冻融环境下橡胶混凝土的动态力学性能研究

朱世林 朱 琳，2

（1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250000；2.山东工程职业技术大学，山东 济南 250000）

0 前言

混凝土是使用范围较广的土木工程材料，针对将废旧的橡胶制成橡胶混凝土是否能满足工程要求，学者们进行了多方面研究，薛刚等人[1]对橡胶混凝土单轴受压疲劳性能进行了研究，研究结果表明，应力水平相同时，橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通混凝土；陈露[2]对橡胶混凝土自密实及抗裂性能影响进行了研究，研究结果表明，橡胶混凝土的抗压强度随橡胶颗粒粒径增大而增加；刘姿[3]对改性橡胶混凝土抗冻性能试验进行了研究，研究结果表明，水工混凝土中掺入一定量的橡胶颗料能显著提高水工混凝土的抗冻性；龙一飞等人[4]对冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验进行了研究，研究结果表明，橡胶的掺入降低了混凝土的强度，增强了其韧性和吸能效果；李琦等人[5]对冻融循环作用下橡胶混凝土蠕变特性试验进行了研究，研究结果表明，多次冻融循环后，橡胶混凝土蠕变应力低于峰值强度的50%时，混凝土结构处于安全状态。

对冻融循环下橡胶混凝土的动态力学性能，以上研究并没有系统的分析。针对此问题，该文对橡胶混凝土进行了单轴压缩试验及不同气压的冲击试验，并对橡胶混凝土受力的应力应变及吸收能进行了分析。

1 工程概况

该项目位于胶东半岛某市中南部山区的森林公园，在通往公园南门处拟修建一条观光公路，公路起点位于山区附近小镇，终点位于森林公园南门，全长6.3 km。公路采用橡胶混凝土铺设，双向两车道，宽度为9 m。公路两侧风景宜人，来往车辆较多，且该地区冬季多雨雪，降温较明显，因此公路在减震、吸音、抗冻方面有较高的要求。对此须研究所采用的橡胶混凝土动态力学性能是否满足工程要求。

2 试验材料与方案

2.1 试验材料

本试验制作橡胶混凝土的材料为P.O42.5水泥、河砂、粗骨料、橡胶颗料、减水剂。水泥为普通硅酸盐水泥，河砂为优质中砂，细度模数为2.8，粗骨料为天然花岗岩，粒径为5 mm～18 mm，橡胶颗粒采用1.2 mm～3.0 mm的不规则颗粒，掺入量为混凝土体积的8%。

设定混凝土的基准强度为40 MPa，橡胶颗粒掺入量为混凝土总体积8%，将等体积橡胶颗粒代替河砂制备橡胶混凝土试块，其质量配合比见表1。

表1 橡胶混凝土质量配合比

橡胶混凝土搅拌完成后置入标准试块模具内，模具为圆柱体，高度为37 mm，内径为74 mm，制成的试块作为标准试块。根据试验要求，共制备24个标准试块，将其分为6组，每组4个。全部放入标准养护室进行养护，标准养护室相对混度大于95%，温度为20±2℃，在进行28天标准养护后，将其取出，两端打磨，使两端面保持平行，平行面误差小于0.05 mm，单面平整度保持在0.03 mm以下。

2.2 试验方法

根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对橡胶混凝土进行冻融循环试验，冻融循环试验采用快速冻融法。设置6种冻融循环次数，分别为0次、30次、60次、90次、120次和150次，达到冻融循环次数后，再进行静态单轴压缩试验和动态压缩试验。动态单轴压缩试验采用微机控制岩石力学试验机，试验力测量范围为0kN～1000kN，试验力示值精度小于±1%，载荷等速率控制范围为0.05kN～8.0kN/s。试验按照0.6MPa/s的加载速率对试块进行单轴压缩试验。动态压缩试验采用直径为74mm的SHPB试验设备（图2（b））对橡胶混凝土进行不同冲击气压下的动态压缩，设置不同气压分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土的力学性能分析

通过对冻融循环下的橡胶混凝土进行单轴压缩试验及不同气压的冲击试验，可得单轴压缩下橡胶混凝土的峰值应力-应变曲线，如图1所示。在0.3 MPa冲击气压下，橡胶混凝土的应力-应变曲线如图2所示。

