橡膠混凝土力學(xué)性能及疲勞性能研究

顏巖 孔昱 王迎斌 趙航 白應(yīng)華

［收稿日期］20211123

［基金項目］國家自然科學(xué)基金青年基金項目（52008158）

［第一作者］顏巖（1981-），男，湖北洪湖人，湖北工業(yè)大學(xué)講師，研究方向為新型建筑材料

［通信作者］白應(yīng)華（1975-），男，湖北應(yīng)城人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為新型混凝土材料和工程結(jié)構(gòu)

［文章編號］1003-4684（2023）02-0061-05

［摘要］為研究40%摻量的橡膠混凝土的抗壓強度和彈性模量性能，及低溫環(huán)境對其影響規(guī)律，進(jìn)行了抗壓和彈性模量試驗；對不同應(yīng)力水平下的橡膠混凝土開展抗壓疲勞試驗，通過建立疲勞方程來描述不同混凝土的抗壓疲勞特性。結(jié)果表明，40%體積摻量的橡膠混凝土抗壓強度降低34.64%，彈性模量降低28.84%。-40℃環(huán)境下橡膠混凝土抗壓強度提高3.53%，彈性模量提高16.28%。橡膠混凝土在應(yīng)力水平0.75、0.80、0.85時疲勞壽命次數(shù)分別提高83.39%、73.71%、31.11%。選用單對數(shù)疲勞方程來描述混凝土疲勞特性，得到不同混凝土回歸方程的相關(guān)系數(shù)都接近于1，可以較好地反應(yīng)混凝土的疲勞特性，為橡膠混凝土在不同應(yīng)力水平作用下疲勞壽命預(yù)測提供參考。

［關(guān)鍵詞］橡膠混凝土； 低溫； 彈性模量； 抗壓疲勞

［中圖分類號］TU528.2? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

將橡膠顆?；蛘呦鹉z粉來替代混凝土中的不同粒徑的集料，得到的橡膠混凝土，可以達(dá)到改善混凝土脆性，提高水泥的韌性，增強混凝土變形能力的效果，橡膠應(yīng)用在混凝土中是目前解決日益增多的廢舊橡膠產(chǎn)物的重要方式之一[1]。應(yīng)用在人行道、路面，橋梁伸縮縫等露天工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，需要在保證橡膠混凝土基本力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，考慮在受到來自外界極端溫度環(huán)境變化和不斷重復(fù)的長期荷載作用后橡膠混凝土性能的改變，由此不同學(xué)者對橡膠混凝土的基本力學(xué)性能及疲勞性能進(jìn)行了研究。王婷雅[2]對1～3 mm、3～6 mm和0～0.85 mm的橡膠混凝土在0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的抗壓強度進(jìn)行試驗，結(jié)合橡膠混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探究其破壞機理，發(fā)現(xiàn)3～6 mm的橡膠粒徑在-20 ℃下強度提高最多。薛剛[3]對-30 ℃環(huán)境下5%～20%橡膠摻量的橡膠混凝土應(yīng)對不同應(yīng)力速率時的動態(tài)彈性模量和軸心抗壓性能變化開展了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠粒徑減小時峰值應(yīng)變提高，動態(tài)抗壓強度降低。Chen[4]和Ganesan[5]等都使用自密實混凝土，研究了橡膠混凝土的疲勞特性，總結(jié)出自己的損傷演化模型。Liu[6-7]對摻量在0～30%以內(nèi)的再生橡膠混凝土試塊進(jìn)行了等幅的抗折疲勞試驗，闡述了試塊疲勞內(nèi)部發(fā)展的三個階段的特征。Zhang[8]和王立燕[9]通過聲發(fā)射設(shè)備對混凝土試塊內(nèi)部形態(tài)特征進(jìn)行了分析研究，劉妙燕[10]也使用聲發(fā)射進(jìn)行三點彎曲疲勞試驗，探究橡膠的摻入對混凝土斷裂特性的作用機理。付建[11]使用40目橡膠粉替代混凝土中的粗骨料，對橡膠混凝土三點彎曲疲勞特性進(jìn)行試驗研究。

不少學(xué)者對橡膠混凝土力學(xué)性能和疲勞特性進(jìn)行了探索，目前多數(shù)研究是在0～30%橡膠摻量范圍內(nèi)進(jìn)行的，本文通過將橡膠替代40%體積分?jǐn)?shù)的細(xì)骨料來制備橡膠混凝土，探究摻入橡膠后橡膠混凝土抗壓強度、彈性模量的變化，及-40℃對其抗壓、彈性模量性能的影響，研究橡膠混凝土在0.75、0.80、0.85的不同的應(yīng)力水平下抗壓疲勞壽命，結(jié)合疲勞損傷理論進(jìn)行疲勞壽命方程的構(gòu)建和對比分析[12]，為預(yù)測橡膠混凝土的疲勞壽命提供理論參考。

