沖擊荷載作用下橡膠混凝土的損傷研究

郝贠洪, 樊 磊， 韓 燕， 李 慧, 田旭樂, 郝慶麗

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051)

橡膠混凝土作為一種新型復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道、公路、堤壩、橋梁等工程結(jié)構(gòu)中，服役期間經(jīng)常遭受車輛的碾壓碰撞、急流和泥沙的沖刷、風(fēng)沙顆粒介質(zhì)的沖擊磨損造成其表面保護(hù)層材料破損剝落并產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性和安全性。因此提高橡膠混凝土的抗沖擊能力對(duì)于橡膠混凝土材料在工程中的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

橡膠加入混凝土中不僅解決了廢舊輪胎對(duì)環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題[1]又可以提高混凝土的延性、變形能力及抵抗動(dòng)力荷載作用的能力[2-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于橡膠混凝土抗沖擊性能做了大量研究，主要采用落錘法和分離式霍普金森壓桿裝置研究了橡膠粒徑和摻量對(duì)橡膠混凝土的抗沖擊性能的影響[6-9]。而對(duì)于橡膠混凝土材料受顆粒介質(zhì)沖擊損傷的研究鮮見報(bào)道。

目前以赫茲接觸理論為基礎(chǔ)的小能量接觸損傷研究方法在工程材料領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展[10-12]。主要集中在金屬[13]、玻璃陶瓷[14]、復(fù)合材料[15-16]，而對(duì)于工程中常用的混凝土材料研究較少。本文利用自動(dòng)沖擊球壓儀對(duì)橡膠混凝土的動(dòng)態(tài)沖擊損傷行為進(jìn)行研究，并應(yīng)用激光共聚焦掃描顯微鏡(LSCM)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析了其沖擊損傷形貌及機(jī)理特征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)試件

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)設(shè)計(jì)普通C30的配合比，橡膠混凝土利用等體積取代細(xì)骨料的方法對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行配制，配合比見表1。水泥采用唐山冀東水泥P·O42.5；細(xì)骨料采用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.87，表觀密度為2 540 kg/m3；橡膠顆粒由石家莊雨馨建筑材料有限公司提供，選用10目(1.70 mm)、40目(0.42mm)、80目(0.18 mm)3種橡膠顆粒，表觀密度分別為1 150 kg/m3、1 060 kg/m3、1 040 kg/m3，其主要組成成分為丁苯橡膠，是丁二烯與苯乙烯的共聚物,外觀如下圖1所示。試件成型后自然養(yǎng)護(hù)24 h，之后放入溫度范圍為20±2 ℃，相對(duì)濕度95%以上養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(28 d)后取出。試件尺寸：150 mm×150 mm×300 mm用于彈性模量與泊松比的測(cè)定，100 mm×100 mm×100 mm用于后續(xù)沖擊試驗(yàn)。

表1 橡膠混凝土配合比表

(a) 10目

(b) 40目

(c) 80目

圖1 橡膠外觀圖

Fig.1 The appearance of rubber

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試樣養(yǎng)護(hù)28 d后，采用TLD-SM-2型砂輪磨平機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光，試樣每個(gè)表面布置六個(gè)沖擊點(diǎn)，同一高度沖擊六個(gè)面，以盡量減少誤差。本實(shí)驗(yàn)研究的沖擊損傷裝置為自動(dòng)沖擊球壓儀，通過球頭沖擊試件表面的過程中球頭上力傳感器對(duì)沖擊力的實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)较嗯涮椎臏y(cè)試軟件，產(chǎn)生的壓痕通過LEXTOLS4100型激光共聚焦掃描顯微鏡進(jìn)行采集和PXS9-T三目連續(xù)體視顯微鏡進(jìn)行輔助觀測(cè)，并利用電子掃描顯微鏡進(jìn)行形貌與機(jī)理分析，試驗(yàn)主要設(shè)備如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)通過球壓沖擊荷載作用下對(duì)材料的損傷進(jìn)行研究，依據(jù)赫茲接觸理論[17]可將其視為剛性球體和彈性半空間體的接觸。設(shè)一個(gè)質(zhì)量為m、半徑R、彈性模量E1，泊松比v1的剛性球體與一個(gè)彈性模量E，泊松比ν的彈性半空間體接觸，沖擊荷載值為P,形成的壓痕半徑為a。力學(xué)模型見圖3。