图2 冻融循环下应力-应变曲线

如图1所示，在冻融循环下对橡胶混凝土进行单轴压缩试验。在冻融次数分别为0、30、60、90、120和150次条件下，应变为1×10-3时，橡胶混凝土的峰值应力分别为31.5MPa、21.5MPa、18MPa、16.5MPa、14MPa和11MPa；当应变为1.6×10-3时，橡胶混凝土的峰值应力分别为30.5MPa、26MPa、23MPa、20.5MPa、18.5MPa和16MPa；当应变为2×10-3时，橡胶混凝土的峰值应力分别为28.5MPa、24.5MPa、21.5MPa、19.5MPa、18MPa和17MPa。由此可知，在冻融循环下，橡胶混凝土单轴压缩下的峰值应力均先变大，再变小。在高应变率作用下，试件受荷载作用时间较短，试件内部的孔隙来不及被压缩就直接进入弹性变形阶段，此阶段其峰值应力快速增大。随着应变率逐渐增大，橡胶混凝土试块变形达到峰值后，试件表面逐渐出现细小裂纹，应变率越大，表面裂纹越明显。达到橡胶混凝土受力极限后，混凝土结构被破坏。

图1 单轴压缩下应力-应变曲线

如图2所示，在冻融循环下对橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验。在冲击气压为0.03MPa，冻融次数分别为0、30、60、90、120和150次条件下，当应变为0.005时，橡胶混凝土的应力分别为41MPa、35MPa、31MPa、26MPa、21MPa、26.5MPa；当应变为0.010时，橡胶混凝土的应力分别为42MPa、34MPa、26MPa、22.5MPa、24.5MPa、27.5MPa；当应变为0.020时，橡胶混凝土的应力分别为20MPa、36MPa、34.3MPa、27.5MPa、22MPa、20MPa。由此可知，在冻融循环下，橡胶混凝土在冲击气压为0.03MPa时，冻融循环下的应力均先变大，再变小。随着冻融次数的增加，混凝土试件的应力逐渐降低，在冻融次数超过90次后，试件的应力变化减少。

3.2 不同气压下混凝土的应力及吸收能分析

通过对冻融循环下的橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，得出混凝土不同冲击作用下的应力曲线及吸收能曲线，如图3所示。

如图3（a）所示，冻融循环下，对橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验。在冻融次数分别为0、30、60、90、120、150次条件下，当冲击气压为0.2 MPa时，混凝土所受应力分别为38MPa、31MPa、25MPa、24MPa、21.5 MPa和21MPa；当冲击气压为0.3 MPa时，应力分别为45MPa、35MPa、30MPa、25.5MPa、22.5MPa、23.5MPa；当冲击气压为0.4MPa时，应力分别为58MPa、42MPa、35MPa、31.5MPa、27.5MPa和26MPa；当冲击气压为0.5MPa时，应力分别为70MPa、51MPa、40MPa、34MPa、32.5MPa和30MPa。由此可知，在冻融循环下，随着冲击气压的增大，混凝土所受应力均随之变大。冻融循环次数在0、30、60次时，应力变化明显增大；冻融循环次数在60次后，应力变化较小，曲线较平缓。随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土在冰冻作用及交替温差状况下，内部结构逐渐发生破坏，内部损伤越大，混凝土所受应力越小。

如图3（b）所示，在冻融循环下，对橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验。在冻融循环次数分别为0、30、60、90、120、150次条件下，当冲击气压为0.2 MPa时，混凝土的吸收能分别为25 J、19.5 J、18 J、16 J、13 J和14 J；当冲击气压为0.3 MPa时，吸收能分别为32.5 J、27 J、26 J、27 J、22 J和24 J；当冲击气压为0.4MPa时，吸收能分别为49 J、39 J、36 J、32 J、27 J、26.5 J；当冲击气压为0.5 MPa时，吸收能分别为63 J、52 J、51 J、48 J、37 J和32 J。由此可知，在冻融循环下，随着冲击气压的增大，混凝土的吸收能随之增大。冻融循环次数在90次前，混凝土吸收能增加明显；冻融循环次数在90次后，混凝土内部发生破坏，内部结构及橡胶受到损伤，吸收效果随之降低。