1??? 試驗計劃

1.1??? 原材料及配合比

本試驗使用華新堡壘武漢水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水；使用粗、細(xì)天然集料均產(chǎn)自武漢本地，細(xì)集料1為普通河砂，其細(xì)度為2.58，砂的含泥量2.67%，密度1.50 g/cm3；粗集料1為5～20? mm的小石，粗集料2為20～40 mm的大石，連續(xù)級配；使用橡膠為四川都江堰翼禾橡膠制品經(jīng)營部TRFA-1型橡膠粉，密度0.65 g/cm3，平均粒徑0.30 mm；外加劑為高效聚羧酸減水劑。

混凝土試塊的配合比設(shè)計見表1，RC表示橡膠混凝土，橡膠取代細(xì)集料的體積分?jǐn)?shù)為40%，KB為普通混凝土空白對照組。

1.2??? 試件制作

1） 抗壓、彈性模量試驗試件

分別制作RC-40、KB兩種試件，養(yǎng)護28 d。試件設(shè)計見表2。

2） 抗壓疲勞試驗試件

分別制作RC-40、KB兩種試件，養(yǎng)護90 d。試件設(shè)計見表3。

1.3??? 試驗方法

1）抗壓、彈性模量試驗：立方體抗壓試驗依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。彈性模量試驗依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，所用彈性模量試驗裝置使用型號為YA-300電液式壓力試驗機；使用位移計，精確度為0.001 mm，試驗裝置如圖1所示。圖 1??? 彈性模量試驗裝置

2）低溫試驗：使用液氮在密閉低溫實驗箱內(nèi)進(jìn)行降溫，使用PT-100低溫電偶監(jiān)測儀監(jiān)測溫度變化，TDS-530日本產(chǎn)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集溫度。將養(yǎng)護28 d的試件放入實驗箱中后，液氮降溫至-40℃后保持1 h，回溫至室溫后取出進(jìn)行抗壓和彈性模量試驗。

3）抗壓疲勞試驗：試驗根據(jù)規(guī)范GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》開展，在電液伺服疲勞試驗機上進(jìn)行，加載頻率為10 Hz，選擇的應(yīng)力水平分別為0.75、0.80、0.85。

2??? 試驗結(jié)果分析

2.1??? 橡膠對混凝土抗壓強度、彈性模量的影響

RC-40混凝土、KB混凝土28 d立方體抗壓強度和彈性模量試驗結(jié)果分別見表4、表5，混凝土抗壓強度、彈性模量試驗結(jié)果見圖2。

從表4中可知，RC-40混凝土的立方體抗壓強度下降34.64%。橡膠混凝土抗壓強度的降低是由于橡膠本身的強度較小，將40%體積摻量的橡膠摻入混凝土試塊中，混凝土試塊內(nèi)的受力承載面減少，直接導(dǎo)致試件抗壓能力的下降。橡膠表面的硬脂酸鈉等物質(zhì)的疏水性產(chǎn)生引氣效果，使橡膠和水泥基材料之間出現(xiàn)相容性差的問題，兩者無法產(chǎn)生足夠強度的粘結(jié)，界面之間會出現(xiàn)更多微縫隙。當(dāng)橡膠混凝土試件受到荷載時，上述兩個原因相互影響，由于承載面減少和集料間的應(yīng)力集中作用，橡膠和水泥基材料間的微縫隙會進(jìn)一步的發(fā)展和擴張，直到貫穿整個試件，致使試塊的整體強度出現(xiàn)大幅度下降，導(dǎo)致試件加速破壞。

由表5可知，RC-40混凝土28 d彈性模量降低28.84%。由于橡膠是一種低彈性模量的高分子有機物，彈性模量遠(yuǎn)小于水泥基中各種材料的彈性模量，在受到荷載時橡膠會吸收一部分能量，橡膠的使用可以改進(jìn)混凝土的變形協(xié)調(diào)能力[13-14]。相比于KB混凝土，RC-40混凝土內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)展速度更加緩慢[8]，橡膠的摻入會在橡膠混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力重新分布的效果，受到荷載后橡膠混凝土試塊內(nèi)部應(yīng)力松弛，導(dǎo)致混凝土試件的彈性模量出現(xiàn)大幅度降低，試驗試件破壞形態(tài)如圖3、4所示。

