冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验研究*

2022-07-27龙一飞郭晓琴李扬薇

工业建筑 2022年4期

龙一飞潘婵郭晓琴李扬薇

(武汉城市学院城建学部，武汉 430083)

我国每年会产生大量废旧橡胶制品，其30%以上会通过填埋、焚烧的方式被处理，这不仅会对资源造成浪费，而且橡胶在被填埋焚烧过程中释放大量有毒物质，从而对环境造成污染[1-3]。当前国内建筑行业提倡节能环保及绿色发展，研究表明在混凝土中掺入一定量的橡胶颗粒能够有效改善其力学性能[4]，胡艳丽等在对橡胶混凝土性能的研究中发现随着橡胶掺量的增加，试件的抗压、抗拉和剪切强度随之降低，延性增加[5]；Son等发现混凝土中掺入橡胶后会降低其抗压强度和弹性模量，但其变形能和吸收能会提高且曲率延性提高近90%[6]；赵荣生利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对橡胶混凝土开展动态压缩试验，发现其破坏程度明显低于普通混凝土，且其耗能能力明显提高[7]。

我国东北、西北等地处于季冻区，混凝土建筑物长期处于冻融环境中[8]，研究表明混凝土材料在受到冻融循环时其力学性能会发生改变。田威等对冻融循环下混凝土劣化机制进行研究，试验表明随着冻融循环次数的增加试件弹性模量及强度明显降低[9]；操佩等发现随着冻融循环次数的增加，混凝土试件峰值应变随之增加[10]；周涛等发现冻融循环会降低钢纤维混凝土的极限抗压强度且100次冻融作用后下降速度明显增大[11]；王晨霞等发现冻融循环下再生混凝土的抗压与抗拉强度随之降低，其劣化程度要高于普通混凝土[12]；范梦婷等在对冻融循环下橡胶混凝土耐久性的研究中发现试件抗压、抗弯性能都会随冻融循环作用而下降[13]。冻融循环作用会对橡胶混凝土造成损伤，降低其力学性能，但现今研究成果仅停留在静载作用下，对冻融循环后橡胶混凝土在动载下的力学性能鲜有研究，混凝土材料在设计使用年限会经常受到冲击、震动等动载作用，动载作用下其力学性能与静载作用下存在诸多不同[14]。

为进一步研究冻融循环后橡胶混凝土在动载作用下的力学性能，采用非金属超声波检测仪测量不同冻融次数下橡胶混凝土损伤程度，利用φ74 mm的SHPB装置开展不同应变率下冻融橡胶混凝土单轴冲击压缩试验，分析冻融循环次数、应变率对橡胶混凝土纵波波速、峰值应力、极限应变及吸能效果的影响规律，为橡胶混凝土工程提供试验依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

水泥选用P·O 42.5，细骨料为天然河沙，其细度模数为2.6，粗集料选用粒径小于18 mm的碎石，水为自来水，选用的橡胶颗粒粒径范围为1～3 mm，如图1所示。

a—橡胶颗粒; b—微观形态。

研究表明橡胶混凝土中橡胶颗粒最佳掺量体积分数为10%[15]，基准混凝土设计强度为30 MPa，橡胶按10%等体积代替沙子，质量配合比为水泥∶沙子∶橡胶∶水∶石子=1∶1.125∶0.052∶0.4∶2.3，试件浇筑完成后放置在养护湿度≥95%、温度保持在(20±2)℃养护室中进行为期28 d的标准养护，养护结束后经取芯、切割、打磨将试件加工成φ50 mm×100 mm及φ74 mm×37 mm圆柱体标准试件，每组3个试件，静态压缩试验共18个橡胶混凝土试件，动态压缩试验共72个试件，试件两端面不平行度小于0.05 mm，单面平整度在0.02 mm以内[16]。

1.2 试验装置及方法

依据JG/T 243—2009《混凝土抗冻试验设备》和GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》对橡胶混凝土进行冻融试验，采用快速冻融法进行冻融循环试验，冻融循环次数分别为0，25，50，75，100，125次，选取1组试件在达到冻融循环次数后立即对其进行超声波检测，超声波检测采用非金属超声波检测仪，试件冻融循环结束后立即开展压缩试验，静态单轴压缩试验系统选用TAW-1000型微机控制岩石力学试验机，按0.5 MPa/s的加载速率对试件进行单轴压缩试验以获取宏观力学指标，动态试验选用直径74 mm的SHPB试验装置开展不同应变率下动态压缩试验。

