橡膠混凝土的應力—應變曲線試驗
基金項目：河南省重點科技攻關項目（092102210074） 作者簡介：袁 群（1966），男，湖南洞口人，教授級高級工程師，工學博士，Email：yuanqun1@371.net。 摘要：為研究橡膠顆粒粒徑和摻量對橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變、割線模量和泊松比的影響變化規(guī)律，以C25強度的普通混凝土為基準，用60目膠粉、1～3 mm膠粒及3～6 mm膠粒等體積取代細骨料，配制成100 mm×100 mm×300 mm橡膠混凝土棱柱體試件，通過應變片測定橡膠混凝土在軸心壓力作用下的應力應變曲線。結果表明：與基準混凝土相比，橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變和割線模量均較小，且有隨著橡膠摻量增大而減小的趨勢；橡膠混凝土的泊松比前期比基準混凝土大，后期比基準混凝土小；橡膠顆粒粒徑越小時這種差距越大，總體上表現出與橡膠顆粒粒徑及摻量之間具有合理的相關關系。 關鍵詞：橡膠混凝土；應力應變曲線；泊松比；峰值應變；割線模量 中圖分類號：TU528.41 文獻標志碼：A 0 引 言 如何妥善處理日益增加的廢舊輪胎橡膠已經成為全球環(huán)境與資源方面的一個熱點問題，而橡膠水泥土和橡膠混凝土的開發(fā)和應用開辟了回收利用廢舊輪胎橡膠的一個新思路。 研究表明，橡膠顆粒的摻入不但改變了水泥土或混凝土的組成成分，也使它們的材料性能發(fā)生了變化，這包括它們的本構關系即應力應變關系的改變[13]。王鳳池等[4]測定了縱橫2個方向應力應變曲線，研究了水泥摻量、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑等因素對橡膠水泥土力學性能指標的影響變化規(guī)律，指出隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠水泥土模量呈降低趨勢，其降低速率遞減；橡膠水泥土的泊松比隨著橡膠粉摻量的增加而增加。馮文賢等[5]對高強橡膠混凝土進行了單軸受壓試驗，得到了不同摻量、不同橡膠粉粒徑的高強橡膠混凝土的應力應變曲線，根據曲線特點提出了包含上升段本構參數A和下降段本構參數α的高強橡膠混凝土單軸受壓本構方差，研究發(fā)現，A和α隨著膠粉摻量的增加而減小，橡膠粉的粒徑對本構參數A和α的影響不明顯。王婧一等[6]對普通混凝土和橡膠混凝土進行了單軸受壓試驗研究，得到了混凝土的單軸受壓應力應變全曲線，結果表明，橡膠混凝土單軸受壓應變峰值分別為普通混凝土的1.74倍和1.92倍。 橡膠顆粒從形態(tài)上可細分為粒狀、條狀、纖維狀和粉狀等多種形式，由于摻入混凝土橡膠顆粒形態(tài)的變化也會引起混凝土性能發(fā)生變化，因此目前針對橡膠混凝土的性能包括應力應變關系的研究還需進一步深入。本文中筆者選用粒狀和粉狀橡膠顆粒摻入混凝土，測定橡膠混凝土在軸心壓力作用下的應力應變曲線，研究橡膠顆粒粒徑和摻量對橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變、割線模量和泊松比的影響變化規(guī)律。 1 試驗設計 1.1 試驗方法 試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試件，試驗時在試件2個相對側面各粘貼1個長10 cm的應變片，在另外2個相對側面垂直粘貼2個長5 cm的應變片，應力、應變數據通過YJ33靜態(tài)電阻應變儀采集，加載速度為0.1 mm·min-1，加載速度通過WAW1000電液伺服試驗機控制，應力每增加1 MPa采集一次數據（圖1）。為避免形成應力集中，減少端部受力不均勻對試驗結果產生的影響，試驗正式加載前均進行預加載，預加荷載參照立方體試件抗壓強度試驗結果，取預估軸壓峰值荷載的30%～40%，每個試件重復加載3次。