不同取代率的橡膠混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

胡艷麗， 高培偉， 李富榮， 馬愛群， 余振鵬

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系， 江蘇 南京 210016； 2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 224051；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211102)

橡膠混凝土是采用橡膠顆粒作為混凝土澆筑材料的一部分，與水泥、細(xì)骨料、粗骨料以及混凝土添加劑共同使用所制備的混凝土.它具有抗沖擊能力好、抗裂性能優(yōu)和韌性高等優(yōu)勢(shì)，因而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，并被逐步應(yīng)用在工程中[1-3].

目前針對(duì)橡膠混凝土的研究基本集中在力學(xué)性能、耐久性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用等方面.Toutanji[4]研究了橡膠摻量和橡膠粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，表明橡膠粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響更大；田薇等[5]對(duì)橡膠混凝土劈拉強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)破壞形態(tài)進(jìn)行了研究；Eldin等[6]比較了用浸水和不浸水橡膠制備的橡膠混凝土強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用浸水橡膠制備的橡膠混凝土強(qiáng)度要高16%；Paine等[7]對(duì)橡膠混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土具有更高的抗凍性能；陳勝霞[8]從微觀角度分析了橡膠混凝土各項(xiàng)性能，發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)過程中橡膠顆粒能減緩混凝土裂縫的開展；Bignozzi等[9]用橡膠顆粒配制出了自密實(shí)橡膠混凝土并對(duì)其基本力學(xué)性能展開了研究.上述研究對(duì)推動(dòng)橡膠混凝土的工程應(yīng)用具有重要意義，但由于針對(duì)其力學(xué)性能的分析主要集中在抗壓和劈拉受力方式方面，而橡膠混凝土在實(shí)際工程中不僅受到壓力和拉力作用，還可能同時(shí)受到剪力作用，因此有必要對(duì)橡膠混凝土的剪切性能展開分析.

本文采用5種橡膠取代率(0%、10%、20%、30%、40%)，分析了橡膠混凝土的基本受力性能(受壓、劈拉和純剪).通過對(duì)比不同加載工況下橡膠混凝土的破壞形態(tài)、力-變形曲線和力-變形曲線特征值(峰值強(qiáng)度、破壞位移和彈性模量)，研究橡膠取代率對(duì)橡膠混凝土基本受力性能的影響，并探討橡膠混凝土破壞機(jī)理.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)與配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定混凝土配合比.混凝土所用水、水泥(普通硅酸鹽水泥P·O 32.5)和粗骨料(碎石，粒徑范圍為 4～ 16mm)均來源一致；細(xì)骨料采用河砂，河砂細(xì)度模數(shù)為2.5，表觀密度為2650kg/m3，堆積密度為 1850kg/m3；橡膠顆粒粒徑范圍為2～5mm，表觀密度為1270kg/m3，堆積密度為820kg/m3.采用等體積取代細(xì)骨料方法計(jì)算橡膠取代率R分別為0%、10%、20%、30%、40%時(shí)的橡膠顆粒含量，各試件的具體配合比如表1所示.

對(duì)橡膠取代率不同的橡膠混凝土試件進(jìn)行單軸受壓、單軸受拉和純剪試驗(yàn)研究，其中橡膠顆粒取代率為0%的基準(zhǔn)混凝土(普通混凝土)試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa.

表1 混凝土試件配合比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與加載方案

采用混凝土液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土單軸受壓試驗(yàn)；采用劈拉裝置進(jìn)行混凝土單軸受拉試驗(yàn)，根據(jù)劈拉荷載轉(zhuǎn)化公式將其轉(zhuǎn)化成混凝土劈拉強(qiáng)度；采用材料剪切儀進(jìn)行混凝土純剪試驗(yàn)，該剪切儀與傳統(tǒng)混凝土剪切試驗(yàn)裝置不同，采用的是剪切錯(cuò)動(dòng)方式來得到混凝土剪切荷載，與文獻(xiàn)[10]采用的剪切試驗(yàn)設(shè)備相同.液壓伺服機(jī)和材料剪切儀均裝備獨(dú)立的荷載傳感器和位移傳感器，測(cè)量精度均滿足試驗(yàn)要求.考慮混凝土材料具有一定隨機(jī)性和離散性特征，每種工況設(shè)計(jì)3個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，取均值進(jìn)行分析.

