循環(huán)荷載下橡膠混凝土的斷裂特性

徐穎，卜靜武，劉雨夕，徐英才

(揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車的生產(chǎn)量和使用量持續(xù)上升，隨之而來的問題是大量廢棄輪胎的處理。從資源再生的角度出發(fā)，對廢棄輪胎進(jìn)行清洗、破碎，加工成橡膠顆粒摻入混凝土中是一種有效的廢棄輪胎的處理方法。用橡膠顆粒取代部分河沙摻入混凝土中，能夠提高混凝土的延展性、抗裂性、抗疲勞性、抗沖擊性和沖擊吸收性能等[1-2]。因此，橡膠混凝土的研究和利用對可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)常會遭受地震、風(fēng)荷載及動水壓力往復(fù)作用。在上述循環(huán)荷載作用下，混凝土往往會進(jìn)入非線性損傷，破壞過程非常復(fù)雜。因此，研究循環(huán)荷載下橡膠混凝土損傷破壞特性是混凝土力學(xué)特性的重點內(nèi)容。Eldin等[3]為研究不同粒徑橡膠顆粒混凝土的強(qiáng)度和韌性，測定了混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗集料被橡膠代替時，其抗壓強(qiáng)度降低了85%，抗拉強(qiáng)度降低了50%，試件破壞模式表現(xiàn)為延性破壞。Grinys等[4]研究了橡膠粉(CR)制彈性骨料的細(xì)觀組成對混凝土靜載斷裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠改性混凝土斷裂能是素混凝土的3.5～5.4倍。張劍洪[5]通過三點彎曲斷裂試驗研究表明，結(jié)構(gòu)斷裂能隨橡膠顆粒摻量的增加先增大后減小，在摻量為8%時斷裂能達(dá)到最大。曹國瑞等[6]開展了三點彎曲梁斷裂試驗，研究不同橡膠摻量下橡膠混凝土的斷裂能，結(jié)果表明，摻量在0%～14%范圍內(nèi)時，斷裂能隨橡膠摻量增加而增加，摻量在6%～10%之間時，增幅更為明顯。Raad等[7]通過彎拉疲勞試驗研究表明，與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比，橡膠混凝土的疲勞性能得到了改善，橡膠混凝土在疲勞荷載下耗散能和疲勞破壞次數(shù)相比素混凝土明顯增加。梁春華等[8]對混凝土試件進(jìn)行了單軸循環(huán)加載試驗，發(fā)現(xiàn)耗散能與試件破壞程度密切相關(guān)，耗散能越大，試件破壞程度越明顯。Chen等[9]對普通混凝土試件進(jìn)行了不同應(yīng)力比的循環(huán)軸拉試驗，發(fā)現(xiàn)4種不同應(yīng)力比循環(huán)荷載下耗散能隨加載歷程均呈現(xiàn)先減小，后趨于穩(wěn)定增長的趨勢，臨近破壞前加速增大。馬振洲等[10]利用MTS試驗機(jī)對帶有預(yù)制裂縫的混凝土三點彎曲梁試件進(jìn)行了峰后循環(huán)加載試驗，研究了循環(huán)荷載下混凝土耗散能的演化規(guī)律，結(jié)果表明，耗散能隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。黃朝廣等[11]研究了循環(huán)荷載下受凍融破壞混凝土的能量耗散規(guī)律及破壞形態(tài)，研究結(jié)果表明，在不同的加載階段，混凝土能量耗散速率也不同，即混凝土裂縫擴(kuò)展速率不同。

目前，關(guān)于橡膠顆?；炷翑嗔褤p傷特性的研究大多通過單調(diào)加載試驗完成[12-13]，關(guān)于橡膠顆?；炷猎谘h(huán)加載作用下的斷裂力學(xué)性能及能量耗散規(guī)律的研究還很少。筆者擬開展帶缺口混凝土梁三點彎曲斷裂試驗，研究循環(huán)加載工況下橡膠摻量對混凝土斷裂能和耗散能的影響規(guī)律，從能量角度探究橡膠混凝土斷裂特性及損傷破壞機(jī)理。

1 試驗

1.1 試驗材料

拌制橡膠混凝土的原材料包括水泥、河沙、碎石、橡膠顆粒、自來水和減水劑。水泥采用強(qiáng)度等級42.5的普通硅酸鹽水泥。河沙級配和粒徑符合規(guī)范《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)[14]，表觀密度為2 540 kg/m3。粗骨料為最大粒徑20 mm的石灰?guī)r碎石。橡膠顆粒粒徑在2～4 mm之間，密度為1 060 kg/m3，吸水性較小，可忽略不計。為了改善新拌橡膠混凝土的流動性，摻入水泥質(zhì)量0.5%的聚羧酸高效減水劑。

