凍融循環(huán)作用下橡膠混凝土蠕變特性試驗(yàn)研究

李琦， 徐飛， 鄭賀民， 侍軍浩 ， 張建宇

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室， 石家莊 050043；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031； 4. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

隨著國(guó)家對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)大力扶持，如新能源汽車等多種與橡膠密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展[1-2]。將高彈、密實(shí)、穩(wěn)定的不同粒徑橡膠廢料加入混凝土后，可有效改善混凝土的內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)，不僅讓內(nèi)部級(jí)配材料更密實(shí)，在一定程度上可增強(qiáng)混凝土材料的彎曲性、抗沖擊性和抗變形能力等[3-4]，在路面工程上得到廣泛應(yīng)用。而當(dāng)寒區(qū)環(huán)境路面工程應(yīng)用橡膠混凝土?xí)r，綜合有效評(píng)價(jià)其凍融損傷對(duì)橡膠混凝土的推廣具有重要意義。

Eldin等[5]于1993年通過將廢舊輪胎橡膠顆粒摻入普通混凝土中，得到橡膠混凝土(concrete with rubber aggregate，RC)。中外學(xué)者針對(duì)橡膠混凝土開展了大量研究。王婷雅等[6]通過測(cè)試RC在0、-10、-20、20 ℃(常溫)下的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)摻入橡膠對(duì)混凝土在低溫下的抗壓強(qiáng)度起到了改善作用；汪振雙等[7]設(shè)計(jì)了不同摻量、細(xì)度的再生橡膠混凝土，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)得到， RC中加入橡膠廢料可提高相關(guān)抗凍性能，并基于試驗(yàn)結(jié)果得到相應(yīng)的損傷方程；聞洋等[8]以3種橡膠粉摻量和4種橡膠粉細(xì)度為變化參數(shù),對(duì)橡膠混凝土和普通混凝土進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并得出橡膠混凝土脆性系數(shù)；郭琦等[9]設(shè)計(jì)了9組摻入不同粒、和摻量的橡膠粉混凝土并進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，來探究其與RC凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和凍融損傷量?jī)烧咧g的作用機(jī)理，并得到了相應(yīng)的損傷模型。劉艷華等[10]探討了不同水泥強(qiáng)度下，摻入橡膠體積及粒徑對(duì)混凝土性能的影響并回歸分析了橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度關(guān)系式。

中外學(xué)者針對(duì)凍融循環(huán)后的RC各項(xiàng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能開展了大量研究，但對(duì)于道路與橋梁工程用RC，在荷載長(zhǎng)期作用下，RC結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)與時(shí)間相關(guān)的變形，即材料蠕變特性[11-12]。為此，以C40普通混凝土為基準(zhǔn)，以等體積、粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒代替膠凝材料中質(zhì)量10%的中砂配制了一種RC，在0、30、60、90、120、150次的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，進(jìn)行單軸抗壓、單軸蠕變、動(dòng)彈性模量及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗(yàn)，為寒區(qū)路面工程在應(yīng)用RC時(shí)，提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

橡膠顆粒：石家莊某橡膠加工廠生產(chǎn)的大小為3～6 mm的橡膠顆粒。橡膠實(shí)拍和電鏡掃描分別如圖1(a)、圖1(b)所示。可以看出，微觀表現(xiàn)為多孔、層狀及疏松狀；橡膠廢料顆粒作為一種柔性材料的彈性體，摻入混凝土后能顯著改善混凝土的硬脆性[13]。

水泥：選用P·C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥。Ⅰ級(jí)粉煤灰，拌合過程使用普通自來水。采用細(xì)度約為2.8的標(biāo)準(zhǔn)中砂，其中粒徑小于0.075 mm的顆粒不超過20%。石子：連續(xù)級(jí)配碎石。外加劑：聚羧酸減水劑，摻量比例1.0%，含固量15.0%，減水率25.0%，沁水率比為42%，含氣量為2.5%，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 橡膠實(shí)拍和電鏡掃描圖Fig.1 Rubber real shot and scanning electron microscope

表1 復(fù)合式硅酸鹽水泥(P·C42.5)參數(shù)Table 1 Parameters of composite silicate cement (P·C42.5)

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)混凝土基準(zhǔn)配合比為水泥∶砂∶石子∶水∶粉煤灰∶減水劑=310∶791∶1 115∶150∶50∶3.4。具體配合比如表2所示。水灰比為0.41，密度2 420 kg/m3。以等體積、粒徑為3～6 mm的橡膠顆粒代替膠凝材料中質(zhì)量10%的中砂摻入混凝土中。