2.2??? 低溫對橡膠混凝土抗壓強度、彈性模量的影響

RC-40混凝土、KB混凝土在-40℃低溫后抗壓強度、彈性模量試驗結(jié)果分別見表6、表7，低溫后混凝土抗壓強度、彈性模量試驗結(jié)果見圖5。

由表6可知，RC-40混凝土立方體低溫后抗壓強度提高3.53%，KB混凝土低溫后立方體抗壓強度提高1.66%。在-40℃低溫下，混凝土內(nèi)部存在的自由水會發(fā)生凝結(jié)，結(jié)晶成為更堅固的固體狀態(tài)[2]，固態(tài)的冰硬度上升，試件的抗壓強度會出現(xiàn)小幅度上升。在橡膠混凝土中，橡膠粉的比表面積較大，其表面由于疏水性附著的水膜也更多，在低溫下，橡膠也會隨著其表面的水膜狀態(tài)的改變提高了硬度，成為基體內(nèi)受力承載的一部分，試件內(nèi)部的應(yīng)力分布情況開始改變，橡膠混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)上升趨勢。

表7??? 低溫后混凝土彈性模量試驗結(jié)果試件編號彈性模量/（N·mm2）123均值/（N·mm2）

KB3.72×1043.66×1043.72×1043.70×104

RC-403.50×1043.26×1043.74×1043.50×104

由表7可知在，RC-40混凝土在低溫后彈性模量提高16.28%；KB混凝土低溫后彈性模量則降低12.53%。在-40℃的低溫環(huán)境時，混凝土內(nèi)孔隙中的自由水凝結(jié)成冰晶，水形態(tài)體積的變化對孔隙的內(nèi)壁產(chǎn)生凍脹力[2]，破壞混凝土內(nèi)部存在的孔隙結(jié)構(gòu)，毛細(xì)孔隙之間出現(xiàn)聯(lián)結(jié)發(fā)展成微裂縫，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多缺陷，KB混凝土的彈性模量出現(xiàn)下降。在RC-40混凝土中，橡膠的摻入可以吸收一部分冰晶帶來的凍脹應(yīng)力，但橡膠粉的小體積顆粒更容易受到溫度變化帶來的影響，大量的橡膠粉的彈性變形能力受到低溫影響出現(xiàn)收縮，在恢復(fù)室溫后，應(yīng)對相同荷載環(huán)境時橡膠粉會表現(xiàn)得更加遲鈍，橡膠粉的性能經(jīng)過改變后其無法在試件內(nèi)微裂縫拓展和延伸時及時吸收荷載能量[3]，從而導(dǎo)致在低溫環(huán)境后橡膠混凝土的彈性模量升高，但其彈性模量仍低于KB混凝土。

2.3??? 橡膠粉對混凝土疲勞壽命的影響

不同應(yīng)力水平下RC-40混凝土抗壓疲勞壽命結(jié)果見表8，KB混凝土抗壓疲勞壽命結(jié)果見表9。

由表8～9可知，隨著試驗應(yīng)力水平的不斷增加，所有試塊的抗壓疲勞壽命次數(shù)都出現(xiàn)大幅度降低。在應(yīng)力水平0.75、0.80、0.85下，RC-40混凝土試塊的抗壓疲勞壽命次數(shù)均多于KB混凝土。RC-40混凝土試塊在應(yīng)力水平為0.80和0.85時的疲勞壽命次數(shù)比0.75時分別降低71.48%和98.00%；KB混凝土試塊在應(yīng)力水平為0.80和0.85時的疲勞壽命次數(shù)比0.75時分別降低69.89%和97.20%。相比普通混凝土，0.75、0.80、0.85水平應(yīng)力下RC-40混凝土的疲勞壽命次數(shù)分別提高了83.39%、73.71%、31.11%。

在普通混凝土中摻入了強度更低、彈性模量更低的橡膠，導(dǎo)致試塊內(nèi)部的缺陷增多，橡膠混凝土強度下降，橡膠混凝土疲勞壽命次數(shù)卻是增加的。由于橡膠本身的低彈性模量特性，橡膠混凝土對應(yīng)力水平的改變更加敏感，疲勞壽命次數(shù)浮動范圍更大[11]。在整個疲勞損傷的過程中，橡膠吸收能量后抵消了部分外加荷載對試塊的損傷，使得橡膠混凝土試塊擁有更好的抗變形能力，延長了RC-40混凝土在長期外加荷載下的抗壓疲勞壽命。

2.4??? S-N曲線

疲勞方程是描述疲勞性能最直觀的方法之一，不同混凝土在不同應(yīng)力水平條件下的疲勞特征需要選擇適當(dāng)?shù)姆绞絹砻枋?。通常選用的S-N曲線需要的樣本數(shù)量較少，可以較為精確的描述疲勞特性。疲勞方程由于使用的條件不同，也存在單對數(shù)、雙對數(shù)兩種形式，在N趨于無限大時使用雙對數(shù)進(jìn)行疲勞壽命的描述，本試驗中疲勞破壞的次數(shù)相對較小，更適合使用單對數(shù)方程來進(jìn)行壽命的描述，所以采用S=blgN+α描述橡膠混凝土的抗壓疲勞壽命[15-16]。試驗抗壓疲勞數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表10，根據(jù)抗壓疲勞試驗結(jié)果得到的不同試件壓壞時的疲勞壽命次數(shù)，結(jié)合不同數(shù)據(jù)對應(yīng)的應(yīng)力水平，采用線性回歸分析方法，對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的抗壓疲勞壽命曲線見圖6～7。

