考慮溫度作用的橡膠混凝土動態(tài)軸心抗壓性能

薛 剛,董亞杰,曹美玲,高 鵬

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

近年來,我國汽車產(chǎn)業(yè)迅猛增長,帶動了橡膠工業(yè)的快速發(fā)展,我國已成為世界橡膠消耗第一大國,2017年汽車輪胎年產(chǎn)量已超過9億條,與此同時產(chǎn)生超過3億條的廢舊輪胎,并且以8%～10% 的速度急劇增加[1]。廢舊輪胎是難以處理的固體廢棄物,不僅需要占用大量土地進行堆放,還容易滋生蚊蠅甚至引發(fā)火災(zāi),造成環(huán)境污染。合理回收、利用廢舊橡膠,有助于節(jié)約資源,促進環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。將橡膠粉摻入混凝土中制成橡膠混凝土(Crumb Rubber Concrete,CRC),不僅可減輕廢舊橡膠帶來的環(huán)保壓力,還可改善混凝土材料的抗裂、抗折、抗沖擊、減振、降噪等性能,是一種適于承受動力荷載的工程材料[3-4]。與普通混凝土相比,橡膠混凝土的抗壓強度和抗折強度均有所降低,但折壓比提高,混凝土韌性得到改善。將橡膠混凝土用于道路工程,斷板率預(yù)計比普通混凝土降低30%[5]。郭永昌[6]對橡膠混凝土在多應(yīng)變率下的抗沖擊壓縮性能進行了研究,結(jié)果表明,橡膠粉的摻入改變了混凝土的破壞形式,混凝土的抗沖擊性能得到提高。袁兵等[7]研究了橡膠混凝土在不同應(yīng)變率下的抗壓性能,結(jié)果表明,橡膠混凝土抗壓強度隨應(yīng)變率增大而提高,當(dāng)應(yīng)變率增大一個數(shù)量級時,抗壓強度最大增幅達(dá)28.27%。周金枝等[8]研究了橡膠混凝土密度與抗壓強度關(guān)系,提出橡膠混凝土的抗壓強度和密度可以通過擬合線性方程來有效預(yù)測。姚新紅等[9]研究高溫后橡膠混凝土抗壓強度變化及孔結(jié)構(gòu)分析,結(jié)果表明,溫度相對于摻量對橡膠混凝土的強度的影響要更大。季衛(wèi)娟[10]研究了不同改性方法的橡膠混凝土抗壓及抗凍性能,結(jié)果表明,與基準(zhǔn)混凝土相比,橡膠混凝土抗凍性能有所改善。Yang Linhu等[11]對+20 ℃和-25 ℃的橡膠混凝土的力學(xué)性能進行了對比研究,結(jié)果表明,低溫時,橡膠混凝土仍表現(xiàn)出良好的延性。K.Murat等[12]研究了橡膠瀝青混凝土的能量損失,為橡膠混凝土的低溫性能研究提供了新的思路。E.R.Alan等[13]研究了橡膠混凝土的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)橡膠粒徑及含量對橡膠混凝土抗凍性有著顯著影響,水的凍脹是導(dǎo)致橡膠混凝土凍融損傷的主要因素[14]。目前,有關(guān)橡膠混凝土在常溫下的力學(xué)性能研究較多,考慮溫度效應(yīng)的力學(xué)性能,特別是動態(tài)力學(xué)性能研究不夠充分?；诖?筆者對低溫-30 ℃下,橡膠混凝土在不同加載速率下的抗壓性能進行試驗研究與分析,以期為寒冷地區(qū)橡膠混凝土在路面工程上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥:采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥,其物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥的物理性能指標(biāo)Table 1 Physical properties of cement

細(xì)集料:最大粒徑為5 mm,表觀密度為2 620 kg/m3,堆積密度為1 512 kg/m3,含泥率為2.1%,孔隙率為34.5%。

砂:細(xì)度模數(shù)均值為2.74,屬中砂。

粗集料:碎石粒徑為5～25 mm,顆粒級配滿足規(guī)范要求,表觀密度為2 685 kg/m3,堆積密度為1 546 kg/m3,壓碎指標(biāo)為9.6%,孔隙率為44%。

橡膠粉:選用0.85 mm和0.3 mm兩種粒徑,表觀密度為1 050 kg/m3。具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of rubber crumb

