橡膠沙漠砂混凝土的力學(xué)性能及其本構(gòu)模型

丁一哲,何明勝,2*,仇靜,袁康,2

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003; 2 新疆兵團(tuán)高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003)

隨著工程建設(shè)發(fā)展需求的增加,中砂、粗砂等資源開采嚴(yán)重破壞自然環(huán)境,建設(shè)用砂使得供需矛盾突出,目前沙漠砂混凝土(DSC)的研究越發(fā)完善,為改善DSC的缺陷,研究人員在DSC中加入粉煤灰、硅粉、纖維、瀝青、陶粒、橡膠等材料,以尋求可以改善DSC性能的新材料[1-3],已有試驗(yàn)研究并推行將DSC運(yùn)用于道路建設(shè)中[4-5],但仍存在脆性高,耐疲勞性及抗沖擊性能差等缺點(diǎn),加入破碎后的橡膠顆?；蛳鹉z粉制成的復(fù)合材料,可以填補(bǔ)混凝土在彈性變形小、耐疲勞及抗沖擊性能差等方面的缺點(diǎn),不但能夠解決一定環(huán)境及原料的問題,還能夠改良混凝土的耐凍性、耐磨性、抗?jié)B性、抗裂性、抗沖擊性及抗疲勞性[6-9]。

至今同時(shí)摻入沙漠砂和橡膠的混凝土研究較少,研究表明加入橡膠集料的DSC試塊在耐久性;抗凍性能及耐磨性能均高于摻入鋼纖維的DSC[5]。許多研究表明橡膠混凝土(CRC)在抗沖擊韌性、耗能能力方面優(yōu)于普通混凝土,但目前橡膠沙漠砂混凝土(CRDSC)提升力學(xué)性能方面的研究較少。因此,本文以沙漠砂替代率和改性橡膠集料替代率為影響因素,研究CRDSC力學(xué)性能及應(yīng)力-應(yīng)變特性,分析試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),擬合修正得到最適合CRDSC的本構(gòu)模型方程參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥取用天業(yè)牌P·O 42.5水泥,水用自來水。沙漠砂取用古爾班通古特沙漠深處沙漠砂,為特細(xì)砂,細(xì)度模數(shù)為0.335,平均粒徑為0.18 mm,堆積密度為1 615 kg/m3,主要化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)用中砂取用瑪納斯河洗砂,表觀密度2 610 kg/m3,堆積密度1 590 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.85,主要化學(xué)成分見表2。摻加橡膠顆粒為廢輪胎粉碎后得到1～3 mm的橡膠顆粒,其表觀密度為2 550 kg/m3。細(xì)骨料級(jí)配曲線見圖1。粗骨料取用石河子大學(xué)附近采石場(chǎng)粒徑為5～20 mm的天然石子,級(jí)配連續(xù),表3為其基本物理性能指標(biāo)。減水劑用HSC聚羧酸減水劑。

圖1 細(xì)骨料級(jí)配曲線

表1 沙漠砂主要化學(xué)成分 單位:%

表2 瑪納斯河洗砂主要化學(xué)成分 單位:%

表3 粗骨料物理性能指標(biāo)

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以沙漠砂和改性橡膠集料替代率為變量,替代混凝土細(xì)骨料,取改性橡膠集料替代率0%、5%、10%、15%,以及沙漠砂替換率0%、20%、40%、60%,通過單因素試驗(yàn)研究,本試驗(yàn)共設(shè)置16組配合比,每組制作6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體(3個(gè)用于立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),3個(gè)用于立方體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)),另外取用其中10組制作每一組3個(gè)150 mm×150 mm×300 mm的試件,用于進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),混凝土各成分摻量按照中國建筑行業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì),見表4。

表4 混凝土配合比

1.3 試樣制備和加載裝置

由于橡膠表面的硬脂酸基團(tuán)不能夠溶解于水但可以溶解于有機(jī)溶劑,為將橡膠集料均勻打入混凝土試塊中,本試驗(yàn)采用濃度1%NaOH水溶液將橡膠集料浸泡24 h,用清水洗至pH=6.5～7.0,在陰涼通風(fēng)環(huán)境中晾干[10]。