由图3可知，在冻融循环下，对橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，随着冻融循环次数的增加，混凝土所受应力及吸收能随之增加。冻融循环次数在60次前，应力增大明显；60次后应力变化较小。冻融循环次数在90次前，混凝土吸收能增大；90次后吸收能效果降低。

图3 应力及吸收能曲线

3.3 冻融循环下混凝土的应力、应变和吸收能分析

通过对冻融循环下的橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，冲击气压分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa得出冻融循环下橡胶混凝土的应力、应变和吸收能变化。

当冻融循环次数为0次时，混凝土所受应力分别为38MPa、45.5MPa、58MPa和70.5MPa；当冻融循环次数为30次时，所受应力分别为31MPa、37MPa、44MPa和54MPa；当冻融循环次数为60次时，所受应力分别为23MPa、27MPa、34MPa和38MPa；当冻融循环次数为150次时，所受应力分别为21MPa、24MPa、30MPa和32MPa。由此可知，相同的冻融循环次数下，橡胶混凝土所受应力随着气压的增大而增加。随着冻融循环次数的增加，混凝土在冲击作用下所受应力越小。在冻融循环次数超过80次后，应力的变化较缓慢，曲线较平滑。

当冻融循环次数为0次时，混凝土的峰值应变分别为19.8×10-3、21.8×10-3、23.3×10-3和24.1×10-3；当循环次数为30次时，峰值应变分别为21.5×10-3、22.7×10-3、24×10-3和24.8×10-3；当循环次数为90次时，峰值应变分别为22.5×10-3、23.8×10-3、25.3×10-3和26.4×10-3；当循环次数为150次时，峰值应变分别为23×10-3、25×10-3、26.4×10-3和28×10-3。由此可知，相同的冻融循环次数下，橡胶混凝土的峰值应变随着气压的增大而增加。随着冻融循环次数的增加，混凝土的峰值应变随之增加。混凝土在冻融循环过程中，内部孔隙存留的水产生冰冻膨胀，使试件内部的孔隙产生裂纹和变形。反复的温差过程加剧了混凝土内部裂纹的产生，增加了混凝土内部损伤，在相同气压的冲击下，试件更容易被坡坏，峰值应变随之增加。

当冻融循环次数为0次时，混凝土的吸收能分别为25 J、34 J、50 J和61 J；当循环次数为30次时，吸收能分别为19 J、28 J、41 J和54 J；当循环次数为60次时，吸收能分别为18 J、26 J、39 J和53 J；当循环次数为90次时，吸收能分别为16 J、29 J、33 J和50 J；当循环次数为150次时，吸收能分别为14 J、27 J、30 J和38 J。由此可知，相同的冻融循环次数下，橡胶混凝土的吸收能随着气压的增大而增加。随着冻融循环次数的增加，混凝土的吸收能随之下降。在冻融循环过程中，混凝土和橡胶内部结构发生破坏，内部损伤越大，混凝土的吸能能力越小。

由此可知，在冻融循环下对橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，冻融循环次数相同时，橡胶混凝土所受应力、应变和吸收能随气压的增大而增加。随着冻融循环次数的增加，混凝土所受应力和吸收能随之减少，混凝土的峰值应变随之增大。

4 结论

在冻融循环条件下，该文对橡胶混凝土进行了单轴压缩试验及不同气压的冲击试验，可得如下结论：1）冻融循环下，橡胶混凝土单轴压缩下的峰值应力均先变大，再变小，随应变率逐渐增大。橡胶混凝土试块变形达到受力极限后，混凝土结构被破坏。在冻融循环下，当橡胶混凝土冲击气压为0.03 MPa时，所受应力均先变大，再变小，随着冻融次数的增加，所受应力逐渐降低。2）在冻融循环下，随着冻融循环次数的增加，混凝土所受应力及吸收能随之增加。冻融循环次数在60次前，应力增大明显在60次后，应力变化较小。冻融循环次数在90次前，混凝土吸收能增大；90次后，吸收能效果降低。3）相同的冻融循环次数下，橡胶混凝土所受应力、应变和吸收能随气压的增大而增加。随着冻融循环次数的增加，混凝土所受应力和吸收能随之减少，混凝土的峰值应变随之增大。