橡胶自密实混凝土断裂性能及声发射特征

陈徐东, 黄业博, 陈 晨

(河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098)

数据[1]显示,每年全球有近10亿条轮胎达到使用寿命,其中50%以上未经任何处理就进行填埋,造成了严重的生态环境污染.随着高速公路等工程建设需求的日益增长,推广高韧性混凝土显得尤为必要.将废旧轮胎加工成橡胶颗粒掺入到混凝土中,不仅可以消耗大量废旧橡胶,解决环保问题,还能增强混凝土的韧性[2].此外,运用自密实技术能够有效提高橡胶颗粒与水泥基体的黏结效果,使其性能更优[3].Turatsinze等[4]发现,掺入橡胶颗粒可使自密实混凝土的抗压强度和弹性模量有所降低;罗素蓉等[5]研究表明,掺入橡胶后自密实混凝土的断裂韧性与抗裂性能明显改善.然而现有研究大多是断裂力学参数的计算,对橡胶颗粒影响自密实混凝土断裂性能的机制尚不明确.声发射(AE)能够简便快捷地判别混凝土在受力状态下内部缺陷的产生与发展,可以有效评价混凝土材料破坏机制[6-7].如胡少伟等[8]研究发现利用声发射特征参数可以判断试件起裂及失稳临界时刻;Chen等[9]指出声发射信号可用于监测疲劳裂纹的发展情况.

本文结合声发射技术开展了4种橡胶掺量(体积分数)自密实混凝土的三点弯曲梁断裂试验,基于声发射特征参数分析方法,对不同橡胶掺量自密实混凝土的断裂性能进行研究.

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥,海螺水泥厂产,性能指标均满足GB 175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》规定,表观密度为3.10g/cm3,烧失量为1.99%.粉煤灰：Ⅰ级,表观密度为2.25g/cm3,烧失量为1.78%.硅灰：Ⅰ级,烧失量为1.8%.橡胶：由橡胶轮胎在常温下切割制得,其外观见图1,粒径为2.76～4.75mm,物理性能见表1.砂：细度模数为2.56的天然河砂,各项标均满足GB/T 14684—2001《建筑用砂》规定.粗骨料：普通碎石,最大粒径不超过20mm,表观密度为2.6g/cm3,堆积密度为1.49g/cm3.减水剂：聚羧酸型减水剂,南京瑞迪高新技术有限公司提供.拌和水：自来水.

图1 橡胶颗粒外观Fig.1 Appearance of rubber particles

表1 橡胶颗粒的物理性能

1.2 配合比设计及试件制备

选择一种自密实混凝土的配合比作为基准配合比,在保持胶凝材料用量及水胶比一定的前提下,按照0%、10%、20%和30%的比例用橡胶颗粒等体积替代细骨料,得到4组橡胶自密实混凝土配合比(见表2),其相关性能见表3.

表2 橡胶自密实混凝土配合比

表3 橡胶自密实混凝土的工作性能和力学性能

橡胶自密实混凝土试件尺寸为400mm×100mm×100mm,试件在浇筑完成且养护1d后拆模,随后洒水养护至28d.预制裂缝在试件养护结束后切割而成,厚度为2mm,初始缝高比(初始裂缝长度(a)与试件总高度(D)之比)为0.3.

1.3 试验方案

1.3.1断裂试验

橡胶自密实混凝土三点弯曲梁断裂试验采用MTS-322液压伺服试验机进行加载,跨度为300mm.采用夹式引伸计测量试件裂缝口张开位移(CMOD),并用该CMOD值控制加载,加载速率为0.001mm/s.试验开始前,在试件裂缝开口两侧相距6mm处分别贴上厚度为1.5mm的小铁片,用于安装引伸计.对4种橡胶自密实混凝土试件进行4次重复试验.

1.3.2声发射检测系统

试验使用美国PAC公司研制的八通道SAMOSTM声发射检测系统,动态监测裂缝的开展情况,门槛值设为35dB,前置增益为35dB,滤波频率为1～60kHz.在试件前后表面布置4个传感器,具体位置见图2,传感器布设前在声发射传感器与试件的接触面上涂抹凡士林,并采用松紧带缠绕固定传感器.

