掺入水泥混凝土中，旨在于提升自密实混凝土抗冲击性能。

3 设计方法

在改善水泥混凝土抗冲击性能的基础上，综合考虑沥青路面再生骨料对水泥混凝土的工作性能、力学性能、和经济环保性能，采用等掺量代替理论，制定高抗冲击“绿色”水泥混凝土的设计方法。

3.1 原材料

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650 2020）对混凝土原材料规定进行选择。

水泥：水选用收缩性小耐磨性强、抗冻性好、含碱量低的强度等级为P.O 42.5R普通硅酸水泥。

粗集料：采用质地坚硬、洁净干燥、级配合理且吸水性小的碎石，碎石粒径小于16mm;

细集料：采用级配良好、质地坚硬、洁净干燥的普通河砂，中砂;

沥青路面再生骨料：粒径为5-10mm连续级配的再生骨料;

减水剂：聚羧酸型高效减水剂;

水：可饮用水。

3.2 配合比设计及试验方法

综合考虑《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）和《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）进行混凝土基准配合比设计，配合比计算采用质量比，通过计算和适配确定。保持其他组分不变，用沥青路面再生骨料按40%、60%、80%和100%等质量代替碎石，各组配合比如表2所示。

采用不同再生骨料掺量代替碎石得到的配合比进行拌合、试件制作和养护，并进行相关性能试验，试验方案设计如图1所示。以不同掺配比的再生骨料水泥混凝土试件进行落锤冲击试验，以得到的应力应变曲线特征指标参数评价冲击性能。在此基础上，综合考虑再生骨料对水泥混凝土的工作性能、力学性能和经济环保性能，评价再生骨料绿色水泥混凝土的工程价值。

4 结论

针对水泥混凝土在冲击荷载的作用下，结构易产生冲击破坏的特点，采用沥青路面再生骨料替代传统水泥混凝土中粗骨料制备“绿色”水泥混凝土，利用再生骨料表面所包裹柔性沥青的吸能作用抵抗冲击荷载，旨在于提升自密实混凝土抗冲击能力。

（1）常用的可以提高混凝土抗冲击性能代替组分，包括吸能颗粒类和纤维类，分析其作用机理和组分引入对抗冲击性能的的改善效果，并选择沥青路面再生骨料作为改善组分以提高混凝土抗冲击性能。

（2）在基准配合比基础上，采用粒径5～10mm连续级配的再生骨料按40%、60%、80%和100%等质量代替碎石进行配合比设计，制定掺配再生骨料绿色水泥混凝土试验方案设计。

参考文献：

[1]李建强，吴永进，张建刚. 水泥混凝土路面抗冲击性试验研究[J]. 中外公路，2007，27（1）：65-69.

[2]朱学超. 水泥混凝土抗冲击性能测定方法研究[D]. 天津：天津大学，2015.

[3]卢建华. 橡胶粉改牲水泥混凝土抗冲击韧性试验研究[J]. 交通标准化，2012（4）：89-91.

[4]郑继清. 橡胶粉与纤维复掺混凝土强度和抗冲击性的研究[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2014.

[5]李丹， 陶俊林， 贾彬. 玄武岩纤维混凝土抗冲击性能的试验研究[J]. 新型建筑材料， 2012（12）：5.

[6]郝美丽. 纤维混凝土抗冲击性能研究[J]. 四川建材，2020，46（3）：32，50.

[7]贾艳东， 韩硕， 甄艳，等. 再生骨料沥青混合料性能研究[J]. 工程与建设， 2015（6）：3.

基金项目：沈阳城市建设学院大学生创新创业训练计划资助项目

作者简介：汪浩（2000-），男，汉族，籍贯：安徽省合肥市，学历：本科生

通讯作者：张景怡（1988-），女，滿族，籍贯：辽宁省绥中县，研究生，工程师，工作单位：沈阳城市建设学院， 研究方向：道路工程

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