凍融環(huán)境下橡膠混凝土的動態(tài)力學(xué)性能研究

朱世林 朱 琳，2

（1.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250000）

0 前言

混凝土是使用范圍較廣的土木工程材料，針對將廢舊的橡膠制成橡膠混凝土是否能滿足工程要求，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究，薛剛等人[1]對橡膠混凝土單軸受壓疲勞性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，應(yīng)力水平相同時，橡膠混凝土的疲勞壽命優(yōu)于普通混凝土；陳露[2]對橡膠混凝土自密實(shí)及抗裂性能影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒粒徑增大而增加；劉姿[3]對改性橡膠混凝土抗凍性能試驗進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，水工混凝土中摻入一定量的橡膠顆料能顯著提高水工混凝土的抗凍性；龍一飛等人[4]對凍融循環(huán)下橡膠混凝土動態(tài)力學(xué)特性試驗進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，橡膠的摻入降低了混凝土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了其韌性和吸能效果；李琦等人[5]對凍融循環(huán)作用下橡膠混凝土蠕變特性試驗進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，多次凍融循環(huán)后，橡膠混凝土蠕變應(yīng)力低于峰值強(qiáng)度的50%時，混凝土結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

對凍融循環(huán)下橡膠混凝土的動態(tài)力學(xué)性能，以上研究并沒有系統(tǒng)的分析。針對此問題，該文對橡膠混凝土進(jìn)行了單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，并對橡膠混凝土受力的應(yīng)力應(yīng)變及吸收能進(jìn)行了分析。

1 工程概況

該項目位于膠東半島某市中南部山區(qū)的森林公園，在通往公園南門處擬修建一條觀光公路，公路起點(diǎn)位于山區(qū)附近小鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于森林公園南門，全長6.3 km。公路采用橡膠混凝土鋪設(shè)，雙向兩車道，寬度為9 m。公路兩側(cè)風(fēng)景宜人，來往車輛較多，且該地區(qū)冬季多雨雪，降溫較明顯，因此公路在減震、吸音、抗凍方面有較高的要求。對此須研究所采用的橡膠混凝土動態(tài)力學(xué)性能是否滿足工程要求。

2 試驗材料與方案

2.1 試驗材料

本試驗制作橡膠混凝土的材料為P.O42.5水泥、河砂、粗骨料、橡膠顆料、減水劑。水泥為普通硅酸鹽水泥，河砂為優(yōu)質(zhì)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，粗骨料為天然花崗巖，粒徑為5 mm～18 mm，橡膠顆粒采用1.2 mm～3.0 mm的不規(guī)則顆粒，摻入量為混凝土體積的8%。

設(shè)定混凝土的基準(zhǔn)強(qiáng)度為40 MPa，橡膠顆粒摻入量為混凝土總體積8%，將等體積橡膠顆粒代替河砂制備橡膠混凝土試塊，其質(zhì)量配合比見表1。

表1 橡膠混凝土質(zhì)量配合比

橡膠混凝土攪拌完成后置入標(biāo)準(zhǔn)試塊模具內(nèi)，模具為圓柱體，高度為37 mm，內(nèi)徑為74 mm，制成的試塊作為標(biāo)準(zhǔn)試塊。根據(jù)試驗要求，共制備24個標(biāo)準(zhǔn)試塊，將其分為6組，每組4個。全部放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室相對混度大于95%，溫度為20±2℃，在進(jìn)行28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，將其取出，兩端打磨，使兩端面保持平行，平行面誤差小于0.05 mm，單面平整度保持在0.03 mm以下。

2.2 試驗方法

根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對橡膠混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，凍融循環(huán)試驗采用快速凍融法。設(shè)置6種凍融循環(huán)次數(shù)，分別為0次、30次、60次、90次、120次和150次，達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)后，再進(jìn)行靜態(tài)單軸壓縮試驗和動態(tài)壓縮試驗。動態(tài)單軸壓縮試驗采用微機(jī)控制巖石力學(xué)試驗機(jī)，試驗力測量范圍為0kN～1000kN，試驗力示值精度小于±1%，載荷等速率控制范圍為0.05kN～8.0kN/s。試驗按照0.6MPa/s的加載速率對試塊進(jìn)行單軸壓縮試驗。動態(tài)壓縮試驗采用直徑為74mm的SHPB試驗設(shè)備（圖2（b））對橡膠混凝土進(jìn)行不同沖擊氣壓下的動態(tài)壓縮，設(shè)置不同氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土的力學(xué)性能分析