在整個(gè)球壓接觸過程中，當(dāng)總壓縮變形達(dá)到最大值時(shí)，得到最大沖擊荷載值[18]

(1)

根據(jù)Tabor[19]理論，材料動(dòng)態(tài)硬度表示為

(2)

(a) 自動(dòng)沖擊球壓儀

(b) LEXTOLS4100型激光共聚焦掃描顯微鏡

圖3 力學(xué)模型圖

式中：Hd為材料的動(dòng)態(tài)硬度，U為粒子在沖擊過程中消耗的總能量，Vc為粒子沖擊作用造成材料表面損傷的體積。

在沖擊球壓過程中材料會(huì)發(fā)生彈塑性變形，彈性變形會(huì)使得材料發(fā)生恢復(fù)，而塑性變形使得材料表面形成沖擊坑，假定沖擊過程中不計(jì)空氣阻力對(duì)沖擊動(dòng)能的影響，則沖擊前球頭總能量為UK，彈性能為UE，塑性變形能為Up，且由于彈性波在材料內(nèi)部傳播能量Uw僅占總能量的1%～3%，而極少數(shù)的局部熱能和其他能量的消耗則遠(yuǎn)小于Uw[20-22]。因此可得彈、塑性變形能[23-24]。

(3)

(4)

Up=UK-UE

(5)

則式(2)可表達(dá)為

(6)

此外岳漢威[25]則依據(jù)牛頓建立的恢復(fù)性系數(shù)概念提出應(yīng)用球頭回跳的能量占總能量比值的方法來表示不同材料在沖擊荷載作用下表面彈塑性變化的恢復(fù)能力。由于球頭回跳速度Vout很難準(zhǔn)確的測(cè)量，所以利用能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，球頭回跳能量UR源于材料的彈性恢復(fù)能量UE,即:

(7)

恢復(fù)性系數(shù)：

(8)

1.4 力學(xué)參數(shù)測(cè)定

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB 50081—2002，實(shí)驗(yàn)對(duì)粒徑(10目、40目、80目)摻量10%的橡膠混凝土和基準(zhǔn)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比進(jìn)行測(cè)定為沖擊荷載作用下橡膠混凝土的損傷研究提供理論依據(jù)，測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 橡膠混凝土力學(xué)性能參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊荷載-時(shí)間曲線分析

利用自動(dòng)沖擊球壓儀對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，如圖4所示為相同沖擊高度下(35 cm)橡膠混凝土表面的沖擊荷載-時(shí)間曲線，試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)混凝土最大沖擊力值為3 816.6 N，10目、40目、80目的橡膠混凝土最大沖擊力分別為：3 604.2 N、3 510.6 N、3 327.4 N，由此可知橡膠混凝土的最大沖擊力值小于基準(zhǔn)混凝土，且隨著粒徑的減小最大沖擊力值減小，二次回彈力值也表現(xiàn)出同樣的遞變規(guī)律。沖擊球頭作用于混凝土表面，混凝土發(fā)生彈塑性變形，沖擊動(dòng)能逐漸減小，當(dāng)沖擊速度降為0時(shí)，材料表面法向位移達(dá)到最大，荷載傳感器讀取此時(shí)試樣表面最大沖擊力值，隨后沖擊球頭發(fā)生回彈。相同高度沖擊荷載作用下，沖擊球頭作用于試樣表面，橡膠顆粒產(chǎn)生的彈性變形大于砂石骨料，相對(duì)于基準(zhǔn)混泥土吸收較多能量用于材料彈性變形，所以回彈高度及最大沖擊力值均小于基準(zhǔn)混凝土，抗沖擊能力優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。而對(duì)于相同摻量不同粒徑的橡膠混凝土，橡膠粒徑越小，試樣內(nèi)部密實(shí)度越高，粒徑與骨料間結(jié)合面積增大，沖擊荷載下橡膠混凝土彈性變形加大，回彈高度及最大沖擊力值減小。橡膠混凝土隨橡膠粒徑的減小抗沖擊能力增強(qiáng)。