所有試件均采用機(jī)械攪拌,坍落度測(cè)量完畢后裝模,振搗均勻,24 h后脫模,經(jīng)YH-60B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)好后在5 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能監(jiān)測(cè)并收集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。按照根據(jù)基準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得每組配合比的基本力學(xué)性能指標(biāo)。和易性試驗(yàn)設(shè)置有對(duì)照組標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件,用標(biāo)準(zhǔn)試件得到的坍落度來衡量所有配合比混凝土的和易性。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 和易性

結(jié)果(表4)顯示:沙漠砂相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)砂有著吸水性強(qiáng)的特征,由于沙漠砂替代率的增大,降低了混凝土的坍落度,沙漠砂代替率由20%增加至60%時(shí),坍落度分別降低12%、18.67%、26.67%,橡膠集料的加入,導(dǎo)致坍落度均呈線性增大,表明DSC的和易性得到了改良。

由DSC坍落度隨著橡膠集料代替率的變化(圖3)可以看出:對(duì)于4個(gè)類別的沙漠砂混凝土組,隨著橡膠替換率的加大,坍落度均顯著提高。

圖3 橡膠替代率對(duì)沙漠砂混凝土坍落度的影響

2.2 橡膠沙漠砂混凝土立方體力學(xué)性能指標(biāo)

結(jié)果見表5。

2.2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

由橡膠集料替換率對(duì)于28 d齡期CRDSC試塊立方體抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果(圖4)可見:沙漠砂代替率一定時(shí),橡膠集料代替率的加大,導(dǎo)致28 d立方體抗壓強(qiáng)度減小;橡膠代替率由0%依次增至5%、10%、15%時(shí),混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降幅分別為2.5%、5.0%、9.0%,沙漠砂代替率20%的DSC立方體抗壓強(qiáng)度降幅分別為7.2%、12.0%、13.6%,沙漠砂代替率40%的DSC立方體抗壓強(qiáng)度降幅依次為3.1%、8.7%、15.6%,沙漠砂代替率60%的DSC立方體抗壓強(qiáng)度降幅依次為3.1%、8.2%、10.6%;DSC立方體抗壓強(qiáng)度伴隨著沙漠砂替換率的增加呈現(xiàn)出先增后降的規(guī)律,其中當(dāng)沙漠砂替換率為20%和40%時(shí),立方體抗壓強(qiáng)度均較大,加入橡膠集料后雖然下降,但橡膠集料替換率達(dá)到10%時(shí),CRDSC的抗壓強(qiáng)度依舊比標(biāo)準(zhǔn)混凝土要高。

圖4 橡膠替代率對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

普通混凝土與橡膠混凝土的破壞形態(tài)(圖5)顯示:標(biāo)準(zhǔn)混凝土在發(fā)生破壞之前沒有顯著先兆,當(dāng)接近極限荷載時(shí)裂隙迅速擴(kuò)大并且貫穿,因?yàn)榇嘈允沟迷噳K外表面剝落較嚴(yán)重,形成明顯錐形破壞的形態(tài)。隨著沙漠砂摻量的增大,在極限荷載時(shí)崩裂更加干脆,表面剝落嚴(yán)重。當(dāng)加入橡膠集料后,彈、塑性臨界點(diǎn)升高;隨著加壓裂縫逐漸增多并呈沙漏狀分布于試塊表面,試件兩側(cè)有剝落趨勢(shì),但整體完整度較好。摻入混凝土的橡膠集料有一定阻止裂縫的作用,在試塊承受荷載時(shí)作為彈性體能夠吸收一部分能量,在試塊破壞后釋放,使得混凝土表現(xiàn)出了比較低的脆性。

立方體試件在立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中,混凝土內(nèi)的沙漠砂和橡膠集料全部參與受力,沙漠砂顆粒較細(xì)骨料細(xì),適量摻入后使得混凝土內(nèi)部的孔隙愈加密實(shí),抗壓能力得到提高,橡膠集料因本身柔軟且抗壓能力較差,不參與混凝土水泥水化反應(yīng),無法像砂漿形成緊密的粘結(jié)層,與砂漿間的黏結(jié)作用較弱,最終導(dǎo)致CRC化學(xué)黏著力較低,CRC的受力性能也隨代替率的增加而降低,因此,橡膠集料對(duì)DSC立方體抗壓強(qiáng)度的影響程度較大,但其變形能力高于河砂而導(dǎo)致橡膠混凝土變形能力提高,從而具有改善DSC強(qiáng)度高而變形能力差的特點(diǎn)。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

