玄武巖橡膠混凝土基本力學(xué)性能及受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

姜天華,莫定聰,萬聰聰,盧旭剛,李素珠

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065;2.武漢科技大學(xué)高性能工程結(jié)構(gòu)研究院,武漢 430065;3.仙游縣建工投資集團(tuán)有限公司,莆田 351200)

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,我國報(bào)廢輪胎的數(shù)量逐年增多,2022年我國報(bào)廢輪胎的數(shù)量達(dá)到了1 228萬噸,對廢棄橡膠輪胎的回收再利用刻不容緩。傳統(tǒng)回收方法比較昂貴,且對環(huán)境污染較大。將報(bào)廢橡膠輪胎加工成橡膠顆粒,摻入混凝土制成橡膠混凝土,不僅節(jié)約成本,還符合綠色、環(huán)保要求。橡膠顆粒能填充混凝土孔隙,使結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而抑制裂縫的形成與發(fā)展,增強(qiáng)其抗開裂、抗沖擊和抗震性能。橡膠的加入可以使混凝土的應(yīng)用效果得到顯著提升,但橡膠摻量過多時(shí)會使混凝土的力學(xué)性能降低[1-4]。因此,如何改善橡膠混凝土的力學(xué)性能需要進(jìn)一步研究。

為改善橡膠混凝土力學(xué)性能,考慮向橡膠混凝土內(nèi)摻入玄武巖纖維。玄武巖纖維是將玄武巖融化后,快速通過漏板拉成絲狀制成[5],其拉伸強(qiáng)度和彈性模量僅略低于碳纖維,明顯高于其他合成纖維[6],同時(shí)具有耐腐蝕、耐高溫及生產(chǎn)過程中對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。于泳等[7]研究發(fā)現(xiàn)加入玄武巖纖維后混凝土抗沖擊性能增強(qiáng)。郭耀東等[8]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能顯著提高混凝土的抗拉性能。Elshafie 等[9]研究表明當(dāng)玄武巖纖維長度在 12～24 mm,體積摻量在 0.1%～0.5%時(shí),能提升混凝土的力學(xué)性能。研究[10]表明,在玄武巖纖維和橡膠顆粒共同作用下,混凝土的孔徑分布得到有效改善,同時(shí)摻入適量玄武巖纖維能改善混凝土力學(xué)性能[11-12]。但目前對橡膠顆粒及玄武巖纖維交互耦合作用下對混凝土力學(xué)性能的影響及玄武巖橡膠混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線研究較少。

基于玄武巖橡膠混凝土的基本力學(xué)性能,本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)開展抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn),揭示了橡膠顆粒及玄武巖纖維交互耦合后對混凝土的影響規(guī)律,建立了玄武巖橡膠混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線本構(gòu)方程,旨為工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用湖北華新有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用連續(xù)級配碎石,粒徑為5～20 mm;細(xì)骨料采用天然中砂,細(xì)度模數(shù)為2.6;減水劑采用聚羧酸減水劑,減水率為 20%～25%;橡膠顆粒由廢棄輪胎經(jīng)過機(jī)器粉碎等一系列流程制得,粒徑為0.85 mm,密度為1 100 kg·m-3;纖維采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維,玄武巖纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 玄武巖纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Various performance indicators of basalt fiber

1.2 配合比

參考國內(nèi)外研究成果及相關(guān)規(guī)范要求[13-14],基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)了9 組三因素三水平正交試驗(yàn),因素A橡膠顆粒摻量采用三種水平,分別為10%、15%和20%(體積分?jǐn)?shù));因素B玄武巖纖維摻量采用三種水平,分別為0.08%、0.10%和0.12%(體積分?jǐn)?shù));因素C玄武巖纖維長度采用三種水平,分別為6、12和18 mm。采用0.38的固定水膠比,玄武巖橡膠混凝土試件配合比如表2所示,同時(shí)設(shè)置相同水膠比的普通硅酸鹽混凝土試件作為對照組。

表2 玄武巖橡膠混凝土試件配合比Table 2 Mix proportion of basalt rubber concrete specimens

1.3 試件制備及加載方法

參照規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)制作邊長為100 mm的立方體試件用于抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn),邊長為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件用于軸心抗壓試驗(yàn),邊長為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件用于抗折試驗(yàn)。標(biāo)養(yǎng)28 d后參照規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行基本力學(xué)性能測試。采用濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)型號WAW-1000 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖橡膠混凝土試件破壞形態(tài)