通過對凍融循環(huán)下的橡膠混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，可得單軸壓縮下橡膠混凝土的峰值應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。在0.3 MPa沖擊氣壓下，橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 凍融循環(huán)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖1所示，在凍融循環(huán)下對橡膠混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗。在凍融次數(shù)分別為0、30、60、90、120和150次條件下，應(yīng)變?yōu)?×10-3時，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力分別為31.5MPa、21.5MPa、18MPa、16.5MPa、14MPa和11MPa；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.6×10-3時，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力分別為30.5MPa、26MPa、23MPa、20.5MPa、18.5MPa和16MPa；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?×10-3時，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力分別為28.5MPa、24.5MPa、21.5MPa、19.5MPa、18MPa和17MPa。由此可知，在凍融循環(huán)下，橡膠混凝土單軸壓縮下的峰值應(yīng)力均先變大，再變小。在高應(yīng)變率作用下，試件受荷載作用時間較短，試件內(nèi)部的孔隙來不及被壓縮就直接進(jìn)入彈性變形階段，此階段其峰值應(yīng)力快速增大。隨著應(yīng)變率逐漸增大，橡膠混凝土試塊變形達(dá)到峰值后，試件表面逐漸出現(xiàn)細(xì)小裂紋，應(yīng)變率越大，表面裂紋越明顯。達(dá)到橡膠混凝土受力極限后，混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。

圖1 單軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖2所示，在凍融循環(huán)下對橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗。在沖擊氣壓為0.03MPa，凍融次數(shù)分別為0、30、60、90、120和150次條件下，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.005時，橡膠混凝土的應(yīng)力分別為41MPa、35MPa、31MPa、26MPa、21MPa、26.5MPa；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.010時，橡膠混凝土的應(yīng)力分別為42MPa、34MPa、26MPa、22.5MPa、24.5MPa、27.5MPa；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.020時，橡膠混凝土的應(yīng)力分別為20MPa、36MPa、34.3MPa、27.5MPa、22MPa、20MPa。由此可知，在凍融循環(huán)下，橡膠混凝土在沖擊氣壓為0.03MPa時，凍融循環(huán)下的應(yīng)力均先變大，再變小。隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土試件的應(yīng)力逐漸降低，在凍融次數(shù)超過90次后，試件的應(yīng)力變化減少。

3.2 不同氣壓下混凝土的應(yīng)力及吸收能分析

通過對凍融循環(huán)下的橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗，得出混凝土不同沖擊作用下的應(yīng)力曲線及吸收能曲線，如圖3所示。

如圖3（a）所示，凍融循環(huán)下，對橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗。在凍融次數(shù)分別為0、30、60、90、120、150次條件下，當(dāng)沖擊氣壓為0.2 MPa時，混凝土所受應(yīng)力分別為38MPa、31MPa、25MPa、24MPa、21.5 MPa和21MPa；當(dāng)沖擊氣壓為0.3 MPa時，應(yīng)力分別為45MPa、35MPa、30MPa、25.5MPa、22.5MPa、23.5MPa；當(dāng)沖擊氣壓為0.4MPa時，應(yīng)力分別為58MPa、42MPa、35MPa、31.5MPa、27.5MPa和26MPa；當(dāng)沖擊氣壓為0.5MPa時，應(yīng)力分別為70MPa、51MPa、40MPa、34MPa、32.5MPa和30MPa。由此可知，在凍融循環(huán)下，隨著沖擊氣壓的增大，混凝土所受應(yīng)力均隨之變大。凍融循環(huán)次數(shù)在0、30、60次時，應(yīng)力變化明顯增大；凍融循環(huán)次數(shù)在60次后，應(yīng)力變化較小，曲線較平緩。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，橡膠混凝土在冰凍作用及交替溫差狀況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞，內(nèi)部損傷越大，混凝土所受應(yīng)力越小。

如圖3（b）所示，在凍融循環(huán)下，對橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗。在凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、30、60、90、120、150次條件下，當(dāng)沖擊氣壓為0.2 MPa時，混凝土的吸收能分別為25 J、19.5 J、18 J、16 J、13 J和14 J；當(dāng)沖擊氣壓為0.3 MPa時，吸收能分別為32.5 J、27 J、26 J、27 J、22 J和24 J；當(dāng)沖擊氣壓為0.4MPa時，吸收能分別為49 J、39 J、36 J、32 J、27 J、26.5 J；當(dāng)沖擊氣壓為0.5 MPa時，吸收能分別為63 J、52 J、51 J、48 J、37 J和32 J。由此可知，在凍融循環(huán)下，隨著沖擊氣壓的增大，混凝土的吸收能隨之增大。凍融循環(huán)次數(shù)在90次前，混凝土吸收能增加明顯；凍融循環(huán)次數(shù)在90次后，混凝土內(nèi)部發(fā)生破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及橡膠受到損傷，吸收效果隨之降低。