礦物摻合料:粉煤灰為Ⅱ級,礦渣粉等級為S95級。

減水劑:聚羧酸系高性能減水劑,減水率Q≥25%。

1.2 配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55—2011)進行配合比設(shè)計,普通混凝土設(shè)計強度等級為C30。砂率取0.42,水膠比取0.4。采用兩種粒徑的橡膠粉分別以5%、10%、15%、20%等體積替代細(xì)骨料摻入混凝土中。普通混凝土及橡膠混凝土的配合比見表3。

表3 試樣配合比Table 3 Mix proportions of the rubber concrete specimens kg/m3

注:NC-0.4表示水膠比0.4,橡膠摻量0的普通混凝土;CRC-20-5表示橡膠粒徑為0.85 mm,橡膠摻量5%的橡膠混凝土；CRC-50-5表示橡膠粒徑為0.3 mm,橡膠摻量5%的橡膠混凝土。

1.3 試件制作及養(yǎng)護

采用60 L強制式攪拌機對混凝土進行攪拌,按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2016)測試混凝土拌合物的和易性。棱柱體試樣長寬高為150 mm×150 mm×300 mm,置于振動臺上振動兩次,每次振動20 s。在溫度為(20±2)℃條件下靜置24 h后拆模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。從養(yǎng)護室中取出,放在干燥的(20±5) ℃環(huán)境下放置48 h,測取試件含水率,在試塊側(cè)表面粘貼應(yīng)變片。試件分為常溫和低溫兩組,常溫組是在25 ℃下靜置72 h后進行試驗,低溫組是將試件放入-30 ℃的冰箱中冷凍72 h后立即取出進行試驗。9種配合比,每種配比18個試件,分為用于常溫和低溫情況下3種速率的動態(tài)試驗,共162個棱柱體試件。

1.4 試驗方法

抵抗動荷載的能力是橡膠混凝土重要的路用性能之一。依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2019),混凝土軸心抗壓強度為30～60 MPa時,靜態(tài)強度的加載速率可取30 MPa/min,筆者以靜態(tài)強度加載速率為基準(zhǔn),并以高于靜態(tài)強度加載速率2倍和4倍的速率加載,研究橡膠混凝土的動態(tài)軸壓性能。在每個棱柱體試件的兩個對面中心位置各粘貼2個相互垂直的應(yīng)變片,縱向應(yīng)變片測量試件開裂前的軸向應(yīng)變,同時用于檢查試件是否對中。動態(tài)抗壓強度的試驗步驟如下:

(1)試件就位后安裝量測儀器,并進行幾何對中,之后調(diào)試動態(tài)應(yīng)變采集設(shè)備。

(2)預(yù)加載。預(yù)加載至極限荷載的15%～20%,檢查液壓伺服加載設(shè)備和動態(tài)測試裝置是否正常工作。預(yù)加載中,觀察四個應(yīng)變片的應(yīng)變是否相等,相差不應(yīng)超過10%,否則卸載后,調(diào)整試件位置,重新進行預(yù)加載,直至滿足要求。

(3)正式加載。加載過程應(yīng)連續(xù)均勻地加荷,用荷載控制,以30 MPa/min,78 MPa/min,126 MPa/min三種應(yīng)力速率進行單軸壓縮試驗。

(4)當(dāng)試件接近破壞開始急劇變形時,應(yīng)調(diào)整試驗機油門,直至破壞,記錄破壞荷載。試驗中,觀察該試件的裂縫形態(tài)。荷載和位移信號由計算機采集,動態(tài)應(yīng)變儀采集試件應(yīng)變數(shù)據(jù),將測到的應(yīng)變平均后取值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

常溫25 ℃下普通混凝土及橡膠混凝土試件在不同應(yīng)力速率加載情況下的軸壓破壞形態(tài)如圖1所示,圖中CRC代表橡膠混凝土(Crumb Rubber Concrete,CRC)。低溫-30 ℃下普通及橡膠混凝土試件在不同應(yīng)力速率加載情況下的軸壓破壞形態(tài)如圖2所示。圖1、圖2中NC-126、CRC-78等分別表示普通混凝土和橡膠混凝土試件在126 MPa/min和78 MPa/min等應(yīng)力速率下的狀態(tài)。

圖1 常溫25 ℃下試件受壓破壞形態(tài)Fig.1 Pressure failure mode of the specimens at normal temperatures(25 ℃)

從圖1、圖2中可以看出,普通混凝土與橡膠混凝土的破壞模式不同。普通混凝土在常溫25 ℃以及低溫-30 ℃條件下,試件側(cè)面、上下端面和邊角損壞嚴(yán)重,破壞面骨料劈裂現(xiàn)象明顯,破壞時伴有較大的爆裂聲且破壞突然,屬于壓潰型破壞。