动态压缩试验采用冲击动力实验室φ74 mm变截面SHPB试验装置，采用不同冲击气压(0.3，0.4，0.5，0.6 MPa)对试件开展冲击压缩试验。将试件平行置于入射杆与透射杆之间，在冲击气压下子弹获取一个速度v撞击入射杆，在入射杆端部产生脉冲形成入射波，入射波在到达入射杆端部与试件接触面时部分脉冲反射回来形成反射波，另一部分透过试件传递到透射杆中形成透射波，脉冲信号被入射杆与透射杆上的电阻应变片收集，再通过示波器进行显示，其波形如图2所示。

图2 实测波形

为保证冲击试验数据的有效性，需对每一次冲击数据进行应力平衡检测。研究表明：应力波在试件传播过程中是存在着明显梯度现象，即波沿传播方向逐渐衰减，当波首次到达试件末端时两端存在明显应力差，当应力波在试件内部发生多次反射后，试件两端应力差会逐渐减小直至基本消失，此时试件两端达到应力平衡状态[17]，应力平衡如图3所示。

图3 应力平衡曲线

将采集到的数据运用三波法[18]进行处理，求得试验所得应变率、应变和应力，其计算式如下：

(1a)

式中：εi(t)、εr(t)、εt(t)为时刻t的入射应变、反射应变、透射应变，无量纲；ls为试件厚度，m；c0为压杆的纵波波速，m/s；E为弹性模量，MPa；A、AS分别为压杆的横截面积和试件的横截面积，m2。

由热力学定律可知，材料发生破坏的本质是其在能量驱动下一种失稳的状态[19]，其计算式如下：

式中：Wi为入射能，J；Wt为透射能，J；Wr为反射能，J；Ws为试件破坏所吸收的能量，J；C0为压杆中纵波波速，m/s；εd为单位吸收能密度，J·cm-3；V为试件体积，cm3。

2 试验结果与分析

2.1 两种混凝土材料力学性能的比较

为分析素混凝土及橡胶取代率为10%时橡胶混凝土在动载作用下的力学特性，对相同配合比的两类试件进行准静态压缩及动态冲击试验，试验结果如表1所示，素混凝土及橡胶混凝土在不同应变率下的应力-应变曲线如图4、5所示，韧性变化如图6所示，单位吸收能密度如图7所示。

表1 两种混凝土材料力学性能

图4 不同冲击气压下素混凝土应力-应变曲线

图5 不同冲击气压下橡胶混凝土应力-应变曲线

图6 不同冲击气压下试件韧性

由表1和图4、5可知：不同冲击气压下素混凝土峰值应力整体上高于橡胶混凝土，这与众多研究结果表现出一致性[5-6]，但橡胶混凝土延性明显高于素混凝土，变形能力较强；韧性是指材料在外荷载作用下具有一定的变形能力, 是材料延性和强度综合性能的体现，可利用试件在外荷载作用下的应力-应变曲线与坐标轴之间所围成的面积表示[20]，由图6可知：橡胶混凝土韧性明显高于素混凝土，这能够有效防止建筑物在外荷载作用下发生脆性破坏。

为进一步研究橡胶混凝土的吸能效果，对不同冲击气压下试件能量变化情况进行了分析，其结果如表1和图7所示。随着冲击气压的增大试件入射能、吸收能随之增大，橡胶混凝土的能量吸收率明显高于素混凝土；由图7可知随着冲击气压的增大，试件单位吸收能密度随之增加，橡胶混凝土单位吸收能密度明显高于素混凝土，橡胶的掺入能够有效增强混凝土材料的吸能效果。

图7 不同冲击气压下试件单位吸收能密度

2.2 冻融循环下试件超声波检测

材料内部的整体性可通过超声波检测原理进行测量[21]，混凝土材料内部存在大量裂纹孔隙，弹性波在材料内部传播遇到裂隙时会发生反射、折射、绕射，宏观表现为弹性波传播路径的增加和波速降低。冻融循环结束后对橡胶混凝土进行纵波波速的测量，并对不同冻融循环次数下试件损伤程度计算，试验结果如表2、图8及图9所示。

表2 冻融循环下试件纵波波速

图8 冻融循环次数与纵波波速的关系

由表2和图8可知：随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土试件纵波波速呈降低趋势，相较于未冻融试块，冻融循环25次试件纵波波速降低9.5%，50次时纵波波速降低16.1%，100，125次纵波波速分别降低23.4%、24.7%。