分別以lgN為橫坐標(biāo)，應(yīng)力水平S為縱坐標(biāo)，做出相應(yīng)試塊的疲勞方程函數(shù)圖像，結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6～7可知，S和lgN表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，驗證了RC-40混凝土和普通混凝土的疲勞壽命的確服從單對數(shù)疲勞方程。結(jié)合整理試驗數(shù)據(jù)，并將相關(guān)系數(shù)列出，進(jìn)行線性回歸分析，最終得出不同混凝土抗壓疲勞方程分別為：

RC-40：S=－0.0564lgN+1.0417

KB：S=－0.0621lgN+1.0533

由圖6～7可知，RC-40混凝土和KB混凝土試塊的回歸方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.9589和0.9652，都接近于1，表明本試驗中使用的單對數(shù)疲勞方程可以較好地擬合不同試塊的疲勞壽命，反應(yīng)不同混凝土的疲勞特性，可應(yīng)用到橡膠混凝土疲勞壽命的預(yù)測中。

3??? 結(jié)論

本研究對摻入40%橡膠粉的混凝土進(jìn)行了抗壓強度、彈性模量試驗，探究在低溫-40℃環(huán)境對橡膠混凝土抗壓強度、彈性模量的影響，并在不同應(yīng)力水平0.75、0.80、0.85下分別進(jìn)行的抗壓疲勞試驗，得出如下結(jié)論：

1）在摻入40%體積摻量的橡膠粉之后，RC-40混凝土的抗壓強度下降34.64%，彈性模量降低28.84%。在低溫后，RC-40混凝土抗壓強度提高3.53%，KB混凝土抗壓強度提高1.66%；RC-40混凝土彈性模量提高16.28%，KB混凝土彈性模量降低12.53%。摻入40%橡膠粉的RC-40混凝土試件的抗壓強度、彈性模量均出現(xiàn)下降，但在經(jīng)過低溫之后，RC-40混凝土的抗壓強度提高程度略高于空白組，彈性模量也出現(xiàn)提升。

2）在抗壓疲勞試驗中，不同應(yīng)力水平下，RC-40混凝土壓壞時的疲勞次數(shù)總是多于普通混凝土，且變化幅度更大。RC-40混凝土在0.75、0.80、0.85應(yīng)力水平下疲勞壽命相比于KB混凝土分別提高83.39%、73.71%、31.11%。

3）通過疲勞試驗，得出了混凝土的S-N曲線，擬合出了其對應(yīng)的單對數(shù)疲勞方程，其相關(guān)系數(shù)都接近于1，可以較好的反映不同混凝土的疲勞特性。隨著試驗應(yīng)力水平的提高，RC-40混凝土和普通混凝土試件可承受的疲勞壽命次數(shù)不斷降低，其對數(shù)值也在不斷減小，S-N曲線逐漸向上延伸。

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Mechanical and Fatigue Properties of Rubber Concrete

YAN Yan1， KONG Yu1， WANG Yingbin1， ZHAO Hang2， BAI Yinghua1

（1 School of Civil Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China；2 Engin. Agent Construction Management Office of Air Force Logistics Dep.， Xinjin 611430，China）

Abstract： In order to study the compressive strength and elastic modulus of 40% rubber concrete and the influence of low temperature environment on it， compressive and elastic modulus tests were carried out. Compressive fatigue tests were conducted on rubber concrete at different stress levels， and the compressive fatigue characteristics of different concrete were described by establishing fatigue equation. The results show that the compressive strength and modulus of elasticity of rubber concrete with 40% volume fraction are reduced by 34.64% and 28.84%.The compressive strength and elastic modulus of rubber concrete are increased by 3.53% and 16.28% at 40 C. The fatigue life times of rubber concrete at stress levels of 0.75， 0.80 and 0.85 are respectively increased by 83.39%， 73.71% and 31.11%.The single logarithmic fatigue equation is used to describe the fatigue characteristics of concrete， and the correlation coefficients of different concrete regression equations are close to 1， which can better reflect the fatigue characteristics of concrete and provide reference for the fatigue life prediction of rubber concrete under different stress levels.

Keywords： rubber concrete; low temperature; elastic modulus; compressive fatigue

［責(zé)任編校： 裴琴］