各組玄武巖橡膠混凝土試件在相同試驗(yàn)下破壞形態(tài)類似?？箟涸囼?yàn)加載初期,試件未產(chǎn)生明顯裂縫或表皮脫落。臨近峰值荷載時(shí),試件表面有較明顯的裂縫產(chǎn)生,且裂縫出現(xiàn)由上下端位置開始向中部發(fā)展的趨勢,加載至極限荷載時(shí)表面的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展和連通,表皮翹起但并未脫落,在玄武巖纖維的約束作用下,試件的橫向膨脹被抑制,相對于普通硅酸鹽混凝土,玄武巖橡膠混凝土裂縫較多,但完整性較好,未出現(xiàn)大面積破壞崩裂現(xiàn)象。加載超過極限荷載之后,繼續(xù)加載數(shù)秒,試件表面因裂縫的完全擴(kuò)張出現(xiàn)成片翹起,但無大面積脫落,試件少許表皮剝落或邊角破裂,無明顯壓縮變形,形態(tài)較為完整。棱柱體試件受壓破壞過程與立方體試件類似。

在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中,玄武巖纖維橡膠混凝土試件并未同普通硅酸鹽混凝土一樣完全斷裂,達(dá)到極限荷載時(shí)在劈裂面會形成一條貫穿裂縫,不同試件裂縫寬度不一但均未完全斷裂,且試件側(cè)面有延伸的裂縫形成。

在抗折試驗(yàn)加載過程中,裂縫首先在試件底部形成,然后向上延伸。超過極限荷載后試件并未斷裂,且仍能承受一定的荷載,通過觀察破壞試件可以發(fā)現(xiàn):玄武巖纖維的加入阻礙了裂縫的發(fā)展和延伸,使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性較好,承載能力得到有效提升。玄武巖橡膠混凝土試件在抗壓試驗(yàn)、軸心抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)及抗折試驗(yàn)下的破壞形態(tài)如圖1所示。

圖1 玄武巖橡膠混凝土試件在抗壓試驗(yàn)、軸心抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)及抗折試驗(yàn)下的破壞形態(tài)Fig.1 Failure morphology of basalt rubber concrete specimens under compressive test, axial compressive test, splitting tensile test and flexural test

2.2 基本力學(xué)性能

玄武巖橡膠混凝土試件基本力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。由表3可知:各組試件抗壓強(qiáng)度測試值為31.34～41.04 MPa,較對照組高出3.4%～35.4%;軸心抗壓強(qiáng)度為25.02～30.86 MPa,較對照組高出7.1%～32.1%;劈裂抗拉強(qiáng)度為2.96～3.65 MPa,較對照組高出24.9%～54.0%;抗折強(qiáng)度為4.81～6.02 MPa,較對照組高出8.8%～36.2%。直觀分析可得,C2組玄武巖橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,分別為41.04、30.86和6.02 MPa;C3組玄武巖試件劈裂抗拉強(qiáng)度最大,為3.65 MPa,略大于C2組。綜上可知,C2組試件基本力學(xué)性能測試結(jié)果較優(yōu),其配合比為A1B2C2。

表3 玄武巖橡膠混凝土試件基本力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Basic mechanical property indicators of basalt rubber concrete specimens

同時(shí)由表3可求得各因素對應(yīng)水平下強(qiáng)度平均值,繪制出各因素對基本力學(xué)性能的影響趨勢,見圖2。當(dāng)橡膠摻量由10%增加至20%時(shí),玄武巖橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別降低了16.7%、14.0%、14.0%和13.5%,說明橡膠顆粒含量過多會導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能下降;當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.08%增加至0.10%時(shí),玄武巖橡膠混凝土抗壓、軸心抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度分別提高了11.0%、8.1%、6.7%和9.9%,當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.10%增加至0.12%時(shí),玄武巖橡膠混凝土抗壓、軸心抗壓和抗折強(qiáng)度分別降低了2.8%、2.3%和1.8%,而劈裂抗拉強(qiáng)度提高了0.3%,說明適當(dāng)?shù)男鋷r纖維可以改善混凝土的力學(xué)性能;當(dāng)玄武巖纖維長度由6 mm增加至18 mm時(shí),玄武巖橡膠混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了3.8%、4.8%、2.7%和3.5%,說明纖維長度增加可以改善混凝土力學(xué)性能,但改善幅度有限。

圖2 三因素水平變化對玄武巖橡膠混凝土試件力學(xué)性能的影響趨勢Fig.2 Influence trend of changes in the level of three factors on mechanical properties of basalt rubber concrete specimens

2.3 極差分析

對表3中玄武巖橡膠混凝土各項(xiàng)基本力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,分析計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis results