圖4 沖擊荷載-時(shí)間曲線圖

2.2 沖擊荷載-壓痕曲線分析

不同沖擊荷載作用下會(huì)對(duì)材料表面形成不同的壓痕，如圖5所示為設(shè)置六個(gè)不同高度(23 cm、26 cm、29 cm、32 cm、35 cm、38 cm)的沖擊荷載作用下基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土(粒徑為10目、40目、80目，摻量均為10%)的沖擊荷載值與壓痕尺寸關(guān)系，由圖5可知在前期隨著沖擊荷載的不斷增加，壓痕尺寸也隨著荷載值基本呈線性增長(zhǎng)，且由于混凝土為多相復(fù)合材料所以壓痕尺寸出現(xiàn)一定程度的離散，但隨著沖擊荷載的不斷增大，材料表面發(fā)生屈服，荷載值增長(zhǎng)緩慢，壓痕尺寸還在不斷增長(zhǎng)。橡膠混凝土與基準(zhǔn)混凝表現(xiàn)出相同的遞變規(guī)律，但由于橡膠的加入改變了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得不同粒徑的橡膠混凝土出現(xiàn)不同的極限荷載值和壓痕增長(zhǎng)速率。

圖5 沖擊荷載-壓痕曲線圖

經(jīng)過對(duì)沖擊荷載-壓痕曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合曲線如圖6所示，通過對(duì)函數(shù)的擬合計(jì)算近似線性段的斜率來表征壓痕增長(zhǎng)速率，由表3得線性段斜率為：基準(zhǔn)混凝土1 232.74(N/mm)，在粒徑為10目、40目、80目摻量均為10%的橡膠混凝土分別為1 822.95(N/mm)、1 840.14(N/mm)、2 133.22(N/mm)；極限荷載值為：基準(zhǔn)混凝土4 789 N,在粒徑為10目、40目、80目摻量均為10%的橡膠混凝土分別為5 401 N、5 630 N、

(a) CC擬合曲線

(b) RC-10-10擬合曲線

(c) RC-40-10擬合曲線

(d) RC-80-10擬合曲線

圖6 擬合曲線圖

6 028 N。由此可知壓痕增長(zhǎng)速率CC>RC-10-10>RC-40-10>RC-80-10,而荷載極限值恰恰有相反規(guī)律，橡膠混凝土承受的極限荷載值大于基準(zhǔn)混凝土且隨著粒徑的減小承受極限荷載值增大。

2.3 沖擊表面彈塑性特征

通過對(duì)橡膠混凝土從同一高度沖擊作用下對(duì)最大荷載值的捕捉，以及利用LEXTOLS4100型激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)沖擊試樣表面壓痕尺寸進(jìn)行精確采集，依據(jù)式(6)、(8)計(jì)算出材料的動(dòng)態(tài)硬度值和恢復(fù)性系數(shù)，進(jìn)而對(duì)材料的彈塑性特征進(jìn)行定量化的分析。材料的動(dòng)態(tài)硬度指的是沖擊過程中消耗的塑形變性能與沖擊材料表面產(chǎn)生的壓痕體積之比，而恢復(fù)性系數(shù)指的是球頭發(fā)生回跳的能量占總能量的比值,由于不同材料受沖擊作用時(shí)表面彈性恢復(fù)的能力不同,因此利用恢復(fù)性系數(shù)來評(píng)價(jià)材料表面的彈性特征。由圖7、8可知，橡膠混凝土的動(dòng)態(tài)硬度大于基準(zhǔn)混凝土，且隨著橡膠粒徑的減小動(dòng)態(tài)硬度逐漸增大。而恢復(fù)性系數(shù)也表現(xiàn)出相同的遞變規(guī)律，恢復(fù)性系數(shù)反映了材料在沖擊荷載作用下的彈性恢復(fù)能力和沖擊過程中能量的轉(zhuǎn)換，本身與動(dòng)態(tài)硬度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，材料抵抗壓入變形能力越強(qiáng)，彈性性能也越強(qiáng)。綜上所述橡膠的加入提高了混凝土的抗塑性變形能力。

圖7 材料動(dòng)態(tài)硬度

圖8 材料恢復(fù)性系數(shù)

