基于楔入劈拉試驗(yàn)的橡膠混凝土斷裂能研究 *

衣笑，薛剛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為了改善混凝土材料的脆性并提高其抗裂性能，學(xué)者們嘗試在普通混凝土基體中加入橡膠摻合料.橡膠顆粒在混凝土內(nèi)部起著類(lèi)似彈性纖維的作用，抑制裂縫的擴(kuò)展，并在斷裂過(guò)程中耗散能量，提高混凝土的抗裂性能[1-3].

斷裂能是研究混凝土類(lèi)材料的重要參數(shù)，楔入劈拉試驗(yàn)是現(xiàn)今較為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定材料斷裂能的方法.目前，部分學(xué)者使用楔入劈拉試驗(yàn)對(duì)混凝土的抗裂性能進(jìn)行了研究[4-6]，但缺少影響因素的機(jī)理分析，而基于楔入劈拉試驗(yàn)對(duì)橡膠混凝土斷裂能的研究更是鮮有報(bào)道.

因此，基于楔入劈拉試驗(yàn)測(cè)定橡膠混凝土的斷裂能，探討橡膠顆粒的粒徑與摻量對(duì)其影響的規(guī)律及其機(jī)理，對(duì)廢舊橡膠在土木工程中的應(yīng)用和混凝土抗裂性能的提高具有巨大意義.

1 試驗(yàn)概況

采用5%，10%，15%，20%的30目和50目摻量橡膠集料等體積代替砂，摻入到強(qiáng)度等級(jí)為C30的基準(zhǔn)混凝土中.對(duì)橡膠混凝土試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，并計(jì)算各組試件的斷裂能.

1.1 原材料

采用P·O42.5R水泥，普通連續(xù)級(jí)配河砂，細(xì)度模數(shù)為2.60；連續(xù)級(jí)配碎石，粒徑為5～25 mm；30目和50目的橡膠顆粒，橡膠粉的表觀密度為1 050 kg/m3；砂表觀密度為1 450 kg/m3.

基準(zhǔn)混凝土配合比為：水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水=1∶2.63∶3.8∶0.13∶0.513，橡膠顆粒等體積代替砂.具體配合比詳見(jiàn)表1.

表1 基準(zhǔn)配合比 (kg)

1.2 試驗(yàn)裝置

楔入劈拉試驗(yàn)裝置如圖1所示，試件長(zhǎng)寬高分別為200，200，230 mm.在試件頂面設(shè)有方形槽，槽中間留有預(yù)制裂縫.試件實(shí)物如圖2所示.試驗(yàn)采用雙線鋼軸對(duì)稱支承，為了消除豎向力對(duì)斷裂能的影響，支承位置一般選取在試件寬度的1/4處.試件上方放置2個(gè)配有滾軸的傳力板來(lái)減小摩擦力，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性.為了方便安裝夾式引伸儀，需要在兩個(gè)傳力板中間位置制作預(yù)留槽來(lái)保證有充足的操作空間，以便測(cè)出裂縫張口位移CMOD(Crack Mouth Opening Displacement).具體操作程序可參照文獻(xiàn)[4].楔形加載架將豎向的作用力傳遞到傳力板的滾軸上，使傳力板向水平方向兩側(cè)移動(dòng)，從而向試件施加一對(duì)大小相等方向相反的水平力，實(shí)現(xiàn)豎向作用力與水平作用力的轉(zhuǎn)化.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前測(cè)量每個(gè)試件的尺寸，齡期和初始裂縫長(zhǎng)度.利用10 kN荷載傳感器記錄試驗(yàn)過(guò)程的荷載大小，用YYJ-4/10夾式引申計(jì)測(cè)量裂縫口張開(kāi)位移，并記錄試件破壞時(shí)的最大荷載和裂縫口臨界張開(kāi)位移，繪制荷載與裂縫張開(kāi)口位移曲線.裂縫尖端處應(yīng)變用電阻應(yīng)變片來(lái)記錄.

試件安裝完畢后使用10 kN油壓千斤頂以低速率開(kāi)始加載，在加載裝置，荷載傳感器與試件接觸過(guò)程中，調(diào)整各個(gè)裝置的位置避免對(duì)試件造成沖擊.完全接觸后，調(diào)節(jié)加載速率，加載速率控制在20～40 N/s.加載過(guò)程中觀察試件的裂縫起裂和擴(kuò)展，記錄裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)的荷載值.實(shí)際加載裝置如圖3所示.