由表4可知,各因素對玄武巖橡膠混凝土基本力學(xué)性能影響大小依次為A>B>C,即橡膠顆粒摻量對基本力學(xué)性能影響最大,玄武巖纖維摻量次之,玄武巖纖維長度最小。

當(dāng)測試結(jié)果為抗折強(qiáng)度時(shí),相對于玄武巖纖維摻量,橡膠摻量極差值的增長最小,為玄武巖纖維摻量極差值的1.54倍;當(dāng)測試結(jié)果為劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí),相對于玄武巖纖維長度,橡膠摻量極差值的增長最大,為玄武巖纖維長度極差值的5.44倍。玄武巖纖維摻量對玄武巖橡膠混凝土基本力學(xué)性能的影響較小,玄武巖纖維長度影響最小。當(dāng)測試結(jié)果為軸心抗壓強(qiáng)度時(shí),相對于玄武巖纖維長度,玄武巖纖維摻量極差值的增長最小,為玄武巖纖維長度極差值的1.67倍;當(dāng)測試結(jié)果為抗壓強(qiáng)度時(shí),相對于玄武巖纖維長度,玄武巖纖維摻量極差值的增長最大,為玄武巖纖維長度極差值的2.78倍。

2.4 方差分析

為了得到三個(gè)因素對玄武巖纖維橡膠混凝土力學(xué)性能的影響顯著度,降低由因素水平和誤差造成試驗(yàn)結(jié)果的差異,進(jìn)行了方差分析,結(jié)果見表5。

表5 方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results

由表5可以看出,各因素的影響顯著度與極差分析一致,均為A>B>C。對于抗壓強(qiáng)度,A因素影響為顯著,B因素影響為略顯著,C因素影響不顯著。橡膠顆粒摻量貢獻(xiàn)率最大,為67.89%,是誤差貢獻(xiàn)率的12倍;玄武巖纖維摻量貢獻(xiàn)率其次,為23.37%,是誤差貢獻(xiàn)率的4.1倍;玄武巖纖維長度貢獻(xiàn)率最低,為3.1%,是誤差貢獻(xiàn)率的0.6倍。對于軸心抗壓強(qiáng)度,A因素影響為特別顯著,B因素影響為顯著,C因素影響為略顯著。橡膠顆粒摻量貢獻(xiàn)率最大,為72.72%,是誤差貢獻(xiàn)率的53.5倍;玄武巖纖維摻量貢獻(xiàn)率其次,為19.09%,是誤差貢獻(xiàn)率的14倍;玄武巖纖維長度貢獻(xiàn)率最低,為6.83%,是誤差貢獻(xiàn)率的5倍。對于劈裂抗拉強(qiáng)度,A因素影響為特別顯著,B因素影響為顯著,C因素影響為略顯著。橡膠顆粒摻量貢獻(xiàn)率最大,為73.47%,是誤差貢獻(xiàn)率的36倍;玄武巖纖維摻量貢獻(xiàn)率其次,為20.41%,是誤差貢獻(xiàn)率的10倍;玄武巖纖維長度貢獻(xiàn)率最低,為4.08%,是誤差貢獻(xiàn)率的2倍。對于抗折強(qiáng)度,A因素影響為顯著,B因素影響為略顯著,C因素影響不顯著。橡膠顆粒摻量貢獻(xiàn)率最大,為62.33%,是誤差貢獻(xiàn)率的11.4倍;玄武巖纖維摻量貢獻(xiàn)率其次,為28.77%,是誤差貢獻(xiàn)率的5.3倍;玄武巖纖維長度貢獻(xiàn)率最低,為3.42%,是誤差貢獻(xiàn)率的0.63倍。

2.5 影響因素可視化分析

為進(jìn)一步探尋各因素之間的交互作用對玄武巖橡膠混凝土力學(xué)性能的影響,進(jìn)行了可視化分析。同時(shí)由方差分析得出,橡膠顆粒摻量對力學(xué)性能影響均為顯著,玄武巖纖維摻量對力學(xué)性能影響其次,玄武巖纖維長度對力學(xué)性能影響均為不顯著,故不參與分析,因此考慮橡膠顆粒摻量及玄武巖纖維摻量的交互作用,繪制可視化分析圖,如圖3所示。

圖3 橡膠顆粒摻量和玄武巖纖維摻量對玄武巖橡膠混凝土試件力學(xué)性能的交互耦合影響Fig.3 Interactive coupling effects of rubber particle content and basalt fiber content on mechanical properties of basalt rubber concrete specimens

由圖3(a)可知,對于抗壓強(qiáng)度,當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強(qiáng)度先增加18.4%再減少5.1%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為15%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強(qiáng)度先增加10.8%再減少1.6%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,立方體抗壓強(qiáng)度先增加3.1%再減少1.4%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對立方體抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