考慮試驗(yàn)加載裝置限制要求并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定混凝土單軸受壓和劈拉試件尺寸為100mm× 100mm ×100mm；混凝土純剪試件尺寸為 205mm× 205mm×150mm，其中剪切面尺寸為205mm× 205mm[10].試驗(yàn)均采用位移加載控制方式，其加載速率為1mm/min.試驗(yàn)初期采用預(yù)加載方式來消除試件與設(shè)備之間的間隙，待正式加載時(shí)開始采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至試件破壞，停止加載.

需要說明的是，本文采用的100mm× 100mm× 100mm立方體試件尺寸為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，為便于分析，根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)試件抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算.抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)為0.95、劈拉強(qiáng)度折減系數(shù)為0.85.另外，由于混凝土剪切試驗(yàn)無標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和尺寸要求，故對(duì)該部分強(qiáng)度不進(jìn)行換算處理.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 受壓試驗(yàn)分析

根據(jù)混凝土單軸受壓試驗(yàn)方案得到的混凝土試件受壓破壞形態(tài)與應(yīng)力-應(yīng)變(σc-εc)曲線如圖1、2所示.

圖1 不同橡膠取代率試件的受壓破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of specimens with different rubber substitution rates

圖2 不同橡膠取代率試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of specimens with different rubber substitution rates under uniaxial compression

由圖1可見：在不同橡膠取代率下，各試件側(cè)面均形成了平行于受壓加載方向的裂縫面，所形成的破壞形態(tài)均相似；不同之處在于隨著橡膠取代率的提高，試件受壓破壞后整體性較為良好，整體碎裂相對(duì)較弱，破壞界面有少許橡膠顆粒脫落，說明橡膠顆粒對(duì)混凝土中水泥膠體與粗骨料碎石之間的界面黏結(jié)特性具有明顯的改性作用.但各試件的破壞機(jī)理均相同，當(dāng)其豎向受壓時(shí)，受泊松比影響而在側(cè)向形成拉應(yīng)變，當(dāng)側(cè)向拉應(yīng)變達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變后試件破壞，產(chǎn)生如圖1所示的破壞形態(tài).

由圖2可見：在不同橡膠取代率下，各試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)均相同，隨著荷載的不斷增大，從彈性階段發(fā)展至彈塑性階段，當(dāng)荷載達(dá)到混凝土破壞荷載后，曲線開始下降，即為下降段.各試件的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線具有良好的連續(xù)性和光滑性.但隨著橡膠取代率的提高，試件的抗壓強(qiáng)度明顯降低，其峰值應(yīng)變有增大趨勢(shì)，同時(shí)塑性變形能力也逐步提高.

提取圖2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值(抗壓強(qiáng)度fc、峰值應(yīng)變?chǔ)與,c和彈性模量Ec,c)，分析這些特征值隨橡膠取代率提高而變化的趨勢(shì)，如圖3所示.

由圖3(a)可見：橡膠取代率為0%的普通混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度為25.94MPa；隨著橡膠取代率的提高，試件單軸抗壓強(qiáng)度逐步降低，橡膠取代率為10%、20%、30%、40%的各試件抗壓強(qiáng)度分別為18.71、15.63、10.97、10.21MPa.與普通混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度相比，橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度下降了60.67%.原因在于細(xì)骨料河砂受壓能力遠(yuǎn)高于橡膠顆粒，因河砂含量隨著橡膠取代率的提高而降低，最終導(dǎo)致橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度降低.

從彈性模量和峰值應(yīng)變這2個(gè)參數(shù)對(duì)各試件受壓變形能力進(jìn)行分析，其中彈性模量Ec,c的計(jì)算方法為：

(1)

式中：σ0.5、σ0.1為50%、10%的混凝土抗壓強(qiáng)度，ε0.5、ε0.1為與σ0.5、σ0.1對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值.

由圖3(b)、(c)可見：隨著橡膠取代率的提高，試件彈性模量逐步降低，峰值應(yīng)變逐步增大，說明隨著橡膠取代率的增大，橡膠混凝土變形能力越來越大.橡膠取代率為0%的普通混凝土試件彈性模量和峰值應(yīng)變分別為14.67GPa和2120μm/m；橡膠取代率為10%、20%、30%、40%的橡膠混凝土試件彈性模量和峰值應(yīng)變依次為9.66GPa(2563μm/m)、 6.73GPa (2848μm/m)、3.95GPa(3236μm/m)、3.51GPa (3618μm/m)；與普通混凝土試件的彈性模量和峰值應(yīng)變相比，橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件彈性模量下降了76.10%，而峰值應(yīng)變提高了70.66%.原因是橡膠顆粒類似于微小的彈性體，在受壓加載過程中能阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，增大混凝土變形能力，最終使混凝土從微觀裂縫發(fā)展至宏觀裂縫的進(jìn)程受到一定程度的減緩.