由橡膠集料替代率對(duì)于28 d齡期CRDSC試塊劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,結(jié)果(圖6)可見:

圖6 橡膠替代率對(duì)沙漠砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

當(dāng)沙漠砂替換率由0%～60%加大時(shí),混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為先增后降,當(dāng)沙漠砂替換率為20%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度處于峰值,與普通混凝土試塊相比增大38.7%。當(dāng)橡膠集料替代率由0%～15%逐漸增加時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的規(guī)律,當(dāng)橡膠集料替代率為10%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度到達(dá)峰值,比標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊增長22.1%。當(dāng)沙漠砂替代率一定時(shí),隨著橡膠集料替代率的加大,劈裂抗拉強(qiáng)度為先降后增再降的規(guī)律,劈裂抗拉強(qiáng)度在摻入橡膠5%、10%時(shí)變化不大,當(dāng)橡膠集料替換率達(dá)到15%,劈裂抗拉強(qiáng)度變化較大且均是本試驗(yàn)組最低。當(dāng)沙漠砂依次替換0%、20%、40%、60%的河砂時(shí),橡膠集料替代率為15%的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比橡膠集料替代率為0%時(shí)分別降低11.3%、25.1%、13%、12%。

當(dāng)沙漠砂替代率為60%對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響最大,由于沙漠砂為極細(xì)砂,粒徑小而表面較光滑,大量使用來代替河砂必然導(dǎo)致混凝土級(jí)配連續(xù)性變差。在抗壓試驗(yàn)中混凝土均勻受力,抗壓強(qiáng)度大小受到的影響較小,劈裂抗拉強(qiáng)度受到的影響較大;而在劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中,立方體試塊由于局部受力,內(nèi)部缺陷起到主導(dǎo)作用,受力時(shí)混凝土缺陷進(jìn)一步放大,導(dǎo)致混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低。加入橡膠后,當(dāng)橡膠替代率為0%、5%和10%時(shí),對(duì)于DSC的影響并不是很大,這是由于加入適量的橡膠集料,混凝土受拉時(shí)橡膠集料的拉出,能夠輕微的阻礙混凝土細(xì)微裂縫的擴(kuò)展,從而抵抗部分外部荷載,增強(qiáng)劈裂抗拉強(qiáng)度;而當(dāng)橡膠代替率達(dá)到15%時(shí),橡膠抵御外部荷載的能力遠(yuǎn)小于過多的橡膠對(duì)混凝土缺陷造成的影響,替代率取10%最優(yōu)。

2.3 橡膠沙漠砂混凝土棱柱體力學(xué)性能指標(biāo)

2.3.1 軸心抗壓強(qiáng)度

橡膠替代率對(duì)CRDSC軸心抗壓強(qiáng)度影響的結(jié)果見表6。

表6 橡膠沙漠砂混凝土棱柱體力學(xué)性能指標(biāo)

由表6可知:當(dāng)沙漠砂替換率一定時(shí),橡膠替換率加大,DSC軸心抗壓強(qiáng)度下降。橡膠集料替代率由5%逐漸增至10%、15%時(shí),沙漠砂替代率20%的DSC軸心抗壓強(qiáng)度降幅分別為8.0%、21.7%,沙漠砂替代率40%的DSC軸心抗壓強(qiáng)度的下降幅度是10.7%、17.8%,沙漠砂代替率60%的DSC軸心抗壓強(qiáng)度降幅分別為6.7%、11.0%。經(jīng)過和DSC立方體抗壓強(qiáng)度受橡膠替代率影響的對(duì)比,其軸心抗壓強(qiáng)度降幅整體大于立方體抗壓強(qiáng)度降幅。

通過Origin對(duì)CRDSC軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度來擬合可以得到fc=0.69fcu,經(jīng)過測(cè)得普通混凝土fc=0.74fcu其中fc為軸心抗壓強(qiáng)度,fcu為立方體抗壓強(qiáng)度。