由圖3(b)可知,對于軸心抗壓強(qiáng)度,當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強(qiáng)度先增加13.2%再減少1.8%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為15%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強(qiáng)度先增加8.6%再減少4.6%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,軸心抗壓強(qiáng)度先增加2.0%再減少0.1%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

由圖3(c)可知,對于劈裂抗拉強(qiáng)度,當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強(qiáng)度增加11.3%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為15%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強(qiáng)度增加8.4%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,劈裂抗拉強(qiáng)度增加3.4%再減少1.6%,這表明混橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

由圖3(d)可知,對于抗折強(qiáng)度,當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強(qiáng)度先增加16.0%再減少1.7%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為15%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強(qiáng)度先增加8.0%再減少1.3%。當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí),隨著玄武巖纖維摻量由0.08%增加到0.12%,抗折強(qiáng)度先增加5.2%再減少2.2%,這表明橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

2.6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及本構(gòu)模型

為消除量綱不同帶來的問題,將玄武巖橡膠混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行無量綱處理,即將應(yīng)力σ除以峰值應(yīng)力σ0,應(yīng)變ε除以峰值應(yīng)變ε0,得到無量綱受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,玄武巖橡膠混凝土試件的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,玄武巖橡膠混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似于普通混凝土,因此參考過鎮(zhèn)海[15]提出的分段式函數(shù),對受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段及下降段分別擬合。

圖4 玄武巖橡膠混凝土試件的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of compressive stress-strain curves for basalt rubber concrete specimens

上升段:y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3

(1)

(2)

(3)

式中:a、b為相應(yīng)參數(shù),R2為擬合度,ess為回歸平方和,tss為總體平方和。

根據(jù)式(1)、(2)對各組混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合,得到參數(shù)a、b及R2,如表6所示。

表6 玄武巖橡膠混凝土試件的本構(gòu)方程參數(shù)取值Table 6 Parameter values of constitutive equation of basalt rubber concrete specimens

結(jié)果表明,對各組曲線進(jìn)行擬合結(jié)果,每組R2均大于0.97,且擬合曲線與原曲線吻合程度較高,擬合效果好。

三因素不同水平下擬合參數(shù)值如表7所示,混凝土強(qiáng)度與曲線上升段參數(shù)成反比,與曲線下降段參數(shù)成正比。由表7可知:隨著橡膠摻量增加,a值增加,橡膠顆粒的加入使得混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,b值降低,表明在試件被破壞后,橡膠顆粒起到了增韌效果,明顯改善了混凝土脆性;隨著纖維摻量增加,a值先降低后增加,纖維有效地抑制了裂縫的擴(kuò)張,應(yīng)力的增加速度小于應(yīng)變增加速度,纖維摻量過多后對結(jié)構(gòu)繼續(xù)增強(qiáng)作用不顯著,b值先增加后小幅降低,纖維過多時(shí),對混凝土變形能力有一定影響;隨著纖維長度增加,a值增加,纖維增強(qiáng)效果更加明顯,b值增加,較長的纖維在試件破裂時(shí)更能發(fā)揮其抗拉性能,減少一端被拉出的情況。綜合分析,A1B2C3配合比下的試件強(qiáng)度性能最優(yōu)。

表7 三因素不同水平下擬合參數(shù)值Table 7 Fitting parameter values under different levels of three factors

3 結(jié) 論

1)玄武巖橡膠混凝土試件受壓破壞時(shí)為延性破壞,破壞時(shí)未出現(xiàn)大面積破壞崩裂現(xiàn)象,無明顯壓縮變形,形態(tài)較為完整。受拉及抗折破壞時(shí)會出現(xiàn)貫通性裂縫,并未同普通硅酸鹽混凝土試件一樣完全斷裂。

2)基于正交試驗(yàn)極差分析與方差分析,對各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,各因素的影響程度由高到低依次為橡膠顆粒摻量、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度,由可視化分析可知,橡膠顆粒摻量的增加會降低玄武巖纖維對混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的增強(qiáng)效果,且當(dāng)纖維摻量增加時(shí),除劈裂抗拉強(qiáng)度持續(xù)增加外,其余力學(xué)強(qiáng)度先增加后減弱,纖維長度變化對各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度的影響效果較低,綜合分析最佳配合比為A1B2C3,即橡膠體積摻量為10%,玄武巖纖維體積摻量為0.10%,玄武巖纖維長度為18 mm。

3)通過擬合得到了玄武巖橡膠混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線本構(gòu)方程,進(jìn)而為玄武巖橡膠混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了理論參考。