1.2 試件準(zhǔn)備

等體積取代混凝土拌合物中的河沙，將橡膠顆粒摻入其中，橡膠顆粒取代比例為0、5%、10%、15%、20%。橡膠混凝土配比如表1所示。

表1 橡膠混凝土配合比

在橡膠混凝土拌和過程中，為了使橡膠顆粒均勻分散在混凝土中，采用先干拌120 s，后加水再攪拌120 s的攪拌方法。將攪拌均勻的橡膠混凝土拌合物澆筑在尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試模中。24 h后拆模，置于溫度20 ℃、濕度90%以上的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。試驗前用切割機(jī)對養(yǎng)護(hù)好的試件預(yù)切長30 mm、寬2 mm的裂縫。另外，為了測試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，每種橡膠混凝土分別成型3個邊長150 mm的立方體試件和3個直徑73 mm、高146 mm的圓柱體試件。

1.3 強(qiáng)度試驗

為了研究橡膠混凝土的基本力學(xué)特性，首先開展了橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗和單軸抗拉試驗。利用三思液壓伺服試驗機(jī)測試邊長150 mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度，加載過程利用荷載控制加載速率為0.3～0.5 MPa/s。單軸抗拉強(qiáng)度試驗參考Chen等[15]的試驗方法，用強(qiáng)力結(jié)構(gòu)膠將加工好的鋼制圓盤分別粘貼在混凝土圓柱體試塊兩端，使其成為一個整體。為了使試件始終處于軸拉受力狀態(tài)，用專門加工的球餃作為傳力裝置。加載控制方式為應(yīng)變控制，加載應(yīng)變率為10-6/s。加載過程中同時采集應(yīng)變和荷載信號。同時，根據(jù)單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算橡膠混凝土的彈性模量。

1.4 三點彎曲斷裂試驗

利用液壓閉環(huán)伺服材料試驗機(jī)MTS322通過三點彎曲加載測試方法對預(yù)切裂縫的橡膠混凝土梁進(jìn)行斷裂試驗，測試裝置及試件示意圖如圖1所示，梁的有效跨度S為300 mm。夾式引伸計固定在試件底部預(yù)制裂縫兩端，可以實時監(jiān)測裂縫口張開位移。為了研究循環(huán)彎拉荷載下橡膠混凝土材料的斷裂損傷過程，分別通過CMOD控制加載過程實現(xiàn)了荷載-裂縫口張開位移的單調(diào)加載全過程曲線的測試以及荷載控制的循環(huán)荷載-裂縫口張開位移曲線的測試。荷載控制的等幅循環(huán)試驗應(yīng)力強(qiáng)度因子比值(荷載幅與峰值荷載的比值)為0.95，加載頻率為1 Hz。每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次。

圖1 三點彎拉試驗裝置及試件尺寸示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度

表2給出了橡膠混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度及彈性模量。從表2可以看出，與基準(zhǔn)樣素混凝土相比，摻入橡膠顆粒的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度及彈性模量均有明顯下降，其中橡膠摻量對強(qiáng)度的影響更大。

表2 橡膠混凝土基本力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載-裂縫口張開位移曲線

圖2為單調(diào)加載工況下橡膠混凝土的荷載-裂縫口張開位移(P-CMOD)曲線，可見橡膠混凝土的P-CMOD曲線變化趨勢與普通混凝土的P-CMOD曲線相同，但峰值荷載、峰值荷載對應(yīng)的裂縫口張開位移以及曲線上升段和下降段的傾斜程度有細(xì)微差別。隨著橡膠顆粒摻量增加，峰值荷載(試件失穩(wěn)荷載)有減小的趨勢，峰值荷載對應(yīng)的裂縫口張開位移有逐漸增大的趨勢，如表3所示，這與橡膠混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果一致。用橡膠顆粒取代部分河沙的混凝土失穩(wěn)荷載降低，一方面是因為橡膠顆粒的彈模較小，承載能力小；另一方面，橡膠顆粒與水泥漿基體的粘結(jié)強(qiáng)度降低，橡膠混凝土抵抗裂縫擴(kuò)展的能力相應(yīng)減小。失穩(wěn)荷載對應(yīng)的裂縫口張開位移增大的主要原因是橡膠顆粒的塑性較好。