表2 試件配合比Table 2 Proportion of test piece

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

按表2中配合比制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的混凝土試件，高頻振動(dòng)臺(tái)振搗成型，24 h后拆模，隨后將混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d。每試驗(yàn)組試塊分別進(jìn)行0、30、60、90、120、150次快速凍融試驗(yàn)，每組凍融循環(huán)3個(gè)試塊，共18個(gè)試塊，凍融循環(huán)后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測(cè)其強(qiáng)度。試驗(yàn)采用的是等速位移控制的加載方式，位移速率選為3 mm/min，試驗(yàn)至試件完全破壞，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：fcc為抗壓強(qiáng)度；F為試件所受載荷；A1為試件截面面積；0.9為非標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸折減強(qiáng)度換算系數(shù)。

1.3.2 剝落量測(cè)定

剝落量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為凍融前后試件剝蝕量與表面積之比，可表示為

(2)

式(2)中：Qs為單位面積剝落量，kg/m2；A為RC試件單面面積，m2；m為凍融循環(huán)試驗(yàn)后累積剝落量，kg/m2。

1.3.3 單軸蠕變?cè)囼?yàn)

采用圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊，尺寸為半徑25 mm、高度為100 mm，同上述養(yǎng)護(hù)條件，每組凍融循環(huán)后，采用 CLY15016型電子蠕變松弛試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同凍融循環(huán)處理后的RC試件進(jìn)行單軸抗壓和分級(jí)蠕變?cè)囼?yàn)，其中單軸抗壓試驗(yàn)以0.5 kN/s 的速率加載獲得單軸抗壓強(qiáng)度fc。

壓縮蠕變?cè)囼?yàn)使用分級(jí)等量遞增的試驗(yàn)方式，加載速率0.5 MPa/s，設(shè)計(jì)第一級(jí)應(yīng)力σ是單軸抗壓強(qiáng)度的40%，即σ=0.4fc，逐級(jí)遞增試件抗壓強(qiáng)度的10%，每級(jí)保持12 h。加載系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，從而保證蠕變過程中施加的荷載始終恒定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外貌及剝落量分析

混凝土的內(nèi)部裂隙發(fā)育過程和表面材料的剝落直接反映了RC抗凍耐久性，開展RC凍融循環(huán)試驗(yàn)，進(jìn)行表面特征研究是抗凍服役性能的基礎(chǔ)。RC凍融循環(huán)試驗(yàn)0、30、60、90、120、150次的外觀照片如圖2所示?？梢钥闯?，RC在凍融循環(huán)0～30次混凝土試件表面較平整且形狀、棱角分明，試件中存在的些許孔隙，為試件制作中添加減水劑所致，對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的影響可以忽略；當(dāng)凍融循環(huán)60次后，RC表面開始出現(xiàn)剝落、表面孔洞明顯，直至循環(huán)150次后棱角不再分明，表面凹凸不平，外觀形貌變化大，剝落量也最為嚴(yán)重。

圖2 RC凍融循環(huán)后外觀圖Fig.2 Appearance after RC freeze-thaw cycle

2.2 抗壓強(qiáng)度及剝落量分析

由圖3可知，隨凍融過程次數(shù)的增加，RC外表剝落量逐漸提高，特別是當(dāng)凍融試驗(yàn)進(jìn)行60個(gè)循環(huán)之后，其表面剝蝕現(xiàn)象顯著增加；并且隨著剝落量的增加RC抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，相對(duì)于0次凍融循環(huán)條件下的RC，凍融試驗(yàn)進(jìn)行30～150次循環(huán)作用后，其單軸抗壓強(qiáng)度相較前者下降6.51%～47%，質(zhì)量損失率分別提高了6%～11.2%。

因?yàn)楦邚椥韵鹉z的摻入與混凝土的彈性模量差別較大，混凝土受力過程中，橡膠與混凝土基體黏結(jié)部位極易發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增多，而隨著凍融試驗(yàn)不斷進(jìn)行，RC試件內(nèi)部酥松、疏松多孔，界面黏結(jié)力進(jìn)一步減弱，裂紋縱橫交錯(cuò)，單軸抗壓強(qiáng)度下降，直至失去承載力。

圖3 RC剝落量變化曲線Fig.3 RC peeling volume change curve

2.3 蠕變曲線分析

從圖4中可以看出，凍融循環(huán)作用后RC蠕變曲線均呈階梯狀上升，蠕變應(yīng)力施加到試件瞬間產(chǎn)生瞬時(shí)變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯改變，在應(yīng)力恒定不變階段曲線逐漸平穩(wěn)，發(fā)生蠕變變形。較低應(yīng)力水平作用下以瞬態(tài)變形為主，隨軸壓的增大應(yīng)變逐漸增大，主要表現(xiàn)為速度緩減或等速蠕變，而蠕變后期破壞階段則主要表現(xiàn)為速度緩減、速度相等及速度增加蠕變3個(gè)階段。

