新型U型混凝土冲击试验方法
章旸，朱涵，曹邦海，孙书云，谭党联
(天津大学建筑工程学院土木工程系.天津300072)
【摘要】冲击强度是建筑材料重要的机械力学性能之一。它用来衡量材料的抗冲击能力或者判断建筑材料的脆性或韧性程度。因目前国内还没有规范、统一的混凝土等建筑材料的冲击试验方法，文中提出一种通过制作U型混凝土试件来检测混凝土抗冲击性能的试验方法，并应用于本课题组的橡胶集料混凝土项目中，发现橡胶集料能改善混凝土材料的抗冲击性能。
【关键词】落锤冲击试验；混凝土；橡胶集料；U型试件。
【中图分类号】TU528.0【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2012)03一0004—02
1课题背景
冲击强度是建筑材料重要机械力学性能之一，用来衡量材料的抗冲击能力或判断建筑材料的脆性或韧性程度，因此冲击强度也称为冲击韧性。目前国内常用测试材料冲击强度的方法有：摆锤式及落锤式冲击试验等…。
摆锤式冲击试验是以摆锤所具有的势能，一次落摆冲击试样。摆锤是以冲击试验机摆轴为中心，在处于预仰角位置时释放摆锤，以一定速度(5～515m／s)冲击试样，而不同的冲击速度所得到结果也并不一样』。落锤法冲击试验是把落锤或钢球由已知高度自由落下对试样进行冲击，测定试样冲击性能的方法。试验中将落锤在一定高度自由落下对下部试件(大多数为平板试件)产生冲击，试件受冲击后会产生开裂破坏。但在实际操作中，由于冲击时间极
短，加上接触变形等因素的影响，冲击强度计算结果不易准确。为了消除落锤冲击过程中不利因素的影响，预先明确试件开裂的位置，提高抗冲击性能试验的准确度，我们提出采用U型试件测量混凝土材料抗冲击性能试验方法。
2试验配合比
本试验除了提出采用U型试件来检测混凝土抗冲击性能的可行性外，还针对混凝土中掺入橡胶集料是否会改变原有材料的冲击特性做了探索性的研究。本试验共分2组，每组3个试件，并同时制作了与U型试件对应的标准立方体试件用来检测每组试件的实际抗压强度。各组别的配合比如表1所示。
表1各组试件配合比及养护龄期信息
为保证拆模成功率，我们对U型混凝土试件在浇筑48h后拆模，将试件置于标准环境(20℃±2℃，相对湿度90％)中养护。
3U型混凝土冲击试验介绍
3.1试验设备
在本试验中，由于市面上已有的落锤式冲击试验机无法满足U型试件底部刚性固定的要求。在试验经费有限的条件下，对天津大学建筑材料实验室中已有的南京土壤仪器厂生产的“HMD一1型数控马歇尔击实仪”进行了改造，自制并增加了落锤、滑轨和钢制底座，改造后的试验设备如图1所示。
自制滑轨
冲击头
混凝土U
型试件
纯钢制
底座
试验机机座
(与地砸牢固连接)
图U型混凝土冲击试验平台
3.2试件设计
试验中的U型试件是由一个半圆形拱和两个矩形长脚组成。半圆形拱的内径83ram，外径133mm，两个长脚各高83mm，如图2所示。试件成型48h后拆除有机玻璃模具的内、外箍，将试件置于温度(20±2)℃，湿度90％环境下养护28d。冲击试验中，冲击载荷在试件中产生的冲击应力除与试件的形状、体积和局部弹塑性变形等有关外，还同与其相连接的物体有关。如与试件相连接的物体是绝对刚体，则冲击能全部为该试件所承受；如与试件相连的物体刚度为某一值，则冲击能为整个体系所承担，试件仅分担冲击能的一部分。因此试件的底座设计也至关重要。本试验采用质量约等于上部U型试件15倍的纯钢制底座，在底座的上表面留有50mm×50mm见方，深50mm的凹孔以固定试件。由于钢制底座的刚度远大于上部的混凝土试件，所以确保了试件处于近似刚性固定的状态而吸收绝大部分的冲击能。
3.3有限元分析
为了在理论上弄清U型试件在受冲击荷载下的应力分布情况，并明确其开裂破坏位置是否与设计本试验时所期望的一致，应用有限元分析软件ANSYS来进行模拟。
因为试件为U型对称结构，所以采用平面对称模型顶端施加静态集中力的方式来模拟U型试件在受到冲击荷载下的应力分布情况。在分析中，对U型试件腿部y向及对称轴平面向施加固支约束，并在U型半圆弧顶端施加一个与Y轴反向的单位集中力，以近似模拟冲锤落下瞬间时的受力状态。加载模型如图3所示。
 

图2U型试件尺寸  图3加载和边界条件  图4U型试件肪向上的应力分布
计算结果如图4所示。从图中可看到压应力最大点和拉应力最大点分别出现在U型混凝土试件顶部圆弧的中央和底部圆弧中央位置，该结果与预先设想的试件开裂位置完全吻合。且由于顶部受压而底部受拉，虽然压应力值(227.1Pa)大于拉应力值(112.3Pa)，但由于混凝土材料抗拉强度远低于抗压强度，所以随着冲击次数的增加，底部圆弧中央首先发生受拉破坏，即第一条裂缝出现的位置。
3.4试验条件和结果
本试验在常温下进行，落锤在滑轨上以5s／次的等速率下落并冲击下端的U型混凝土试件，冲击头放置在U型混凝土试件圆弧顶端中心位置，试验前须预先进行对中操作。落锤质量为0.875ks，冲击高度为40cm。记录试件出现第一条裂纹和试件破坏的冲击次数，并根据式1计算试件破坏时的冲击耗能。最终试验结果如表2中所示。
表2U型混凝土冲击试验结果
W=n×m×g×h(1)
式中，W——为冲击能耗，N·m；
n为破坏时的冲击次数；
h——为每次落锤下落高度；
g——为重力加速度，取9.8m／s；
m——为落锤质量，这里为0.875kg。
4结语
文中提出了采用U型混凝土试件来测量混凝土材料抗冲击性能的试验方法，该方法是将一定质量的落锤从某一定高度多次下落冲击刚性固定在底座上的混凝土试件，记录产生第一条裂缝至完全破坏的冲击次数，以此来评价混凝土材料的抗冲击性能。与传统冲击试验方法相比，本方法的优势在于：①U型试件能更好的反应材料承受冲击荷载的能力；②刚性固定的底座可以减小冲击能量的耗散；③能够预先确定试件开裂的位置，提高可预知性；④可以进一步在U型试件的拱形应变最大处贴应变片从而测量试件随冲击次数的应变值，进行动态测量。
此外，在本试验中我们发现，橡胶粉末的掺入能够较好地改善混凝土材料的抗冲击性能。从表2的试验数据中可以看到橡胶掺量为100kg／m的第二组混凝土试件的开裂冲击次数和破坏次数均大于未掺橡胶的第一组试件，并且通过对比破坏时的裂缝宽度，橡胶集料混凝土试件的裂缝宽度也小于普通混凝土试件。
参考文献
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[收稿日期】2011—11—15
[作者简介]章畅(1987一)，男，福州入，硕士，研究方向：建
筑材料。