橡膠混凝土路面板斷裂性能研究

殷杰

（南京交通建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210017）

0 引言

橡膠是工業(yè)生產(chǎn)的重要材料，隨著工業(yè)化進(jìn)程的深入，中國(guó)乃至全世界的廢棄橡膠量與日俱增。由于橡膠降解周期長(zhǎng)，降解物會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，廢棄橡膠處理已成為日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。利用橡膠顆粒改進(jìn)傳統(tǒng)建筑材料特性的方法是現(xiàn)階段廢舊橡膠主要研究方向。相對(duì)混凝土而言，橡膠具有自重輕、韌性好、不透水等特征，橡膠顆粒對(duì)改善混凝土的韌性、抗疲勞、抗凍融等性能有著積極影響。橡膠改性瀝青混凝土、橡膠水泥混凝土等材料也已在建設(shè)工程中得以應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠混凝土的研究主要集中于其配合比、強(qiáng)度等基本性能，部分涉及橡膠混凝土斷裂特性的研究也主要集中在剛性支座三點(diǎn)彎試驗(yàn)，少有進(jìn)行下設(shè)柔性墊層的三點(diǎn)彎試驗(yàn)，這與路面板的實(shí)際受力狀態(tài)相差較大，因此研究結(jié)果對(duì)路面板的適用性值得商榷，而提高路面板的抗裂能力是提高路面正常使用壽命的重要措施。文章通過(guò)橡膠混凝土在天然地基土墊層上的三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)，研究橡膠混凝土構(gòu)件在柔性墊層下的開(kāi)裂過(guò)程，為橡膠混凝土在路面工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 橡膠混凝土研究現(xiàn)狀

目前對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能研究主要包括試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法。最先進(jìn)行的是抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)橡膠混凝土構(gòu)件的受壓破壞面進(jìn)行分析得出，由于橡膠顆粒的憎水性，其與水泥之間無(wú)法緊密連接，導(dǎo)致構(gòu)件抗壓強(qiáng)度降低[1]。還有研究表明，橡膠顆粒剛度小，無(wú)法形成類(lèi)似于骨料的骨架支撐，也是橡膠混凝土強(qiáng)度降低的重要原因[2]?；诖?，現(xiàn)有研究試圖通過(guò)對(duì)橡膠顆粒表面進(jìn)行改性來(lái)保證其強(qiáng)度，結(jié)果表明這一方案是有效的[3]。

彈性模量是反映混凝土變形的重要指標(biāo)，研究表明，橡膠顆粒的摻量、大小、加工工藝均會(huì)對(duì)彈性模量產(chǎn)生影響，橡膠摻量越大，顆粒粒徑越小，彈性模量相比普通混凝土降低越多。

橡膠混凝土的斷裂性能也是目前研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行斷裂試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠混凝土試件在彎曲加載過(guò)程中撓度明顯增大，在一定摻量范圍內(nèi)，構(gòu)件產(chǎn)生初始裂縫后，橡膠顆粒能有效提高構(gòu)件的承載力，且加載極限狀態(tài)的應(yīng)變能明顯大于普通混凝土。在三點(diǎn)彎曲條件下，隨著橡膠骨料置換比的增加，預(yù)裂紋橡膠混凝土構(gòu)件的臨界裂紋張開(kāi)位移和斷裂能均減小。

1.2 混凝土路面板斷裂特性研究現(xiàn)狀

根據(jù)斷裂力學(xué)的理論，混凝土中裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展本質(zhì)上是內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)的微觀裂縫不斷積累最終形成宏觀裂縫的過(guò)程。根據(jù)裂縫發(fā)展方式的不同，有I型裂縫、II型裂縫和復(fù)合型裂縫，路面板中裂縫大部分屬于I型裂縫[4-5]。

路面板裂縫產(chǎn)生的原因主要有：①路基不均勻沉降導(dǎo)致路面板發(fā)生過(guò)大變形而開(kāi)裂；②路面板尺寸過(guò)大導(dǎo)致溫度裂縫和收縮裂縫增多；③路面受到汽車(chē)等動(dòng)荷載反復(fù)作用，疲勞性能下降而開(kāi)裂；④混凝土配合比不合理或施工質(zhì)量低，路面板受力性能不滿足要求等。裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致路面承載力降低、使用性能和耐久性能也受到明顯影響?，F(xiàn)有混凝土路面板的裂縫控制方法主要包括加固路基減少沉降、設(shè)置變形縫控制溫度和收縮裂縫、提高施工管理水平、保證按工藝施工等方法，路面板的斷裂性能研究較少。

2 橡膠混凝土力學(xué)性能測(cè)定

2.1 橡膠混凝土配合比

試驗(yàn)原材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，I級(jí)粉煤灰，細(xì)度模數(shù)2.5的河砂，粒徑≤20 mm的石灰石粗骨料，粒徑1.2～4.5 mm的廢棄輪胎顆粒和聚羧酸型減水劑。橡膠顆粒摻量為10%，經(jīng)多次試配后得出混凝土配合比如表1所示?；炷翝仓蟾材ゐB(yǎng)護(hù)24 h脫模，脫模后浸水養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 橡膠混凝土配合比