3 沖擊球壓表面損傷形貌與損傷機(jī)理分析

3．1 材料沖擊壓痕的LSCM形貌分析

利用LEXTOLS4100 型激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)試件表面的壓痕進(jìn)行定量化采集，通過LEXTOLS4100對(duì)壓痕的二維、三維形貌進(jìn)行分析以及對(duì)壓痕幾何參數(shù)的測(cè)量。 如圖9(a)、(b)、(c)、(d)所示為RC-80-10從高度35 cm沖擊荷載作用下壓痕的二維形貌、三維形貌、三維剖面以及壓痕深度圖。圖9(a)為壓痕二維形貌，圖像尺寸[像素]：2816X2840 ，圖像尺寸[μm]：7141X7151，物鏡：MPLFLN5,變焦：1X。圖9(b)為壓痕三維形貌圖，圖中X軸為試樣徑向位移坐標(biāo)，可通過兩點(diǎn)間X軸坐標(biāo)值計(jì)算出壓痕兩點(diǎn)間寬度；Z軸為試樣壓痕軸向位移，取自下至上為正方向，不同顏色代表壓痕內(nèi)各點(diǎn)不同的軸向位移。圖9(c)為對(duì)三維壓痕進(jìn)行剖切通過剖切可以精確測(cè)量壓痕的幾何參數(shù)，測(cè)得壓痕寬度為4.82×103μm,而與普通光學(xué)顯微鏡測(cè)得4.62 mm相比測(cè)量精度更高且具有清晰的邊界，同時(shí)也可以測(cè)得壓痕表面積為1.04×108μm2，壓痕體積為1.98×109μm3。圖9(d)為壓痕深度圖，通過剖切位置的選取可以提取剖切線上每一點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)，通過對(duì)壓痕深度曲線的繪制可以清晰直觀的看到壓痕的深度變化曲線，也由此可以計(jì)算壓痕寬度與深度。綜上，由圖可知在沖擊荷載作用下材料表面形成球冠狀小坑，球坑邊緣出現(xiàn)微微隆起形成材料堆積，由深度曲線圖可以明顯看到這種特點(diǎn)。

由表4可知，在相同高度沖擊作用下的基準(zhǔn)混凝土與橡膠混凝土的沖擊壓痕有不同的幾何參數(shù)，基準(zhǔn)混凝土壓痕直徑為5.54×103μm，在摻量均為10%粒徑為10目、40目、80目的橡膠混凝土壓痕直徑分別為：5.41×103μm、5.38×103μm、4.82×103μm，由此可知在相同高度沖擊作用下橡膠混凝土的壓痕寬度小于基準(zhǔn)混凝土，且隨著粒徑的減小壓痕寬度也減小，而且利用LEXTOLS4100型激光共聚焦掃描顯微鏡測(cè)量系統(tǒng)提高了參數(shù)的精度，也解決了二維圖像對(duì)于三維參數(shù)表面積及體積的測(cè)量。因此試驗(yàn)利用對(duì)球坑表面積的測(cè)定對(duì)材料的損傷度進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)損傷力學(xué)中對(duì)損傷度的定義，此實(shí)驗(yàn)定義損傷度

(a) 二維壓痕圖

(b) 三維壓痕圖

(c) 壓痕剖面圖

(d) 壓痕深度圖

圖9 壓痕圖

Fig.9 Graph of indentation

(9)

由結(jié)果可知，壓痕損傷度與寬度表現(xiàn)出相同的遞變規(guī)律，從相同沖擊高度作用下橡膠混凝土的沖擊損傷效果要小于基準(zhǔn)混凝土，且隨著橡膠粒徑的減小損傷程度也降低，由此可見橡膠混凝土的塑形變形小于基準(zhǔn)混凝土且隨著粒徑的減小塑形變形也在減小，利用損傷度可以對(duì)其定量描述，且與彈塑性特征里恢復(fù)性系數(shù)也形成統(tǒng)一量化，隨著粒徑的減小其塑性能也在減小，抗塑性變形能力增強(qiáng)。