由图5可知，菜籽油是香辣香菇风味酱的主要组成部分，因此菜籽油的用量对风味酱的口味有着重要的影响。油量过多，香菇酱过于油腻；油量过少，香菇酱口感粗糙，香味不够，口感不好；用量200 mL时最佳，感官评分为89分。

图2 声发射设备示意图Fig.2 Schematic diagram of AE device(size:mm)

2 试验结果及分析

2.1 断裂力学性能

2.1.1P-CMOD曲线

为便于比较,对重复试验中相同CMOD值下的荷载(P)取平均值,得到4种橡胶自密实混凝土试件的P-CMOD曲线,如图3所示.由图3可知：随着橡胶掺量的增加,试件的峰值荷载整体上呈现小幅下降趋势,同时P-CMOD曲线的峰后软化阶段变得更加平缓,说明橡胶自密实混凝土的延性有所改善.主要原因是橡胶颗粒属于弹性体,具有较低的弹性模量和较强的变形能力,使自密实混凝土的强度和弹性模量略低于基准混凝土,而在断裂试验中,橡胶颗粒不仅会像均匀分布的小弹簧一样承担部分弯曲荷载,还能发挥类似于纤维的作用,阻止微裂缝扩展,延缓新裂缝出现,提高变形能力,从而在对橡胶自密实混凝土峰值荷载影响不大的情况下,显著提高其延性和韧性.

图3 4种橡胶自密实混凝土的P-CMOD曲线Fig.3 P-CMOD curves of four kinds of rubber self-compacting concretes

2.1.2断裂能

断裂能为裂缝扩展单位面积时外力所做的功(假定外力所做的功全部用于裂缝的扩展),是用于表征材料抵制裂缝扩展能力的一个断裂力学参数.根据图3中的P-CMOD曲线,采用式(1)、(2)对裂缝口张开位移即CMOD=0.4mm时的断裂能Gf(N/mm) 进行求解[10],结果见表4.

表4 橡胶自密实混凝土断裂试验结果

(1)

(2)

式中：W0为P-CMOD曲线所包围面积,即断裂过程中所做的功,N·mm;W1为试件和加载支座在重力作用下所做的功,N·mm;Alig为梁断裂带面积,mm2;S为试件跨度,mm;L为试件长度,mm;m1为试件质量,kg;m2为试件上方加载支座质量,kg；g为重力加速度，m/s2.

由表4可知：与基准混凝土相比,橡胶颗粒的掺入提高了自密实混凝土试件的断裂能,且随橡胶掺量的增加,试件断裂能呈现出明显上升趋势,当橡胶掺量为10%、20%和30%时,试件断裂能分别较基准混凝土提高1.5%、18.5%和21.0%,当橡胶掺量由10%提高至20%时,试件断裂能提升幅度最为显著,达到16.8%.其原因是随着橡胶掺量的增加,自密实混凝土裂缝扩展界面上橡胶颗粒数目逐渐增多,除水泥基体和原有骨料对裂缝扩展起到阻碍作用外,橡胶颗粒还通过自身产生压缩或拉伸变形吸收部分外荷载对自密实混凝土所做的功,使得断裂能有所增加.

2.2 声发射特征分析

2.2.1累计振铃计数和累计撞击次数

声发射信号活度可以通过单位时间内所发生的振铃计数或累计振铃计数曲线来表述,以表征声发射信号源的活动程度,反映材料缺陷,如裂纹的实时变化和发展情况.累计振铃计数增长越快,表明声发射信号活度越大,说明材料损伤发展速率越快.

图4展示了不同橡胶掺量下,试件荷载、声发射累计振铃计数及累计撞击次数随时间的变化关系曲线.由图4可见：在不同橡胶掺量条件下,试件的声发射累计振铃计数、累计撞击次数与时间的关系曲线中均出现了2个较为明显的拐点.其中,第1个拐点对应荷载峰值,随后荷载曲线进入到软化阶段,声发射累计振铃计数和累计撞击次数的增长速率出现了较为明显的提高;第2个拐点出现在声发射累计振铃计数和累计撞击次数曲线软化阶段,此时声发射累计振铃计数和累计撞击次数的增长速率降低.

图4 试件荷载、累计振铃计数和累计撞击次数随时间变化关系曲线Fig.4 Relation curves of load, cumulative counts and hits vs. time

Hu等[11]在研究边界效应对混凝土断裂能的影响时引入了局部断裂能(gf)的概念.gf表示单位长度裂缝稳定增长区域的断裂能,基于此，得到新的断裂能计算表达式,两者表达式见式(3)、(4),其原理如图5所示.因此可以认为图4中第2个拐点的出现是由混凝土边界效应所引起的,表明此时混凝土内部裂缝扩展到了边界区域.随着橡胶掺量的增加,混凝土边界区域的长度有所减小,当橡胶掺量从10%增加到20%时,该长度变化最大,符合前文所述的断裂能变化规律.