圖3 不同橡膠取代率試件的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值分析Fig.3 Characteristic values of stress-strain curves of specimens with different rubber substitution rates

2.2 劈拉試驗(yàn)分析

應(yīng)用劈拉裝置，得到不同橡膠取代率試件的劈拉破壞形態(tài)和應(yīng)力-變形(σt-dt)曲線，如圖4、5所示.通過分析劈拉破壞形態(tài)與應(yīng)力-變形曲線特征值，研究橡膠取代率對(duì)橡膠混凝土劈拉力學(xué)性能的影響.

圖4 不同橡膠取代率試件的劈拉破壞形態(tài)Fig.4 Splitting failure modes of specimens with different rubber substitution rates

由圖4可見，各試件均為拉斷破壞形態(tài)，原因是受劈拉裝置作用，當(dāng)拉應(yīng)變達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變后，試件拉斷破壞.不同之處在于隨著橡膠取代率的增加，試件的劈拉斷面越來越不平整，同時(shí)破壞斷面脫落的橡膠顆粒也逐步增多.

由圖5可見，各試件的劈拉應(yīng)力-變形曲線均可分為直線上升段和下降段2個(gè)階段.初步分析認(rèn)為，隨著橡膠取代率的增加，混凝土劈拉應(yīng)力逐步降低，同時(shí)峰值位移逐步提高.

為進(jìn)一步探究橡膠取代率對(duì)橡膠混凝土劈拉應(yīng)力-變形曲線特征值的影響，由圖5提取劈拉強(qiáng)度值ft和劈拉峰值位移dt,c，得到如圖6所示的ft、dt,c與橡膠取代率R的關(guān)系.

圖5 不同橡膠取代率試件的單軸劈拉應(yīng)力-變形曲線Fig.5 Uniaxial splitting tensile stress-deformation curves of specimens with different rubber substitution rates

由圖6(a)可見，隨著橡膠取代率的提高，混凝土劈拉強(qiáng)度表現(xiàn)出降低的趨勢(shì).橡膠取代率為0%的普通混凝土試件劈拉強(qiáng)度為1.45MPa；橡膠取代率為10%、20%、30%、40%的橡膠混凝土試件劈拉強(qiáng)度分別為0.99、0.81、0.71、0.61MPa.與普通混凝土試件的劈拉強(qiáng)度相比，橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件劈拉強(qiáng)度降低了58.38%.通過劈拉裝置進(jìn)行混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，所得到的峰值位移并非橡膠混凝土的實(shí)際劈拉破壞位移，但能在一定程度上反映橡膠取代率對(duì)混凝土劈拉變形的影響.由圖6(b)可見：橡膠取代率為0%的普通混凝土試件劈拉峰值位移為 1.024mm，隨著橡膠取代率的增加，橡膠混凝土試件的劈拉峰值位移逐步提高，依次為1.291、1.369、 1.471 、1.540mm.橡膠取代率的增加使得混凝土劈拉斷面受到削弱，在一定程度上導(dǎo)致其劈拉應(yīng)力隨橡膠取代率的增加而降低；而由于橡膠顆粒的變形能力遠(yuǎn)大于細(xì)骨料河砂，因此在劈拉試驗(yàn)中，隨著橡膠取代率的增加，混凝土的劈拉峰值位移逐步增大.

圖6 不同橡膠取代率試件的劈拉應(yīng)力-變形曲線特征值分析Fig.6 Characteristic values of splittling tensile stress-deformation curves of specimens with different rubber substitution rates

2.3 受剪試驗(yàn)分析

應(yīng)用材料剪切儀進(jìn)行純剪試驗(yàn)，得到各試件純剪受力破壞形態(tài)和剪切荷載-變形(Fs-ds)曲線，如圖7、8所示.