2.2 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備為MTS試驗(yàn)機(jī)，采用橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件分別進(jìn)行軸壓和劈拉試驗(yàn)，采用400 mm×100 mm×100 mm試件進(jìn)行三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行三次，試驗(yàn)結(jié)果均取三次測(cè)量平均值。測(cè)得橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為27.53 MPa，劈拉強(qiáng)度為2.35 MPa，彎拉強(qiáng)度為4.05 MPa，彈性模量為28.3 GPa，泊松比為0.15。換算后得軸拉強(qiáng)度為1.72 MPa。

3 凝土路面板斷裂性能

3.1 三點(diǎn)彎路面板斷裂試驗(yàn)

地基土的性能對(duì)路面板加載過(guò)程的影響不可忽略，故在斷裂試驗(yàn)前對(duì)地基土的含水率、液塑限、最優(yōu)含水率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。含水率采用烘干法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得試驗(yàn)土體含水率為19.5%。液塑限測(cè)量采用關(guān)系曲線圖法，取土樣制成3個(gè)不同稠度的試樣，分別測(cè)量試樣的含水率和圓錐5 s下沉深度。根據(jù)試樣的測(cè)量結(jié)果繪制下沉深度和含水率的關(guān)系曲線。測(cè)得試驗(yàn)土體的塑限為18%，液限為32%，塑性指數(shù)為13%，對(duì)比地基規(guī)范可知，地基土為低液限黏土。試驗(yàn)所得最優(yōu)含水率為16%。

在斷裂試驗(yàn)中，試件尺寸對(duì)斷裂特性影響顯著，選擇三種不同尺寸的試件進(jìn)行加載，分別為400 mm×100 mm×100 mm，800 mm×100 mm×150 mm，1 200 mm×100 mm×200 mm。為控制變量，其他加載條件保持不變，初始縫高比為0.3，位移加載速率為0.001 mm/s。

為模擬橡膠混凝土路面板的開(kāi)裂情況，通過(guò)MTS加載系統(tǒng)對(duì)下設(shè)地基層的橡膠混凝土構(gòu)件進(jìn)行加載，加載示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)有地基層的路面板加載示意

加載過(guò)程中，在試件初始開(kāi)口位置安裝引伸計(jì)測(cè)量裂縫開(kāi)口位移，MTS設(shè)備測(cè)量并記錄試件的荷載和裂縫開(kāi)口位移，由此可得梁的P-CMOD關(guān)系曲線。

3.2 斷裂結(jié)果分析

MTS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了試件的荷載和裂縫開(kāi)口位移，繪制成P-CMOD曲線如圖2所示。

圖2 P-CMOD曲線

從圖2可以看出，尺寸為400 mm×100 mm×100 mm、800 mm×100 mm×150 mm的橡膠混凝土試件的P-CMOD曲線接近重合，這和普通混凝土三點(diǎn)彎拉加載的P-CMOD曲線有明顯差別，說(shuō)明試驗(yàn)中的試件在天然地基支座條件下，橡膠混凝土的尺寸效應(yīng)在400～800 mm跨度范圍內(nèi)幾乎可忽略不計(jì)。

斷裂能也是反映試件斷裂性能的重要指標(biāo)。通過(guò)P-CMOD曲線可計(jì)算其相應(yīng)的斷裂能。假設(shè)橡膠混凝土在加載過(guò)程中發(fā)生的是小變形（在宏觀裂縫出現(xiàn)前成立）。在施加荷載P的過(guò)程中，橡膠混凝土構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，虛擬裂縫區(qū)存在旋轉(zhuǎn)圓心。構(gòu)件的虛擬裂縫高度為a，虛擬裂縫擴(kuò)展量為da，如圖3所示，則旋轉(zhuǎn)角。

圖3 加載過(guò)程中裂縫發(fā)展

根據(jù)P-CMOD曲線可計(jì)算虛擬裂縫擴(kuò)展量，見(jiàn)式（1）。

式中，h為試件高度，h0為引伸計(jì)刀口的鋼板厚度，E為混凝土彈性模量，t為單位厚度，取1，F(xiàn)為荷載值。

假定不考慮能量損失，荷載F所做的功均用于裂縫擴(kuò)展。而外力F所做的功包括構(gòu)件自重和荷載P在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所做的功，用彎矩表示為式（2）。

其中，MG和Mp分別為自重和荷載P在構(gòu)件跨中產(chǎn)生的彎矩。

根據(jù)斷裂能的定義，斷裂能表示為式（3）。

根據(jù)上述公式和P-CMOD曲線計(jì)算得到，尺寸大小為400 mm×100 mm×100 mm、800 mm×100 mm×150 mm和1 200 mm×100 mm×250 mm的橡膠混凝土試件的斷裂能的大小分別為45.4 N/m、94.5 N/m和124.6 N/m。

4 結(jié)論

（1）研究了10%摻量的橡膠混凝土基本力學(xué)性能，測(cè)得其立方體抗壓強(qiáng)度為27.53 MPa，劈拉強(qiáng)度為2.35 MPa，彎拉強(qiáng)度為4.05 MPa，彈性模量為28.3 GPa，泊松比為0.15。換算后的軸拉強(qiáng)度為1.72 MPa。

（2）進(jìn)行了下設(shè)天然地基墊層的橡膠混凝土試件三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)置了天然地基層后，P-CMOD曲線的尺寸效應(yīng)在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)不明顯。測(cè)得三種尺寸試件的斷裂能分別為45.4 N/m、94.5 N/m和124.6 N/m。