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摘要：

膨脹聚苯乙烯（EPS）混凝土因其環(huán)保性、吸能能力和低阻抗特性，在吸波減震領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。本研究設(shè)計并制備了四種密度等級的EPS混凝土材料，通過準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗和分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊試驗，獲取了EPS混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、破壞模式、能量吸收及應(yīng)變率效應(yīng)，并分析了密度對各項性能指標(biāo)的影響。結(jié)合朱-王-唐（ZWT）本構(gòu)模型與改進的彈性-脆性模型，提出了一種修正的動態(tài)本構(gòu)模型，且通過試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：EPS顆粒的摻入提升了混凝土的延性；EPS混凝土具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，且隨密度增大而增強；修正后的本構(gòu)模型能準(zhǔn)確表征EPS混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

引言：

膨脹聚苯乙烯（EPS）混凝土作為一種環(huán)保綠色材料已得到廣泛認(rèn)可，在疊合樓板、結(jié)構(gòu)保溫板、道路基層及夾層材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因其優(yōu)異的能量吸收能力和低波阻抗特性，EPS混凝土在吸波層應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，可有效減輕沖擊波導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷。根據(jù)波阻抗匹配原理，EPS混凝土的低波阻抗特性可使更多應(yīng)力波在吸波層發(fā)生反射，從而減少向深層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳遞。研究表明，EPS混凝土的密度與剛度存在直接關(guān)聯(lián)，因此低密EPS混凝土更適合用于吸波層。目前，EPS混凝土吸波效果的設(shè)計與評估方法主要包括試驗、理論分析和數(shù)值模擬，由于試驗成本較高，理論與數(shù)值研究更為常用。準(zhǔn)確表征EPS混凝土材料特性（尤其是沖擊波作用下的特性）至關(guān)重要，因此建立精確的準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)本構(gòu)模型是確保理論分析和數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

眾多研究已探討EPS混凝土的配合比設(shè)計與靜態(tài)力學(xué)性能，包括微觀結(jié)構(gòu)模型、單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變模型、干密度與養(yǎng)護齡期對基本性能的影響，以及EPS顆粒摻量、粒徑和分布對力學(xué)性能的作用。學(xué)者們對EPS混凝土的動態(tài)力學(xué)性能也進行了研究。Liu等人研究了沖擊速度為2-4 m/s時EPS混凝土的沖擊行為；Lu等人采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）系統(tǒng)評估EPS混凝土的沖擊壓縮性能，發(fā)現(xiàn)EPS顆粒體積取代率為20%時能量吸收效果最優(yōu)；Chen等人探討了EPS摻量為0%-58.28%的EPS混凝土應(yīng)變率效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)粒徑3-5 mm的EPS混凝土具有更優(yōu)的能量吸收能力。

學(xué)者們針對含應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)模型開展了研究，包括粘彈性、粘塑性和損傷模型。粘彈性模型（尤其是著名的朱-王-唐（ZWT）模型）被廣泛用于描述混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。該模型最初用于表征高分子材料的非線性粘彈性行為，能有效捕捉高應(yīng)變率下混凝土的顯著滯后效應(yīng)和粘彈性特性。眾多學(xué)者基于ZWT本構(gòu)模型對高分子材料、混凝土和土體等進行了改進：Xiao等人利用ZWT模型預(yù)測環(huán)氧樹脂在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的彈性行為；Yan等人評估玄武巖聚丙烯纖維混凝土的動態(tài)力學(xué)性能，建立基于ZWT模型的率相關(guān)塑性損傷本構(gòu)模型；Wu等人研究輕質(zhì)頁巖陶?；炷?/span>在靜動載耦合作用下的損傷特性與本構(gòu)模型，提出基于ZWT模型的物理意義明確的動態(tài)損傷本構(gòu)模型；Zhang等人研究聚丙烯纖維珊瑚海砂混凝土的動態(tài)力學(xué)性能，建立基于ZWT模型的率相關(guān)塑性損傷本構(gòu)模型；Li等人將ZWT模型與滿足Drucker-Prager（D-P）屈服準(zhǔn)則的塑性理論相結(jié)合，構(gòu)建凍融循環(huán)與沖擊荷載作用下凍土的粘彈塑性本構(gòu)模型。

文獻(xiàn)綜述表明，現(xiàn)有EPS混凝土研究主要集中于低摻量EPS顆粒的配合比設(shè)計與靜態(tài)力學(xué)性能（即高密度體系），而針對EPS顆粒摻量超過40%、密度低于900 kg/m3的低密度EPS混凝土動態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型的研究較少。此外，高密度EPS混凝土的力學(xué)性能與普通混凝土相近，而低密度EPS混凝土的力學(xué)性能則表現(xiàn)出顯著差異。因此，本研究旨在探索高摻量EPS顆粒的低密度EPS混凝土準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)力學(xué)性能，并建立其動態(tài)本構(gòu)模型，為EPS混凝土吸波層的理論設(shè)計與數(shù)值模擬分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本研究通過調(diào)整膠凝材料用量設(shè)計并制備了四種不同密度的EPS泡沫混凝土。采用島津萬能試驗機進行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，獲取材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量等基本力學(xué)性能參數(shù)；利用SHPB試驗系統(tǒng)研究材料的動態(tài)力學(xué)性能，分析應(yīng)變率效應(yīng)、能量吸收特性、破壞特征及材料密度對這些參數(shù)的影響?；赯WT本構(gòu)模型和脆性彈性模型推導(dǎo)修正的動態(tài)本構(gòu)模型，驗證結(jié)果表明該模型對EPS泡沫混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有良好的預(yù)測能力。

結(jié)論：

在本研究中，設(shè)計并制備了四種密度的EPS混凝土，通過試驗揭示了其準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)力學(xué)行為。主要研究結(jié)果如下：

EPS混凝土密度越高，其峰值應(yīng)力和彈性模量越大，但峰值應(yīng)變越小。EPS顆粒的摻入提升了混凝土的延性，減輕了試件的開裂與損傷程度。

EPS混凝土具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。四種EPS混凝土的動態(tài)增強因子（DIF）范圍分別為1.63-2.29、2.47-3.76、3.01-4.32和3.10-5.02。

提出的EPS混凝土修正動態(tài)本構(gòu)模型可準(zhǔn)確描述其動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

這些研究結(jié)果為低密度EPS泡沫混凝土吸波層的理論設(shè)計及相關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬提供了重要參考。