圖7 不同橡膠取代率試件的純剪破壞形態(tài)Fig.7 Pure shear failure modes of specimens with different rubber substitution rates

圖8 不同橡膠取代率試件的純剪荷載-變形曲線Fig.8 Pure shear load-deformation curves of specimens with different rubber substitution rates

由圖7可見：各試件垂直于剪切方向的裂縫較為平直，平行于剪切方向的裂縫則形狀不規(guī)則；各試件的剪切破壞斷面較為類似，剪切面相對(duì)較為不平整，且伴隨一定量的混凝土碎渣；橡膠取代率越大，橡膠混凝土試件剪切破壞斷面的橡膠顆粒脫落得越多.

由圖8可見，各試件的純剪荷載-變形曲線發(fā)展趨勢(shì)基本相同，與橡膠取代率大小無關(guān).隨著橡膠取代率的提高，橡膠混凝土試件的剪切破壞荷載逐步降低，峰值位移逐步提高.原因在于橡膠取代率的提高使得橡膠混凝土試件的剪切破壞斷面受到削弱，同時(shí)橡膠顆粒與水泥膠凝材料、橡膠顆粒與碎石之間的黏結(jié)性能較差，從而使其剪切破壞荷載隨著橡膠取代率的提高而逐步降低；另外，橡膠顆粒的變形能力遠(yuǎn)大于細(xì)骨料河砂，導(dǎo)致其峰值位移逐步提高.

由圖8提取剪切強(qiáng)度τ和剪切破壞峰值位移ds,c，得到橡膠取代率R與這2個(gè)特征值之間的關(guān)系，如圖9所示.

由圖9(a)可知，隨著橡膠取代率的提高，試件的剪切強(qiáng)度逐步降低.橡膠取代率為0%的普通混凝土試件剪切強(qiáng)度為3.34MPa；取代率為10%、20%、30%、40%的橡膠混凝土剪切強(qiáng)度分別為2.59、2.17、1.92、1.67MPa；與普通混凝土試件剪切強(qiáng)度相比，橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件剪切強(qiáng)度降低了49.85%.由圖9(b)可知：橡膠取代率為0%的普通混凝土試件剪切破壞峰值位移為 1.87mm；取代率為10%、20%、30%、40%的橡膠混凝土試件剪切破壞峰值位移分別為2.46、3.44、4.22、5.46mm；與普通混凝土試件剪切破壞峰值位移相比，橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件剪切破壞峰值位移提高了1.92倍.

圖9 不同橡膠取代率試件的純剪荷載-變形曲線特征值分析Fig.9 Characteristic values of pure shear load-deformation curves of specimens with different rubber substitution rates

2.4 強(qiáng)度分析

文獻(xiàn)[1]中提出了普通混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系式，如式(2)所示；抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度關(guān)系式如式(3)所示.按式(2)、(3)計(jì)算的理論值與本文試驗(yàn)值對(duì)比如圖10、11所示.

(2)

(3)

由圖10可知，由混凝土抗壓強(qiáng)度推算的混凝土劈拉強(qiáng)度理論值(式(2))與其試驗(yàn)值相比，取代率為0%的普通混凝土試件差值較小，但4種橡膠混凝土試件的差值較大，原因在于該理論計(jì)算值是根據(jù)普通混凝土試驗(yàn)歸納得到的，導(dǎo)致橡膠混凝土應(yīng)用式(2)得到的理論值與試驗(yàn)值存在較大差異.

圖10 混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.10 Relationship between compressive strength and splitting tensile strength of concrete

圖11 混凝土抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度關(guān)系Fig.11 Relationship between compressive strength and shear strength of concrete

由圖11可知，普通混凝土試件的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值相差26.95%，而橡膠混凝土試件的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值之差均小于普通混凝土試件，其中橡膠取代率為40%的橡膠混凝土試件理論計(jì)算值與試驗(yàn)值之差最小，為14.37%.剪切試驗(yàn)沒有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，一般采用間接測(cè)量方式，如矩形短梁直接剪切試驗(yàn)、Z形柱單剪面試驗(yàn)和缺口梁四點(diǎn)受力試驗(yàn)等，不同的試驗(yàn)方法得到的剪切荷載相差較大，最多相差2～3倍[1].本文采用直接剪切方法來直接測(cè)量混凝土剪切荷載，相比較而言較為準(zhǔn)確，但試驗(yàn)值與理論計(jì)算值仍存在一定的差異性.