由于試驗方法的限制，本文中僅對上升段的應力應變關系進行分析研究。試驗每組6個試件，從試驗結果中選取較好的3條應力應變曲線，在相同應變處取應力的平均值，得到每組試件的平均應力應變曲線，下面將分別分析3種粒徑橡膠混凝土的應力應變曲線規(guī)律。 式中：Ec為割線模量；fc為極限應力；ε為0.4倍極限應力對應的應變。 1.2 試驗材料 水泥選用河南省三星水泥工業(yè)有限公司生產的復合硅酸鹽水泥P.C 32.5，物理力學性能指標見表1。粗骨料為石灰?guī)r碎石，二級配，石子粒徑分為5～10 mm，10～20 mm兩種，兩者質量摻量之比為4∶6，表觀密度為2 732 kg·m-3，級配合格。細骨料為河砂，細度模數2.70，最大粒徑5 mm，連續(xù)級配，表觀密度為2 703 kg·m-3，性能良好。橡膠顆粒選用河南武陟某膠粉廠生產的60目膠粉（對應篩網孔徑為250 μm）、1～3 mm膠粒及3～6 mm膠粒，密度為1 119 kg·m-3。 對于基準混凝土，水泥、水、砂、石子的配合比為380∶215∶650∶1 155，水灰比為0.57，砂率為0.36，混凝土密度為2 400 kg·m-3，28 d強度為27.2 MPa。用橡膠顆粒等體積取代砂（混凝土配合比除了砂和橡膠摻量不同外，其他成分均相同，這樣保證了相同水灰比下骨料的總體積不變）制備混凝土 試件，取橡膠摻量（質量分數，下同）分別為5%， 10%，15%，20%，30%，則對應的橡膠用量分別為13.5，26.9，40.4，53.8，80.7 kg·m-3。不摻入橡膠顆粒的混凝土用JZ表示，摻入3～6 mm膠粒的混凝土試件用RCD表示，摻入1～3 mm膠粒的混凝土試件用RCZ表示，摻入60目膠粉的混凝土試件用RCX表示。2 試驗結果分析 2.1 橡膠混凝土應力應變曲線的基本特征 圖2～4分別為摻入3～6 mm膠粒、1～3 mm膠粒、60目膠粉的混凝土上升段應力應變關系。由圖2～4可以看出，3種橡膠混凝土應力應變關系上升段與基準混凝土類似，應變上升段經歷了彈性階段、彈塑性階段、內部裂縫形成階段[7]。與基準混凝土相比，橡膠混凝土的彈性極限和內部裂縫開展點的應力、應變較小，橡膠混凝土的峰值應力和峰值應變也較�。ㄖ挥蠷CD5，RCX10，RCX15略大于基準混凝土），隨著應變的增加，應力增長緩慢。 2.2 峰值應力與峰值應變 圖5，6分別為橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變與橡膠摻量的關系。圖5中3種橡膠混凝土的峰值應力均是隨著橡膠摻量的.增大而減小，其中摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的峰值應力隨著橡膠摻量的增加基本呈線性降低，摻量30%時的峰值應力只有10 MPa。橡膠顆粒本身強度小，與水泥土的結合也較弱，在混凝土中成為薄弱點，從而降低了混凝土的峰值應力。而摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應力離散性較大，說明較大橡膠顆粒和橡膠粉在混凝土中不易均勻分布，致使混凝土的不均勻性增大，橡膠摻量相同時，3種橡膠混凝土相比，則是摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應力大致相當，兩者均大于1～3 mm膠粒的橡膠混凝土。圖6中，摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的峰值應變隨著橡膠摻量的增加而減小，摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應變在摻量0%～15%時增大了，在摻量15%～30%時減小了，峰值應變的這種階段性變化也說明了較大橡膠顆粒和橡膠粉在混凝土中分布的不均勻性。 