圖2 低溫-30 ℃下試件受壓破壞形態(tài)Fig.2 Pressure failure mode of the specimen at low temperatures(-30 ℃)

橡膠混凝土在常溫25 ℃以及低溫-30 ℃下,破壞均呈現(xiàn)出延性特征,破壞前有開裂過程,破壞時試件較為完整,破壞面為斜向的剪切滑移面,屬于剪切滑移破壞,試件破壞基本符合庫倫破壞準(zhǔn)則。不同的是,在常溫25 ℃下,破壞面大致沿試件的對角線方向,其與水平軸之夾角約為60°;而在低溫-30 ℃下,破壞面與水平軸之夾角約為70°,即破壞面與水平軸之夾角變大。

普通混凝土與橡膠混凝土破壞模式不同的原因在于,橡膠集料彈性模量小并具有一定變形能力[15]。在低溫環(huán)境下,橡膠集料的彈性模量有所提高,橡膠顆粒在混凝土中表現(xiàn)出的彈性變形作用更加突出,比常溫吸收的能量更多,因而延性破壞特征更加明顯。常溫及低溫下,橡膠混凝土在不同應(yīng)力速率下的破壞規(guī)律類似,應(yīng)力速率越大,試件破壞越嚴(yán)重。同一加載速率情況下,低溫情況加載過程比常溫情況漫長,試件破損比常溫情況嚴(yán)重。

2.2 動態(tài)抗壓強度

動態(tài)軸心抗壓強度是指材料經(jīng)受動荷載時抵抗破壞的能力[16],橡膠混凝土的動態(tài)軸心抗壓強度隨應(yīng)力速率的變化趨勢見圖3所示。

圖3 25 ℃與-30 ℃下橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度值Fig.3 Dynamic compressive strengths of the rubber concrete specimens under normal(25 ℃)and low(-30 ℃)temperature conditions

由圖3可知,與常溫25 ℃相比,低溫-30 ℃下橡膠混凝土的動態(tài)軸心抗壓強度增長明顯。應(yīng)力速率為30 MPa/min時,CRC-20-10在-30 ℃的動態(tài)軸心抗壓強度比25 ℃時提高了55.32%,應(yīng)力速率分別為78 MPa/min及126 MPa/min時,提高幅度分別為45.53%和41.29%。

摻入橡膠粉后,混凝土抗壓強度有所降低。配比相同的橡膠混凝土,低溫抗壓強度比常溫25 ℃強度高。主要原因在于,一方面是隨著溫度降低,混凝土內(nèi)部孔隙中水凝結(jié)成冰,孔隙被強度較高的冰填實,導(dǎo)致塊體承載能力變強;另一方面,低溫時橡膠集料的彈性模量大幅增加,抵抗荷載的能力有所提高[17-18]。

由圖3還可知,無論常溫25 ℃還是低溫-30 ℃,隨著應(yīng)力速率的增大,橡膠混凝土的單軸動態(tài)抗壓強度有所增強。應(yīng)力速率為30 MPa/min時得到的混凝土抗壓強度為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度,當(dāng)應(yīng)力速率由30 MPa/min增加到78 MPa/min、126 MPa/min時,常溫25 ℃下CRC-50-15的動態(tài)抗壓強度比準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度分別提高18.71%和40.03%,低溫-30 ℃下CRC-50-15的動態(tài)抗壓強度分別提高了11.46%和21.55%。動荷載作用增大時,試件逐步產(chǎn)生裂紋直至破壞,應(yīng)力速率增大后,裂縫擴展的速度加快,直接穿過強度較高的區(qū)域(如粗骨料),試樣的破壞荷載得以提高。另外,試樣在破壞過程中吸收一定的能量,當(dāng)應(yīng)力速率增大后,荷載作用時間變短,需通過提高峰值應(yīng)力來積聚試件破壞需要的能量[19]。

圖4 對應(yīng)力速率比值取的對數(shù)與各試驗配比的橡膠混凝土強度增量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the logarithm of stress rate ratio and the strength increment of rubber concrete

由圖4可知,常溫及低溫情況下,應(yīng)力速率比的對數(shù)lg(σd/σs)與各試驗配比的橡膠混凝土強度增量fd/fs關(guān)系接近線性關(guān)系。按式(1)進行擬合,參數(shù)A回歸結(jié)果及擬合度R2見表4所示。