3 機(jī)理討論

根據(jù)橡膠混凝土的構(gòu)成特點(diǎn)，本文將橡膠顆粒簡(jiǎn)化為如圖12所示的圓形顆粒模型，考慮3種加載方式，分析橡膠顆粒在橡膠混凝土中的作用機(jī)理.

圖12 不同加載方式下的橡膠混凝土破壞機(jī)理Fig.12 Failure mechanism of rubber concrete under different loading modes

如上所述，隨著橡膠取代率的提高，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度逐步降低，受壓峰值應(yīng)變、劈拉峰值位移和剪切破壞位移逐步提高.但不同橡膠取代率下的橡膠混凝土受壓、劈拉和剪切破壞機(jī)理均相同，如圖12所示.

根據(jù)混凝土材料特性，無論受壓、劈拉和受剪作用，砂漿與砂漿之間和砂漿與粗骨料之間均存在化學(xué)膠著力，該作用主要與砂漿組成特性有關(guān).當(dāng)橡膠取代率增高時(shí)，由于橡膠顆粒與砂漿間的黏結(jié)作用相對(duì)薄弱，最終導(dǎo)致橡膠混凝土化學(xué)膠著力隨之降低，橡膠混凝土的受力性能也逐步降低；同時(shí)，橡膠顆粒的抗壓能力遠(yuǎn)低于細(xì)骨料河砂，變形能力則高于細(xì)骨料河砂，最終導(dǎo)致橡膠混凝土受力性能隨著橡膠取代率的提高而逐步降低，變形能力逐步提高.

隨著橡膠取代率的提高，橡膠混凝土強(qiáng)度逐步降低，變形則隨之增大.對(duì)于橡膠混凝土強(qiáng)度和變形是否存在性能最佳點(diǎn)，需要考慮兩個(gè)方面，其一，需要有一個(gè)相對(duì)較高的橡膠取代率，即盡可能使橡膠混凝土發(fā)揮出更好的抗沖擊能力、抗裂性能和韌性；其二，需保證橡膠混凝土強(qiáng)度相對(duì)較大、變形相對(duì)較小.Eldin等[6]對(duì)于100%橡膠取代率的橡膠混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度降低了65%，劈拉強(qiáng)度降低了50%；Miller等[11]認(rèn)為當(dāng)橡膠取代率為40%時(shí)，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)橡膠取代率大于40%時(shí)，橡膠混凝土的強(qiáng)度變化相對(duì)較小，但變形相對(duì)較大；本文結(jié)論是當(dāng)橡膠取代率為40%時(shí)，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了60.67%，劈拉強(qiáng)度降低了58.38%.因此，結(jié)合文獻(xiàn)分析結(jié)論，可以認(rèn)為當(dāng)橡膠取代率為40%時(shí)，橡膠混凝土能夠保證相對(duì)穩(wěn)定的強(qiáng)度和較好的變形性能，同時(shí)能夠盡可能發(fā)揮橡膠混凝土的優(yōu)勢(shì).

4 結(jié)論

(1)不同橡膠取代率的橡膠混凝土單軸受壓、單軸劈拉和純剪破壞機(jī)理均相同，與橡膠取代率無關(guān).不同的是隨著橡膠取代率的提高，混凝土單軸受壓破壞后具有良好的整體性，劈拉和純剪作用下混凝土破壞斷面逐步變得較為不平整，且破壞斷面脫落的橡膠顆粒量逐步增多.

(2)不同橡膠取代率的橡膠混凝土單軸受壓、單軸劈拉以及純剪荷載-變形曲線發(fā)展趨勢(shì)基本相同，隨著橡膠取代率的提高，混凝土抗壓、劈拉和剪切強(qiáng)度逐步降低，但混凝土受壓峰值應(yīng)變、劈拉峰值拉移和剪切破壞位移逐步提高，混凝土塑性變形能力明顯增大.

(3)在橡膠混凝土基本受力性能中，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度受橡膠取代率影響最大，其抗壓強(qiáng)度最高降低60.67%；單軸劈拉強(qiáng)度受橡膠取代率的影響，最高降低58.38%；剪切強(qiáng)度受橡膠取代率的影響最小，最高降低49.85%.應(yīng)用現(xiàn)有普通混凝土抗壓、劈拉和剪切強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算了橡膠混凝土強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大.