2.3 割線模量 圖7為橡膠混凝土割線模量的變化規(guī)律。摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的割線模量基本是隨著橡膠摻量的增加而減小，在摻量5%～15%時混凝土的割線模量降低幅度在10%左右，當摻量大于15%時，割線模量開始加速下降，摻量30%時橡膠混凝土的割線模量降至基準混凝土的63%。摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的割線模 量隨著橡膠摻量的增加而下降，只有個別摻量的橡膠混凝土的割線模量略大于基準混凝土，割線模量的離散主要是由3～6 mm膠粒和60目膠粉在混凝土中的不均勻分布引起的。 2.4 泊松比 如圖8～10所示，橡膠混凝土的泊松比μ隨著應力σ的增加而增大�；鶞驶炷翍Ζ以�0～0.4fc變化時泊松比的增長幅度緩慢，在0.4fc～1.0fc變化時泊松比增幅較大。當混凝土應力較小時（σ≤0.4fc），與基準混凝土類似，橡膠混凝土的泊松比基本不變，接近常值，各種混凝土泊松比的范圍在0.15～0.30之間，泊松比有隨著橡膠取代量增大而增加的趨勢。圖8中，在應力σ0.7fc時則相反。圖9中，在應力σ 而在應力σ>0.62fc時則相反；圖10中，在應力σ0.6fc時則相反。這表明橡膠混凝土在變形前期彈塑性較基準混凝土好，后期能量吸收多，裂縫開裂小。在應力σ0.7fc時，泊松比由大到小依次為RCD5，RCD30，RCD15，RCD20，RCD10，順序基本相反。同樣的規(guī)律在RCZ橡膠混凝土、RCX橡膠混凝土中也有體現。橡膠混凝土與基準混凝土的泊松比之差的最大值基本都出現在σ=0.9fc時，且RCD橡膠混凝土與基準混凝土的泊松比之差最大只有0.2，而RCZ橡膠混凝土達到了0.4，RCX橡膠混凝土則達到了0.6。 3 結 語 �。�1）與基準混凝土相比，橡膠混凝土的彈性極限、內部裂縫開展點的應力、應變、峰值應力和峰值應變均較小。 �。�2）橡膠混凝土上升段0.4倍極限應力時的割線模量基本上都小于基準混凝土，且有隨著橡膠取代量增大而減小的趨勢，1～3 mm膠粒的橡膠混凝土這一規(guī)律較為明顯。 �。�3）橡膠混凝土的泊松比前期比基準混凝土大，而后期比基準混凝土小，且橡膠顆粒粒徑越小時這種差距越大。RCD橡膠混凝土與基準混凝土的泊松比之差最大只有0.2，而RCZ橡膠混凝土達到了0.4，RCX橡膠混凝土則達到了0.6，差距依次增大。 �。�4）試驗結果表明，橡膠混凝土的峰值應力、峰值應變、割線模量和泊松比總體上表現出與橡膠粒徑及摻量具有合理的相關關系，但也存在著明顯的不規(guī)律性，反映出橡膠混凝土材料性能本身具有較大的隨機不穩(wěn)定性。 參考文獻： [1] 劉 鋒，潘東平，李麗娟，等.橡膠混凝土應力和強度的細觀數值分析[J].建筑材料學報，2008，11（2）：144151. [2]焦楚杰，張傳鎂，張文華.橡膠混凝土研究進展[J].重慶建筑大學學報，2008，30（2）：138145. [3]田 薇，鄭 磊，袁 勇.橡膠混凝土脆性的試驗研究[J].混凝土，2007（2）：3740. [4]王鳳池，燕 曉，黃志強，等.橡膠水泥土模量與泊松比的變化規(guī)律[J].沈陽工業(yè)大學學報，2010，32（4）：499452. [5]馮文賢，魏宜達，李麗娟，等.高強橡膠混凝土單軸受壓本構關系的試驗研究[J].新型建筑材料，2010（2）：1215. [6]王婧一，王立燕，張亞梅.彈性橡膠混凝土壓、彎變形性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2008（2）：610. [7]過鎮(zhèn)海.混凝土的強度和變形試驗基礎和本構關系[M].北京：清華大學出版社，1997.
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