表4 常溫與低溫下應(yīng)力速率與橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度增量函數(shù)表達(dá)擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of stress rate and dynamic compressive strength increment function of rubber concrete under normal and low temperature

(1)

由表4可知,該式能較好反映不同溫度下橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度與應(yīng)力速率的變化規(guī)律。

CRC-20的動態(tài)抗壓強度與橡膠摻量關(guān)系如圖5所示。

圖5 CRC-20橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度與橡膠摻量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the dynamic compressive strength and the rubber content

當(dāng)橡膠摻量較小時,橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度隨加載速率提高,增長幅度較大。隨著橡膠摻量增加,動態(tài)抗壓強度隨加載速率提高而增幅有所減小。常溫25 ℃下,當(dāng)應(yīng)力速率分別為30 MPa/min和126 MPa/min時,基準(zhǔn)混凝土抗壓強度分別為42.46 MPa和49.64 MPa。橡膠摻量為5%時,CRC-20橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度較基準(zhǔn)混凝土抗壓強度的降幅分別為16.75%和57.87%;橡膠摻量為20%時,CRC-20橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度較基準(zhǔn)混凝土抗壓強度的降幅分別為13.34%和52.68%。在低溫-30 ℃下,當(dāng)應(yīng)力速率分別為30 MPa/min和126 MPa/min時,基準(zhǔn)混凝土抗壓強度分別為50.27 MPa和60.32 MPa。橡膠摻量為5%時,CRC-20橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度較基準(zhǔn)混凝土抗壓強度的降幅分別為13.25%和50.43%;橡膠摻量為20%時,CRC-20橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度較基準(zhǔn)混凝土抗壓強度的降幅分別為14.39%和48.34%。

CRC的動態(tài)抗壓強度隨著橡膠摻量的增加而逐漸減小,低溫與常溫下橡膠混凝土動態(tài)抗壓強度的降低幅度與靜態(tài)強度基本一致。

圖6為動態(tài)抗壓強度與橡膠粒徑之間的關(guān)系。

圖6 動態(tài)抗壓強度與橡膠粒徑之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the dynamic compressive strengths and the rubber particle size

由圖6可以看出，動態(tài)抗壓強度隨橡膠粒徑增大而提高,但提高幅度非常有限。橡膠粉粒徑越小填充混凝土內(nèi)分布的范圍越大,界面之間的粘結(jié)強度減弱,造成動態(tài)抗壓強度下降。橡膠摻量為10%～15%、粒徑為0.85 mm的橡膠混凝土低溫動態(tài)抗壓強度與常溫強度相比,提高幅度最為明顯。

2.3 不同應(yīng)力速率下的變形特性

2.3.1 動態(tài)彈性模量

橡膠混凝土的變形性能通過動態(tài)彈性模量和峰值應(yīng)變來體現(xiàn)[21-22]。將40%峰值應(yīng)力處所對應(yīng)的割線模量作為混凝土的彈性模量。峰值應(yīng)變越大表明變形能力越強。橡膠混凝土在不同溫度、不同應(yīng)力速率下的彈性模量如圖7所示。

圖7 常溫及低溫下橡膠混凝土在不同應(yīng)力速率下的彈性模量Fig.7 Elastic modulus of the rubber concrete specimens with different loading rates under normal and low temperature conditions

由圖7可知,不同溫度下橡膠混凝土的動態(tài)彈性模量隨應(yīng)力速率的增加而提高。應(yīng)力速率為 30 MPa/min時的彈性模量為準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量,當(dāng)應(yīng)力速率分別為78 MPa/min和126 MPa/min時,常溫25 ℃下CRC-20-15橡膠混凝土的彈性模量比準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量分別提高9.88%和16.88%;低溫-30 ℃下CRC-20-15橡膠混凝土的彈性模量比準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量分別提高4.56%和10.96%。提高的主要原因在于,試件受到?jīng)_擊荷載作用時,隨著應(yīng)力速率增大,橡膠混凝土內(nèi)部的微裂縫得不到充分?jǐn)U展,導(dǎo)致動態(tài)彈性模量變大。

2.3.2 峰值應(yīng)變

圖8為常溫及低溫下橡膠混凝土在不同應(yīng)力速率下的峰值應(yīng)變。

圖8 常溫及低溫下橡膠混凝土在不同應(yīng)力速率下的峰值應(yīng)變Fig.8 Peak strain of the rubber concrete specimens under normal and low temperature conditions at different loading rates