图5 局部断裂能和边界效应示意图Fig.5 Schematic diagram of local fracture energy and boundary effect

(3)

(4)

图6为试件累计振铃计数、累计撞击次数与橡胶掺量的关系.由图6可知,随着橡胶掺量的增加,试件累计振铃计数和累计撞击次数逐渐减少,说明橡胶的掺入降低了声发射信号的活性.其主要原因有：橡胶颗粒破坏时的声发射信号较弱,幅值低于门槛值,从而使信号活度降低;橡胶颗粒连接裂缝之间的空隙降低了裂缝扩展的锋利程度,对裂尖能量进行了有效吸收和传递,降低了信号的活度;橡胶颗粒可以吸收部分声波,从而使得声发射信号减弱.

图6 累计振铃计数、累计撞击次数与橡胶掺量的关系Fig.6 Relationship between cumulative counts,cumulative hits and rubber content

2.2.2声发射事件数

一般测量方法只能分析试件表面发生的位移或应变,而在声发射技术中,由于所测得的声波是时间和空间的函数,可以通过弹性波到传感器的传播时间、传播速度等数据实现声发射源的三维定位,并通过声发射源的位置映射出混凝土梁内部的裂纹和损伤情况.

材料的1个声发射事件是指1个或几个撞击所鉴别出来的1次局部变化.本文利用AE-WIN软件得到声发射源的位置,如图7所示.图7中展示了信号源在主视、俯视和侧视3个平面的分布情况.由图7可知：声发射源的位置主要集中在断裂带的两侧,累计事件数和橡胶掺量之间没有明显的定量关系,但随着橡胶掺量的增加,声发射源位置点密集分布区域的宽度有所增加.此外,与基准混凝土试件相比,橡胶自密实混凝土试件顶部区域的声发射事件数有明显增加.产生这一现象的主要原因是,在试验加载过程中,当裂缝尚未发育贯穿至基准混凝土顶部时,试件已基本不具备承载能力,被视为破坏,加载因此终止,而橡胶自密实混凝土在裂缝基本贯穿到试件顶部时仍具有一定承载能力,说明掺入的橡胶起到了提高混凝土延性的作用.

图7 声发射源位置图Fig.7 AE source location

Ranjbar等[12]研究认为,声发射事件数的分布情况与混凝土断裂区宽度有直接关系.本文以5mm为1个单位区间,假定断裂区内任意区间所包含的事件数均不小于Nmax的20%(Nmax表示不同区间所包含事件数的最大值),可以得到断裂区宽度(WFPZ),结果见图8.由图8可以看出：声发射事件数最大的区间基本出现在试件预制裂缝附近,在断裂区以外的区间上声发射事件数均小于Nmax的20%,断裂区宽度随着橡胶掺量的增加而增加.这说明掺入橡胶能够将外荷载作用所产生的能量进行有效扩散,从而提高材料的韧性[13].

图8 不同橡胶掺量下声发射事件数沿试件长度方向的分布情况Fig.8 Distribution of AE events along the length of specimens under different rubber contents

2.2.3RA-AF值

上升角(RA)值即上升时间与幅值的比值,为上升时间段信号包络线梯度的倒数.平均频率(AF)值为振铃计数与持续时间的比值.若RA值小,AF值大,则说明信号波形梯度大,脉冲窄,信号频率高,符合拉伸裂纹产生的信号特征,反之符合剪切裂纹产生的信号特征.因而,高RA值、低AF值对应剪切破坏,而低RA值、高AF值对应拉伸破坏.RA值和AF值可用来分析混凝土的破裂模式[14].

图9为4种橡胶自密实混凝土试件的RA-AF关系曲线.由图9可以看出,当橡胶掺量增加时,与基准混凝土试件相比,橡胶自密实混凝土试件的RA值显著减小,相比之下,AF值表现出一定程度的增大,表明橡胶自密实混凝土试件拉伸裂纹比例逐渐增加,拉伸破坏的趋势增大.

图9 不同橡胶掺量下试件的RA-AF关系曲线Fig.9 RA-AF relation curves of specimens under different rubber contents

3 结论

(1)橡胶掺量对橡胶自密实混凝土峰值荷载的影响较小,但对其P-CMOD曲线荷载下降段的影响较大.橡胶自密实混凝土的断裂能随着橡胶掺量的增加而增大,说明自密实混凝土中掺入适量橡胶后,其延性和韧性得到提升.

(2)橡胶自密实混凝土的断裂破坏过程受“边界效应”的影响明显.橡胶掺量的增加使得橡胶自密实混凝土边界区域长度减小,声发射信号活度降低.声发射定位可用于计算橡胶自密实混凝土断裂过程区宽度,该宽度值随橡胶掺量的增加而增加,橡胶颗粒可以起到吸收和扩散能量的作用.

(3)RA值和AF值可用于分析混凝土的破裂模式.自密实混凝土拉伸裂纹的比例随着橡胶掺量的增加而增大.