圖2 單調(diào)加載下荷載-裂縫口張開位移曲線

表3 單調(diào)加載下橡膠混凝土峰值荷載及對應(yīng)的裂縫口張開位移

圖3為典型的等幅循環(huán)荷載下橡膠混凝土的荷載-裂縫口張開位移曲線，從中可以看出，由于設(shè)定的循環(huán)加載上限比值為0.95，超過了橡膠混凝土的比例極限，因此P-CMOD曲線上的第一個卸載曲線與加載曲線形成一個開放的滯回環(huán)，說明此時橡膠混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的塑性變形。隨著加載過程的持續(xù)，形成的滯回環(huán)開始變得密集，裂縫口張開位移增長幅度變慢，說明塑性變形或者裂縫擴(kuò)展速率較緩慢。在試件臨近破壞時，滯回環(huán)開始變得疏松，裂縫口張開位移增長幅度加快，此時試件內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫開始聚合形成新的宏觀裂縫，損傷累積或塑性變形累積速度加快，試件發(fā)生急劇失穩(wěn)破壞。從圖中還可以直觀地看出試件卸載剛度(卸載曲線的割線斜率)逐漸減小，且剛度衰減速度與裂縫擴(kuò)展規(guī)律一致。循環(huán)加載初期剛度衰減較快，然后逐漸變慢，臨近破壞時衰減速度加快。

圖3 荷載控制循環(huán)加載下荷載-裂縫口張開位移曲線

為了直觀地分析裂縫口張開位移的變化規(guī)律，將循環(huán)加載上限對應(yīng)的裂縫口張開位移隨加載循環(huán)比(加載循環(huán)次數(shù)N/加載至破壞時的循環(huán)次數(shù)Nf)的累積過程繪于圖4中。圖4表明極限裂縫口張開位移累積過程呈典型的3階段：快速累積-線性穩(wěn)定累積-加速累積。加載初始和臨近試件破壞時的快速累積階段在整個加載過程占比例較少，緩慢累積階段持續(xù)時間較長。

圖4 極限裂縫口張開位移隨循環(huán)加載的累積曲線

2.3 破壞形態(tài)

圖5為典型橡膠混凝土試件的斷裂面，素混凝土試件裂縫擴(kuò)展斷面主要由水泥砂漿基體、粗骨料和界面過渡區(qū)3部分組成，而橡膠混凝土的斷裂面上除此3部分以外還均勻分布著橡膠顆粒。相比于河沙，橡膠顆粒彈模較小，其承載能力較弱，故而橡膠顆粒摻入量越大相當(dāng)于固體承載材料越少，導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低。另一方面，從橡膠混凝土斷裂面可以看出，橡膠摻量為0、5%和10%的橡膠混凝土斷裂面上有較多的粗骨料發(fā)生斷裂，說明橡膠摻量較少時，粗骨料與水泥砂漿界面的粘結(jié)力較大，甚至超過了粗骨料的強(qiáng)度，因此橡膠混凝土強(qiáng)度也較大。當(dāng)橡膠摻量達(dá)到15%和20%時，斷裂面上粗骨料發(fā)生斷裂的情況明顯減少，主要是因為橡膠摻量較多時，橡膠顆粒和水泥漿的界面取代了水泥漿和砂的界面，而橡膠顆粒和水泥漿的界面粘結(jié)力比砂漿界面粘結(jié)力小，因此，橡膠混凝土中界面強(qiáng)度減小，粗骨料的強(qiáng)度大于界面粘結(jié)力，不會發(fā)生斷裂，橡膠混凝土的強(qiáng)度主要取決于界面強(qiáng)度。

圖5 試件破壞形態(tài)

2.4 斷裂能

為了更加全面地分析橡膠顆粒對試件裂縫擴(kuò)展的影響，研究了橡膠混凝土的斷裂能變化規(guī)律。斷裂能表示裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量，反映混凝土抵抗裂縫擴(kuò)展的能力。根據(jù)JCI-S-001標(biāo)準(zhǔn)[16]，斷裂能計算公式為

(1)

(2)

式中：GF1為斷裂能，N/m；W0為P-CMOD曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，N·m；W1為自重和加載裝置所做的功，N·m；Alig為斷裂韌帶面積，mm2；L為試件總長，400 mm；l為試件有效跨度，300 mm；m1為試件自重，kg；m2為放置在試件上的加載裝置的重量，kg；g為重力加速度，為9.807 m/s2；CMOD為試件破壞時的裂縫口張開位移，mm。

受試驗時間和試驗機(jī)剛度的限制，荷載未能卸載到零點，為了獲得真實的斷裂能值，對P-CMOD尾部曲線斷裂能進(jìn)行修正[17]，公式為

(3)