由圖8可知,與30 MPa/min相比,應(yīng)力速率分別為78 MPa/min 、126 MPa/min時,常溫25 ℃ 下CRC-20-15峰值應(yīng)變分別增加了5.49%、9.53%;而低溫-30 ℃條件下峰值應(yīng)變分別增加9.32%、17.72%。當(dāng)應(yīng)力速率分別為30 MPa/min、78 MPa/min、126 MPa/min時,CRC-20-15在低溫-30 ℃下的峰值應(yīng)變較常溫25 ℃分別提高5.92%、9.81%、10.73%。低溫下橡膠混凝土的峰值應(yīng)變增加幅度高于常溫,且隨著應(yīng)力速率提高,峰值應(yīng)變增幅越大。低溫下橡膠混凝土仍具有較強的變形能力。圖9為CRC-20-15峰值應(yīng)變與應(yīng)力速率的變化關(guān)系。當(dāng)橡膠摻量一定時,不同溫度下橡膠混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)力速率的增大而增大,基本呈線性關(guān)系。

圖9 橡膠混凝土CRC-20-15峰值應(yīng)變與應(yīng)力速率的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between the peak strains and stress rates of the RC-20-15 rubber concrete

袁兵[7]在常溫條件下對橡膠混凝土應(yīng)力速率與峰值應(yīng)變關(guān)系進行了研究，但在低溫條件下,應(yīng)力速率對橡膠混凝土影響規(guī)律還鮮有報道。筆者試驗得到的常溫與低溫下的橡膠混凝土在不同應(yīng)力速率下的峰值應(yīng)變隨橡膠摻量變化如圖10所示。

圖10 橡膠混凝土峰值應(yīng)變與橡膠摻量之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between the peak strains and amounts of rubber content

由圖10可知,當(dāng)應(yīng)力速率和溫度一定時,峰值應(yīng)變隨橡膠摻量的增加而增大,試樣的變形性能提高。橡膠摻量越多,CRC材料受到動荷載發(fā)生破壞時,可聚集更多的應(yīng)變能。主要原因在于,橡膠顆粒為彈性體,在橡膠混凝土試件水化、干燥過程產(chǎn)生的收縮變形時,能吸收部分能量,減小收縮應(yīng)力和初始裂縫,有助于提高變形能力。隨著橡膠摻量的增加,不同應(yīng)力速率下的橡膠混凝土峰值應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且低溫下橡膠混凝土峰值應(yīng)變總是高于常溫。從橡膠混凝土峰值應(yīng)變上看,低溫下橡膠摻量范圍宜控制在10%～15%時,此時變形性能最佳。

4種橡膠摻量下峰值應(yīng)變與橡膠粒徑之間的關(guān)系如圖11所示。

從圖11中可以看出,無論粒徑為0.85 mm還是0.3 mm的橡膠粉都明顯提高了混凝土的峰值應(yīng)變,橡膠顆粒粒徑越小,峰值應(yīng)變略有增大,但橡膠粒徑對于混凝土的峰值應(yīng)變的影響并不明顯。

圖11 CRC峰值應(yīng)變與橡膠粒徑之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between the peak strains and the rubber particle size

3 結(jié) 論

(1)橡膠混凝土在動態(tài)荷載下的破壞過程與靜態(tài)荷載情況不同,呈現(xiàn)更明顯的延性特征。高應(yīng)力速率下,橡膠混凝土試件破壞面骨料劈裂現(xiàn)象明顯,較多的粗骨料被破壞。

(2)橡膠混凝土的動態(tài)抗壓強度隨著橡膠摻量的增加而逐漸減小,降低幅度與靜態(tài)情況類似。不同橡膠摻量的混凝土動態(tài)抗壓強度均隨加載速率的增加而提高,強度增量與應(yīng)力速率的對數(shù)呈線性關(guān)系。橡膠集料粒徑減小時,動態(tài)抗壓強度略有降低,但變化幅度并不明顯。

(3)常溫與低溫下橡膠混凝土的動態(tài)彈性模量、峰值應(yīng)變均隨著應(yīng)力速率的增加而增大。隨著橡膠摻量的增加,不同應(yīng)力速率下的橡膠混凝土峰值應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且低溫下橡膠混凝土峰值應(yīng)變總是高于常溫情況。橡膠集料粒徑減小時,峰值應(yīng)變略有增大,但變化幅度并不明顯。