为进一步对冻循环后的橡胶混凝土试件进行内部损伤评价，定义试件损伤度为D，其计算式式(3)所示[22]，不同冻融循环次数下试件损伤度如图9所示。

图9 冻融循环次数与损伤度的关系

(3)

式中：D为损伤度；VT为冻融循环作用后试件纵波波速，m/s;V0为未冻融循环试件纵波波速，m/s。

由图9可知：随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土损伤程度随之增大，增幅逐渐减小，这与纵波波速变化规律呈现出一致性。分析原因：橡胶混凝土试件内部存在大量孔隙水，研究表明孔隙水会因冰冻作用产生9%左右的体积膨胀[23]，造成混凝土内部原生孔隙的扩展，同时水体积的膨胀会在试件内部产生应力，使其内部裂纹发生扩展，而在温度正负交替过程中会产生一定的拉应力，使橡胶混凝土产生疲劳损伤，在冻融循环的反复作用下，试件内部孔隙裂纹不断扩展，损伤度不断增加[24]，波在试件内部传播时遇到孔隙裂纹会发生反射、绕射等现象，使得波速降低；纵波波速及损伤度降幅逐渐降低，这是由于孔隙水反复膨胀作用后使试件孔隙率增加，冰冻作用对混凝土内部作用力逐渐减小，孔隙生成量随之降低，其纵波波速降低幅值及损伤度增幅减小。

2.3 应力-应变曲线

选用TAW-1000型微机控制岩石力学试验机，按0.5 MPa/s的加载速率对试件进行单轴压缩试验，利用SHPB装置对试件开展不同冲击气压下的动态单轴压缩试验，静载作用下橡胶混凝土应力-应变曲线如图10所示，采用三波法得出冻融循环下橡胶混凝土的动态应力应变数据，试验结果如表3所示，不同冲击气压下所获得的平均应变率如图11所示，0.4 MPa气压下不同冻融循环次数的试件应力-应变曲线如图12所示。

表3 冻融循环下橡胶混凝土力学试验结果

图10 静载作用下试件应力-应变曲线

图11 冲击气压与应变率间的关系

由于混凝土材料内部存在大量原生裂隙，静载作用时试件应力应变曲线分为孔隙压密、弹性、屈服、破坏4个阶段，与静态荷载作用不同，试件在动载作用下应力应变曲线分为弹性、屈服、破坏3个阶段，由于在高应变率作用下，试件受荷载作用时间很短，试件内部原生孔隙裂缝来不及被压缩，直接进入弹性变形阶段，曲线在此阶段近似于直线上升，曲线斜率接近一个定值，定值可作为试件动态弹性模量；由图11可知：随着冲击气压的增大，平均应变率随之增大，两者为线性正相关。由图12可知：随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土试件峰值应力随之降低，降幅逐渐减小，极限应变有所增加，当冻融循环次数超过75次时，试件峰值应力变化将不再明显。这是由于混凝土在受到冻融作用时混凝土内部会由于冰冻作用和交替温差产生应力，试件内部孔隙裂纹发生扩展，在胶凝材料与骨料、橡胶接触面产生新裂纹，同时橡胶在反复冻融下也会发生破坏，从而造成试件损伤，应力随之减小，随着冻融循环次数的增加，冰冻作用将不再明显，试件损伤增量降低。

图12 不同冻融循环次数下试件应力-应变曲线

2.4 峰值应力与吸收能

不同冲击气压下冻融循环橡胶混凝土的峰值应力如图13所示，试件吸收能与冲击气压的关系如图14所示。

图13 冲击气压与峰值应力的关系

图14 冲击气压与吸收能的关系

由图13可知：随着冲击气压增大，试件峰值应力随之增大，试件呈明显应变率效应。图13中虚线部分表示：冻融循环0，25次时，当气压达到0.4 MPa，试件应力增幅明显增大；冻融循环50次时，气压达到0.5 MPa，试件应力增幅明显增大；冻融循环75次后试件不再出现此类现象，随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土试件内部损伤程度增大，冲击气压的增大试件应力增幅不再增加。