由圖3可知，在凍融循環(huán)下，對橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土所受應(yīng)力及吸收能隨之增加。凍融循環(huán)次數(shù)在60次前，應(yīng)力增大明顯；60次后應(yīng)力變化較小。凍融循環(huán)次數(shù)在90次前，混凝土吸收能增大；90次后吸收能效果降低。

圖3 應(yīng)力及吸收能曲線

3.3 凍融循環(huán)下混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變和吸收能分析

通過對凍融循環(huán)下的橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗，沖擊氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa得出凍融循環(huán)下橡膠混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變和吸收能變化。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0次時，混凝土所受應(yīng)力分別為38MPa、45.5MPa、58MPa和70.5MPa；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為30次時，所受應(yīng)力分別為31MPa、37MPa、44MPa和54MPa；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為60次時，所受應(yīng)力分別為23MPa、27MPa、34MPa和38MPa；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為150次時，所受應(yīng)力分別為21MPa、24MPa、30MPa和32MPa。由此可知，相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠混凝土所受應(yīng)力隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土在沖擊作用下所受應(yīng)力越小。在凍融循環(huán)次數(shù)超過80次后，應(yīng)力的變化較緩慢，曲線較平滑。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0次時，混凝土的峰值應(yīng)變分別為19.8×10-3、21.8×10-3、23.3×10-3和24.1×10-3；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為30次時，峰值應(yīng)變分別為21.5×10-3、22.7×10-3、24×10-3和24.8×10-3；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為90次時，峰值應(yīng)變分別為22.5×10-3、23.8×10-3、25.3×10-3和26.4×10-3；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為150次時，峰值應(yīng)變分別為23×10-3、25×10-3、26.4×10-3和28×10-3。由此可知，相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠混凝土的峰值應(yīng)變隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的峰值應(yīng)變隨之增加?；炷猎趦鋈谘h(huán)過程中，內(nèi)部孔隙存留的水產(chǎn)生冰凍膨脹，使試件內(nèi)部的孔隙產(chǎn)生裂紋和變形。反復(fù)的溫差過程加劇了混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，增加了混凝土內(nèi)部損傷，在相同氣壓的沖擊下，試件更容易被坡壞，峰值應(yīng)變隨之增加。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0次時，混凝土的吸收能分別為25 J、34 J、50 J和61 J；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為30次時，吸收能分別為19 J、28 J、41 J和54 J；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為60次時，吸收能分別為18 J、26 J、39 J和53 J；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為90次時，吸收能分別為16 J、29 J、33 J和50 J；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為150次時，吸收能分別為14 J、27 J、30 J和38 J。由此可知，相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠混凝土的吸收能隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的吸收能隨之下降。在凍融循環(huán)過程中，混凝土和橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，內(nèi)部損傷越大，混凝土的吸能能力越小。

由此可知，在凍融循環(huán)下對橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗，凍融循環(huán)次數(shù)相同時，橡膠混凝土所受應(yīng)力、應(yīng)變和吸收能隨氣壓的增大而增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土所受應(yīng)力和吸收能隨之減少，混凝土的峰值應(yīng)變隨之增大。

4 結(jié)論

在凍融循環(huán)條件下，該文對橡膠混凝土進(jìn)行了單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，可得如下結(jié)論：1）凍融循環(huán)下，橡膠混凝土單軸壓縮下的峰值應(yīng)力均先變大，再變小，隨應(yīng)變率逐漸增大。橡膠混凝土試塊變形達(dá)到受力極限后，混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。在凍融循環(huán)下，當(dāng)橡膠混凝土沖擊氣壓為0.03 MPa時，所受應(yīng)力均先變大，再變小，隨著凍融次數(shù)的增加，所受應(yīng)力逐漸降低。2）在凍融循環(huán)下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土所受應(yīng)力及吸收能隨之增加。凍融循環(huán)次數(shù)在60次前，應(yīng)力增大明顯在60次后，應(yīng)力變化較小。凍融循環(huán)次數(shù)在90次前，混凝土吸收能增大；90次后，吸收能效果降低。3）相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，橡膠混凝土所受應(yīng)力、應(yīng)變和吸收能隨氣壓的增大而增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土所受應(yīng)力和吸收能隨之減少，混凝土的峰值應(yīng)變隨之增大。