2 斷裂能的確定

2.1 斷裂能計(jì)算基本原理

裂縫的擴(kuò)展過(guò)程十分復(fù)雜，難以細(xì)致地研究擴(kuò)展歷史路徑以及相關(guān)位置的應(yīng)力場(chǎng)情況，因此裂縫尖端能量平衡觀點(diǎn)則成為對(duì)裂縫擴(kuò)展研究的重要切入點(diǎn)，這一觀點(diǎn)認(rèn)為裂縫擴(kuò)展的動(dòng)力是可以由擴(kuò)展過(guò)程中所釋放出的能量來(lái)衡量的，由此建立的脆性斷裂準(zhǔn)則稱為G準(zhǔn)則.斷裂能定義為單位面積產(chǎn)生裂縫時(shí)所需消耗的平均能量，并將裂縫面積定義為平行于主裂縫方向的平面中的投影面積.斷裂能是衡量混凝土材料抗裂性能和延性的重要指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，斷裂能越大表示材料的抗裂性能與延性越好.斷裂能GF可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：W為總外力功；W0為試驗(yàn)機(jī)所提供的豎向荷載所作外力功，大小等于P-CMOD曲線的包絡(luò)面積；δ0為最終破壞的加載點(diǎn)的裂縫口張開(kāi)位移；Alig為韌帶面積；B為試件厚度；D為試件高度；a0為試件預(yù)制縫長(zhǎng)度；P為試件所受豎向荷載；mg為傳力裝置的自重(物理量單位詳見(jiàn)表2，下同).

在計(jì)算材料斷裂能的過(guò)程中，需要考慮試驗(yàn)夾具和傳力裝置自重對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，試件在從開(kāi)裂到斷裂破壞的過(guò)程中裂縫擴(kuò)展所消耗的平均能量即為斷裂能.

采用分段的方法計(jì)算斷裂能的方法[4]：

(2)

式中：A=B(D-a0)為韌帶面積；W0+W1+W2+W3是所有外力所做的總功；W0=WV0/(2tgθ)是試驗(yàn)采集到的荷載與位移曲線的包絡(luò)面積；WV0可以通過(guò)繪圖軟件算得.W1與W2的和為試驗(yàn)裝置自重所做的功.由于試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)加載結(jié)束點(diǎn)后的尾部曲線無(wú)法測(cè)出，必須擬合出一種比較接近混凝土實(shí)際情況的尾部曲線.多數(shù)試驗(yàn)表明，P-CMOD曲線下降段反彎點(diǎn)之后的部分呈一定的規(guī)律性，因此可采用擬合尾部曲線的方法來(lái)計(jì)算曲線P-CMOD尾部面積.斷裂能分段計(jì)算示意圖如圖4所示.

對(duì)于曲線尾部下降段，采用指數(shù)函數(shù)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合：

P=me-nδ.

(3)

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以δ表示CMOD

(4)

為得到更好的擬合效果，在實(shí)際采集到的試件P-CMOD曲線上，選取曲線下降段峰值荷載值1/3處到靠近尾部較為分散的8～10個(gè)點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行擬合，以便得到更具有說(shuō)服力的斷裂能數(shù)值.

將選取的各點(diǎn)坐標(biāo)分別輸入繪圖軟件中，可擬合出每組試件的尾部曲線方程，并將參數(shù)代入公式(4)中，即可得到的計(jì)算結(jié)果.

2.2 斷裂能計(jì)算結(jié)果

各摻量30目和50目的橡膠混凝土荷載-位移曲線如圖5和圖6所示.

分段計(jì)算后斷裂能計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 橡膠混凝土試件斷裂能計(jì)算結(jié)果

由表2可知，除20%橡膠摻量的橡膠混凝土外，其他摻量的橡膠混凝土試件的斷裂能均明顯高于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，橡膠混凝土試件的斷裂能達(dá)到最大值.摻量為15%時(shí)，2種粒徑的橡膠混凝土斷裂能均有明顯下降.斷裂能在橡膠摻量小于10%時(shí)隨摻量增大而增大，當(dāng)超過(guò)10%時(shí)則隨摻量增大而減小.50目橡膠集料對(duì)混凝土斷裂能的提升要比30目的更顯著.原因在于，在相同摻量下，50目橡膠混凝土中的橡膠顆粒數(shù)量更多，在破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更大的變形并耗散更多能量.從圖5，6中也能看出50目橡膠混凝土的裂縫口張開(kāi)位移隨著荷載的變化更明顯.

橡膠顆粒表面粗糙，透水性低且富有彈性，當(dāng)材料受力變形時(shí)能在試件內(nèi)部形成分布較為均勻的可伸縮顆粒群，降低混凝土的彈性模量，提高變形能力[7].橡膠顆粒發(fā)揮彈性變形能力的同時(shí)加大了與砂漿的摩阻力和粘結(jié)力，使材料在斷裂過(guò)程中產(chǎn)生更大的變形和位移，并使裂縫尖端處的粘聚效應(yīng)變大，耗散更多能量.當(dāng)橡膠摻量超過(guò)一定量時(shí)，雖然材料的變形能力更強(qiáng)，但是材料內(nèi)應(yīng)力水平下降明顯，造成斷裂能變小.

3 結(jié)論

通過(guò)楔入劈拉試驗(yàn)的方法測(cè)定了不同摻量、粒徑的橡膠混凝土的斷裂能，研究了橡膠集料摻量和粒徑對(duì)斷裂能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)橡膠混凝土的斷裂能隨摻量的增加先增大再減小，當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)斷裂能達(dá)到最大值.橡膠摻量到達(dá)20%后斷裂能反而低于基準(zhǔn)混凝土.

(2)相同橡膠摻量下，50目橡膠混凝土中的橡膠顆粒數(shù)量更多，在破壞過(guò)程中變形更大耗能更多，因此50目橡膠混凝土的斷裂能大于30目橡膠混凝土.