2.3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由沙漠砂及橡膠集料替代率對(duì)CRDSC應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響的結(jié)果(圖7)可以看出:CRDSC應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的斜率隨著橡膠集料替代率的增加而降低,且整體低于基準(zhǔn)混凝土,表明CRDSC彈性模量整體低于基準(zhǔn)混凝土;CRDSC的峰值應(yīng)力隨著橡膠集料替代率的增加而下降,表明摻入橡膠集料降低了CRDSC單軸抗壓強(qiáng)度。沙漠砂替代率一定時(shí),隨著橡膠集料替代率的增加,CRDSC的下降段較基準(zhǔn)混凝土下降段坡度變緩,表明在單軸受壓條件下,摻入橡膠集料對(duì)CRDSC的韌性有一定的改善。CRDSC和標(biāo)準(zhǔn)混凝土在軸心抗壓試驗(yàn)中均經(jīng)過彈性、彈塑性以及屈服破壞的階段,與基準(zhǔn)混凝土相比,CRDSC在受壓時(shí),沙漠砂與橡膠之間耦合情況較好,σ-ε曲線變化規(guī)律和普通混凝土σ-ε全曲線變化趨勢(shì)大致相似。

圖7 橡膠沙漠砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3.3 彈性模量

混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升階段取0.4倍fc處割線彈性模量為混凝土的彈性模量值,圖8給出了沙漠砂及橡膠集料替代率對(duì)CRDSC彈性模量的影響規(guī)律。由圖8可知:隨著沙漠砂替代率的增加,橡膠集料混凝土彈性模量呈下降趨勢(shì);隨著橡膠集料替代率的增加,沙漠砂混凝土彈性模量同樣表現(xiàn)出下降的規(guī)律。當(dāng)橡膠集料替代率為15%、沙漠砂替代率為60%時(shí),CRDSC彈性模量下降最明顯;CRDSC彈性模量整體均低于基準(zhǔn)混凝土彈性模量;當(dāng)橡膠替代率為5%、沙漠砂替代率為20%時(shí),CRDSC彈性模量相對(duì)較好。

圖8 彈性模量

2.3.4 峰值應(yīng)變

圖9為CRDSC的峰值應(yīng)變變化規(guī)律圖。由σ-ε曲線可以看出,橡膠沙漠砂混凝土的曲線變化過程與標(biāo)準(zhǔn)混凝土相近,而橡膠沙漠砂混凝土的峰值應(yīng)變整體均大于普通混凝土。

圖9 峰值應(yīng)變

由圖9可知:沙漠砂代替率對(duì)混凝土峰值應(yīng)變影響不大,當(dāng)沙漠砂代替率不變時(shí),橡膠集料代替率增大,DSC峰值應(yīng)變小幅度增加,當(dāng)橡膠集料替代率為5%時(shí),沙漠砂替代率為20%、40%、60%的混凝土峰值應(yīng)變相較于普通混凝土分別提高至1.031倍、1.054倍、1.030倍;橡膠集料替代率為10%時(shí),分別提高至1.078倍、1.075倍、1.081倍;橡膠集料替代率為15%時(shí),分別提高至1.123倍、1.124倍、1.136倍。橡膠集料的替代率對(duì)該混凝土的峰值應(yīng)變起到主導(dǎo)作用,取到合適替代率的橡膠能夠輕微改良DSC混凝土的峰值應(yīng)變。

2.3.5 極限應(yīng)變

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,極限應(yīng)變?nèi)?yīng)力-應(yīng)變曲線下降0.5fc時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變。由圖10可得:各配合比組的橡膠沙漠砂混凝土的極限應(yīng)變值均高于基準(zhǔn)混凝土。當(dāng)橡膠集料替代率一定時(shí),CRDSC極限應(yīng)變大體上隨沙漠砂替代率的增大而降低,橡膠替代率為5%時(shí),沙漠砂摻量為20%、40%、60%的混凝土極限應(yīng)變相較于普通混凝土分別提高至1.086倍、1.049倍、1.037倍;橡膠集料替代率為10%時(shí),分別提高至1.196倍、1.152倍、1.109倍;橡膠集料替代率為15%時(shí),分別提高至1.331倍、1.237倍、1.120倍。而當(dāng)沙漠砂摻量一定時(shí),CRDSC極限應(yīng)變隨橡膠集料替代率的增長而增大。