由图14可知：吸收能表现出明显的应变率效应，即随着冲击气压的增大，试件能量吸收值随之增加。冻融循环会降低橡胶混凝土试件的吸能能力，但随着冻融循环次数的增加，这种影响将逐渐减小，0.4 MPa气压下冻融25，50，75，100，125次试件吸收能降低了16%、21%、16.3%、30.2%、25.7%。分析原因：随着冲击气压的增大，入射能随之增大，根据能量守恒可知试件在此过程中所吸收的能量随之增加。混凝土中橡胶颗粒有着较好的吸能效果[25]，但受到冻融作用后橡胶本身也会受到损伤，其吸能效果随之降低，随着冻融循环次数的增加橡胶损伤增量将不再明显，试件吸收能变化幅值降低。

2.5 冻融循环对橡胶混凝土动态力学性能的影响

相同冲击气压下冻融循环次数对橡胶混凝土峰值应力的影响如图15所示，其峰值应变、吸收能变化规律如图16、17所示。

图15 冻融循环次数与峰值应力之间的关系

图16 冻融循环次数与极限应变之间的关系

由图15可知：橡胶混凝土试件峰值应力存在明显的应变率效应，相同冻融循环次数下随着冲击气压的增大试件峰值应力随之增加。冻融循环0次时，相对于0.3 MPa气压，0.6 MPa气压下试件峰值应力增加了88.3%，而冻融循环25，50，75，100，125次时试件峰值应力增加了69.6%、72.1%、57.4%、50.2%、47.0%，冻融循环作用下试件应变率效应明显降低。相同冲击气压下，随着冻融循环次数的增加橡胶混凝土试件峰值应力随之降低，两者呈对数关系，0.6 MPa气压下冻融循环25，50，75，100，125次试件峰值应力降低了25.1%、37.1%、46%、52.5%、54.8%，应力降幅逐渐减小，循环次数超过100次后应力降幅将不再明显；由图16可知随着冻融循环次数的增加，相同冲击气压下试件峰值应变随之增加，两者呈线性关系。

冻融循环过程中试件内部孔隙水会产生冰冻膨胀，造成试件内部孔隙扩张及裂纹的扩展，同时橡胶、水泥及骨料之间热膨胀系数存在差异[11]，在反复温差过程中三者界面会产生应力差，使得原生裂纹发生扩展并产生大量新裂纹，裂纹之间相互贯通使橡胶混凝土损伤程度增加，试件承担外荷载能力减弱，峰值应力随之降低，裂纹的扩展及新增使得试件整体性降低，在相同应力作用下试件更容易发生破坏，其极限应变随之增加。随着冻融循环次数的增加，试件应力降幅减小，这是由于随着冻融循环次数的增加试件孔隙率增加，孔隙水所产出的冰冻膨胀效应将不再明显，裂纹数量的增加使温差作用在骨料界面所产生的应力差降低，试件产生新损伤程度降低，应力降幅减少。

由图17可知：随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土吸收能随之减少，4种不同冲击气压下试件吸收能降幅分别为38.1%、25.7%、41.9%和42%，两者呈线性关系。橡胶材料本身具有良好的吸能效果，试件在冻融循环作用下混凝土自身及橡胶都会受到损伤，从而降低本身的吸能效果，随着冻融循环次数的增加，试件吸能能量逐渐降低。

图17 冻融循环次数与吸收能之间的关系

2.6 应变率及冻融循环对DIF的影响

研究表明动载作用下混凝土材料的力学性能会得到提高，为进一步研究冻融循环作用下橡胶混凝土的应变率效应，引入动态增强因子(DIF)对试件进行分析，其值为动态强度与准静态强度的比值[26-27]，计算式如下：

(6)

式中：fd为动载作用下抗压强度；f为准静载作用下试件抗压强度。

冻融循环下橡胶混凝土在不同冲击气压下DIF变化规律如图18所示。由图可知：随着冲击气压的增大，试件DIF随之增加，这与文献[28]的研究结果一致，应变率的增大能明显增强材料的抗压强度；随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土试件DIF增幅降低，相较于普通橡胶混凝土，0.6 MPa气压下冻融循环试件DIF降低了8.5%、11.6%、17.9%、19.6%、20.5%，冻融循环会减弱试件应变率效应，降低橡胶混凝土DIF增幅，且冲击气压越高，现象越明显。这是由于冻融循环会造成试件损伤，降低其本身承载能力，随着循环次数试件损伤程度增大，整体性降低，DIF随之降低；随着冲击气压的增大，DIF整体呈增大趋势，而冻融循环对试件DIF增幅影响会更加明显。