表4 壓痕損傷參數(shù)表

3.2 橡膠混凝土的微觀形貌分析及損傷機(jī)理研究

如圖10(a)、(b)、(c)、(d)所示為基準(zhǔn)混凝土與橡膠混凝土(粒徑：10目、40目、80目，摻量10%)的SEM的微觀形貌圖，由圖10觀察到：(a)圖基準(zhǔn)混凝土表面基本光滑，密實(shí)，骨料與膠凝材料結(jié)合緊密，均勻，無明顯微裂紋與孔洞。(b)圖10目橡膠混凝土，橡膠顆粒與基材表面有清晰的結(jié)合面，橡膠顆粒表面凹凸不平，分散不均勻。(c)圖40目橡膠混凝土表面有較多微裂紋與孔洞，而且膠粉的加入使得骨料與膠凝材料結(jié)合較為不緊密，表面形成蜂窩麻面狀。(d)圖80目橡膠混凝土整體分布較為均勻，表面較為平整光滑，膠粉與膠凝材料結(jié)合也較為緊密形成一個(gè)整體。由于材料表面形態(tài)的不同，在承受沖擊荷載作用效果也不同，基準(zhǔn)混凝土由于結(jié)合緊密無明顯缺陷，本身屬于準(zhǔn)脆性材料，在沖擊荷載作用下會(huì)產(chǎn)生類似脆性破壞，只要發(fā)生開裂，孔洞，塑性變形就會(huì)越來越大，抗塑性變形能力也會(huì)逐漸減弱形成塑性變形較大，損傷程度最大。而橡膠的摻入就延緩了這種情況的發(fā)生，雖然橡膠的摻入使得表面形成部分缺陷，而正是這種缺陷提供了耗能的可能，在沖擊球頭下落瞬間，球頭的大部分能量被橡膠顆粒的彈性能吸收，而這部分吸收的彈性能釋放會(huì)造成小球的回彈，使球坑發(fā)生部分彈性恢復(fù)，形成較小的塑性變形，損傷程度較小，而且材料表面受到擠壓形成球坑，由于表面的間隙，微缺陷也會(huì)吸收部分能量，不會(huì)對(duì)球坑周圍形成明顯裂紋。綜上所述，橡膠的加入改變了混凝土的抗沖能力，而且隨著粒徑的減小，橡膠分布的更加均勻，能量的吸收也會(huì)穩(wěn)定，對(duì)材料的表面造成的損傷也會(huì)減弱。

如圖11(a)、(b)、(c)、(d)所示為基準(zhǔn)混凝土及橡膠混凝土(粒徑：10目、40目、80目，摻量10%)的沖擊壓痕邊界局部的LSCM形貌圖，由圖11觀察到：(a)圖基準(zhǔn)混凝土壓痕邊緣隆起較為明顯，擠壓的作用使得材料在壓痕邊緣推積，壓痕邊緣與基材界限明顯。(b)圖10目橡膠混凝土，壓痕邊緣與基材結(jié)合處較為連續(xù)，橡膠顆粒凸起材料表面，分布較為離散。(c)圖40目橡膠混凝土，膠粉分布較為均勻，凸起球坑表面。(d)圖80目橡膠混凝土壓痕與基材無分界面，過渡區(qū)平滑穩(wěn)定，膠粉分布均勻與材料形成統(tǒng)一整體。綜上所述，80目橡膠混凝土形成的損傷區(qū)較為連續(xù)，無明顯微裂紋與孔洞。

(a) CC

(b) RC-10-10

(c) RC-40-10

(d) RC-80-10

圖10 橡膠混凝土SEM形貌圖

Fig.10 SEM diagram of rubber concrete

(a) CC

(b) RC-10-10

(c) RC-40-10

(d) RC-80-10

圖11 橡膠混凝土LSCM形貌圖

Fig.11 LSCM diagram of rubber concrete

4 結(jié) 論

(1) 通過沖擊荷載-時(shí)間曲線可知，橡膠的加入提高了混凝土的抗沖擊能力，且隨著粒徑的減小抗沖擊能力增強(qiáng)。

(2) 通過沖擊荷載-壓痕尺寸曲線可知，隨著沖擊荷載的不斷增加，橡膠混凝土的壓痕增長(zhǎng)速率小于基準(zhǔn)混凝土，但其極限荷載值大于基準(zhǔn)混凝土且隨粒徑的減小壓痕增長(zhǎng)速率減小，但極限荷載值增大。

(3) 通過對(duì)材料的動(dòng)態(tài)硬度值、恢復(fù)性系數(shù)及材料的損傷度的計(jì)算可得：基準(zhǔn)混凝土的動(dòng)態(tài)硬度值、恢復(fù)性系數(shù)小于橡膠混凝土，損傷度較大，抗塑性變形能力較弱；橡膠混凝土隨橡膠粒徑的減小，動(dòng)態(tài)硬度值與恢復(fù)性系數(shù)增大，損傷度減小，抗塑性變形能力增強(qiáng)。

(4) 利用激光共聚焦掃描顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)材料表面及沖擊球坑形貌進(jìn)行分析可知：沖擊荷載作用下材料表面形成球冠狀小坑，壓痕邊緣出現(xiàn)不同程度的材料堆積；80目的橡膠在混凝土中分布更加均勻，且損傷區(qū)較為連續(xù)無明顯微裂紋。