圖10 極限應(yīng)變

2.3.6 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程

由于所選取的橡膠集料替代率和沙漠砂替代率的范圍均較小,試件樣本較有限,不適合提出本構(gòu)參數(shù)根據(jù)橡膠替代率和沙漠砂替代率的變化公式。因此,參考已有的研究成果,本研究將在σ-ε曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,以國內(nèi)外學(xué)者常用模型及公式為基礎(chǔ),經(jīng)過對(duì)本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行取值并且擬合修正,最終獲得適和于CRDSC的本構(gòu)方程。在σ-ε曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸一化處理,以峰值應(yīng)力σc、峰值應(yīng)變?chǔ)與為基準(zhǔn),橫坐標(biāo)為應(yīng)變比ε/εc,縱坐標(biāo)為應(yīng)力比σ/σc,其中ε、σ分別為實(shí)際應(yīng)變和實(shí)際應(yīng)力,采用歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合。

采用CEB-FIP規(guī)范提出的公式擬合σ-ε曲線,利用Origin對(duì)各配合比組的CRDSC分別進(jìn)行非線性擬合,擬合結(jié)果見圖11,擬合得出的參數(shù)α、β1、β2和相關(guān)系數(shù)R2見表7。

圖11 應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程擬合曲線

表7 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程擬合參數(shù)

通過σ-ε擬合曲線(圖11)可以看出:σ-ε曲線上升段擬合較為吻合,下降段曲線擬合結(jié)果離散性較大,低估了CRDSC的彈性模量和受壓應(yīng)力,模型曲線低于試驗(yàn)曲線,不適用于本試驗(yàn)CRDSC的本構(gòu)方程模型,并且擬合所得曲線相關(guān)系數(shù)R2最高也僅能達(dá)到0.964,說明模擬值與試驗(yàn)值的相關(guān)性不強(qiáng)。

由圖7可以看出CRDSC的σ-ε曲線與普通混凝土σ-ε曲線趨勢(shì)非常相似,表明可以根據(jù)過鎮(zhèn)海建立的混凝土σ-ε曲線基本方程[13]擬合分析。利用Origin對(duì)各配合比組的CRDSC分別進(jìn)行非線性擬合,擬合的結(jié)果見圖12,擬合得到的上升參數(shù)αa、下降參數(shù)αd見表8。

圖12 應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程擬合曲線

表8 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程擬合參數(shù)

由擬合結(jié)果(圖12、表8)可見,過鎮(zhèn)海普通混凝土本構(gòu)模型與CRDSC試驗(yàn)σ-ε曲線擬合較好,且曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99,也說明過鎮(zhèn)海方程模型可以作為橡膠混凝土后續(xù)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)的模型[14]。

綜上所述,提出以下建議:在實(shí)際應(yīng)用中采用CEB-FIP規(guī)范中的上升段本構(gòu)模型和過鎮(zhèn)海提出的基準(zhǔn)混凝土σ-ε曲線基本方程[13]上升區(qū)擬合橡膠沙漠砂混凝土σ-ε曲線上升段,采用過鎮(zhèn)海提出的基準(zhǔn)混凝土σ-ε曲線基本方程[13]下降段擬合橡膠沙漠砂混凝土σ-ε曲線下降段。

3 結(jié)論

(1)沙漠砂替換率增長,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度先增后降;當(dāng)沙漠砂替換率一定時(shí),橡膠集料替換率的增大,DSC立方體抗壓強(qiáng)度下降。

(2)沙漠砂替換率由0%增大到60%時(shí),混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的規(guī)律,當(dāng)沙漠砂替換率一定時(shí),橡膠替換率增加,劈裂抗拉強(qiáng)度為先降后增再降的規(guī)律。

(3)沙漠砂代替率對(duì)混凝土峰值應(yīng)變影響不大,當(dāng)沙漠砂代替率一定時(shí),橡膠集料代替率增大,DSC峰值應(yīng)變小幅度增大,由此可見適當(dāng)數(shù)量的橡膠顆粒能夠輕微改善DSC的峰值應(yīng)變。

(4)由于混凝土中沙漠砂與橡膠集料耦合較好,CRDSC的σ-ε曲線與普通混凝土的較一致,基于過鎮(zhèn)海提出的數(shù)學(xué)模型對(duì)比擬合得到的CRDSC的σ-ε圖形和試驗(yàn)得到的圖形吻合良好。

(5)取用沙漠砂替代率為20%或40%、橡膠集料替代率為10%的CRDSC,并可利用廢物資源。