式中：Psp1為試件破壞時的荷載，kN；w1為P-CMOD曲線上Psp1對應(yīng)的裂縫口張開位移，mm；h為韌帶高度，mm；t為試件厚度，mm。

根據(jù)Polies[18]建議，以荷載-裂縫口張開位移曲線代替荷載-位移曲線計算所得的斷裂能值應(yīng)乘以1.1的系數(shù)，斷裂能計算結(jié)果列于表4。

表4 斷裂能計算結(jié)果

從表4可以看出，橡膠摻量為5%時斷裂能略有下降，此時橡膠在混凝土材料中占比較少，其抵抗變形的能力發(fā)揮不明顯，反而由于橡膠顆粒與基體結(jié)合力不足削弱了其抵抗荷載的能力，因此，與素混凝土相比，其斷裂能略降低。橡膠摻量在5%～15%范圍內(nèi)時，斷裂能隨橡膠摻量的增加而增大，但增幅不明顯；橡膠摻量由15%上升至20%時，斷裂能顯著增大，增幅為19.8%。斷裂能的增長是由于隨著橡膠摻量的增加，裂縫擴(kuò)展斷面上橡膠顆粒數(shù)目增多，橡膠顆粒通過自身變形吸收部分外力做的功，與基體和骨料共同發(fā)揮阻裂作用，此時裂縫擴(kuò)展需要消耗更多的能量。

2.5 耗散能

循環(huán)加卸載過程中滯回環(huán)的面積能反映橡膠混凝土破壞過程中的裂縫擴(kuò)展情況，將滯回環(huán)面積與斷裂韌帶面積的比值定義為耗散能，表征混凝土的損傷程度。耗散能的試驗結(jié)果見表5，從表中可以看出，循環(huán)荷載下，隨著橡膠顆粒摻入，單個滯回環(huán)的耗散能均值在1 N/m左右，偏差在-21.2%～ 16.8%之間，因此，耗散能均值受橡膠顆粒摻量的影響不明顯。橡膠混凝土總耗散能隨橡膠顆粒含量的增加有逐漸增大的趨勢，說明試件的總耗散能不受橡膠混凝土強(qiáng)度的影響。從循環(huán)荷載下P-CMOD滯回曲線可以看出，橡膠摻量越多，試件循環(huán)破壞次數(shù)越大，因此，可以初步判定耗散能與循環(huán)加載次數(shù)有關(guān)，循環(huán)破壞次數(shù)越大，橡膠混凝土的總耗散能越大，但是和同一組橡膠混凝土相比，始終不超過其斷裂能。

表5 耗散能計算結(jié)果

圖6表示循環(huán)荷載下耗散能隨循環(huán)次數(shù)的變化過程。從圖中可以看出，5種橡膠摻量的混凝土耗散能隨循環(huán)次數(shù)的變化過程基本一致，即耗散能隨加載歷程呈現(xiàn)先快速增加然后趨于穩(wěn)定增長，臨近破壞前加速增大的“三階段”破壞過程。加載初始階段，試件含有初始缺陷，隨著外力作用，內(nèi)部微裂隙快速發(fā)育，裂縫萌生需要消耗能量，因而耗散能快速增加。在反復(fù)加卸載之后，初始缺陷逐漸消除，內(nèi)部微裂縫平穩(wěn)發(fā)展，耗散能也趨于穩(wěn)定，此階段占疲勞破壞周期的大部分。在循環(huán)加載過程中，試件內(nèi)部損傷持續(xù)累積，故耗散能也逐漸增大。臨近破壞時，試件內(nèi)部損傷累積到一定程度，裂隙快速產(chǎn)生，試件破碎程度加劇，此時耗散能加速增大直至試件完全斷裂，這與裂縫口張開位移的變化規(guī)律一致。

圖6 單個滯回環(huán)耗散能隨循環(huán)次數(shù)的演化曲線

3 結(jié)論

1)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量隨著橡膠摻量的增加有逐漸減小的趨勢。

2)單調(diào)加載工況下橡膠混凝土的失穩(wěn)荷載隨著橡膠摻量的增加呈逐漸減小的趨勢，峰值荷載對應(yīng)的裂縫口張開位移和斷裂能則隨橡膠摻量的增加逐漸增大。

3)循環(huán)加載工況下，裂縫口張開位移和耗散能隨加載過程的持續(xù)呈快速增長-穩(wěn)定增長-加速增長的“三階段”累積過程，卸載剛度則逐漸衰減，試件內(nèi)部損傷逐漸累積。

4)單個滯回環(huán)耗散能均值隨橡膠顆粒的摻量變化規(guī)律不明顯?？偤纳⒛茈S著橡膠摻量的增加呈逐漸增大的趨勢，但始終不超過其斷裂能。