RC凍融試驗(yàn)全部循環(huán)后其應(yīng)力水平與瞬時(shí)應(yīng)變之間變化如圖5所示。隨凍融試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的改變各級(jí)水平應(yīng)力作用下RC所產(chǎn)生的瞬時(shí)變形呈線性增大。在第1級(jí)應(yīng)力水平下(σ=0.4fc)， 相較于0次循環(huán)下RC初始瞬時(shí)應(yīng)變，30、60、90、120、150次循環(huán)下RC初始瞬時(shí)應(yīng)變分別增加了7.98%、25.24%、56.23%和 89.96%。0次循環(huán)RC歷時(shí)70 h后發(fā)生破壞，而150次循環(huán)RC蠕變等級(jí)由6級(jí)降為4級(jí)，歷時(shí)40 h則發(fā)生破壞。這表明隨凍融循環(huán)不斷增加，對(duì)RC前期損傷越嚴(yán)重，瞬時(shí)變形增大，蠕變隨時(shí)間發(fā)展，破壞程度降低。按式(3)進(jìn)行擬合，擬合公式參數(shù)如表3所示。

圖4 凍融循環(huán)后RC分級(jí)壓縮蠕變曲線Fig.4 RC graded compression creep curve after freeze-thaw cycles

F(x,y)=ax+b

(3)

式(3)中:F為預(yù)測(cè)凍融循環(huán)后蠕變損傷時(shí)間函數(shù)；x為不同應(yīng)力水平下蠕變損傷時(shí)間；y為應(yīng)變；a、b為相關(guān)系數(shù)因子。

圖5 凍融循環(huán)后RC應(yīng)力水平與瞬時(shí)應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Relationship between stress level and instantaneous strain of RC after freeze-thaw cycle

表3 凍融次數(shù)擬合公式參數(shù)Table 3 Freeze-thaw times fitting formula parameters

2.4 RC蠕變破壞臨界應(yīng)力及其相對(duì)動(dòng)彈性模量

為探究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)RC蠕變?cè)囼?yàn)參數(shù)的影響程度，定義不同凍融循環(huán)次數(shù)后RC應(yīng)變?chǔ)與與總應(yīng)變?chǔ)舤比值為β，如式(4)所示，β的增加表明RC蠕變行為的增加，反之則表明蠕變行為的減少。

(4)

式(4)中：β為蠕變行為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

從圖6中可以看出，β在較低的應(yīng)力水平下降，但隨著應(yīng)力水平σ/fc的增加而降低，達(dá)到臨界值，應(yīng)力水平越高，β值逐漸增大。這主要是由于臨界點(diǎn)之前，隨σ/fc的遞增，瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?大幅增加，總應(yīng)變?chǔ)舤增加，進(jìn)而導(dǎo)致β呈下降趨勢(shì)。而臨界點(diǎn)之后，RC內(nèi)部損傷加劇，εc增量顯著，β隨應(yīng)力水平呈冪函數(shù)增加趨勢(shì)。對(duì)于RC進(jìn)行0次循環(huán)后，應(yīng)力程度從σ/fc=0.4增加到0.7時(shí)，β值從6.48%降低到5.14%，增加至0.8時(shí)，β值增加至4.63%，在最后一級(jí)應(yīng)力水平下，β值達(dá) 12.59%。

同時(shí)結(jié)合圖7可以看出，隨凍融試驗(yàn)循環(huán)過程、應(yīng)力水平的提升，RC相對(duì)動(dòng)彈性模量均逐步出現(xiàn)降低現(xiàn)象，并且σ/fc=0.5應(yīng)力水平之后的RC試件降幅迅速提升，應(yīng)力水平增加到0.6時(shí)，凍融循環(huán)0～150次RC試件相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降低了4.17%、7.53%、9.89%、11.11%、14.94%及31.58%。結(jié)合文獻(xiàn)[13]與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：RC試件蠕變應(yīng)力低于峰值強(qiáng)度的50%時(shí)，判斷結(jié)構(gòu)是安全的。超過該臨界值時(shí)，判別安全標(biāo)準(zhǔn)取決于其應(yīng)力荷載及凍融循環(huán)次數(shù)。

圖6 β與σ/fc的關(guān)系Fig.6 Relationship betweenn β and σ/fc

圖7 應(yīng)力水平與相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.7 Stress level and relative dynamic elastic modulus

3 微觀機(jī)理分析

目前，混凝土受凍融循環(huán)影響產(chǎn)生損傷的理論主要有：靜水壓理論[14]、滲透壓理論[15]、冰晶生長(zhǎng)理論[16]以及其他理論。上述理論主要對(duì)混凝土基體中自由水或孔隙水在受到凍脹-熱縮環(huán)境中表現(xiàn)不同，從而表征出不同的損傷理論。

從圖8可以看出，未受凍融循環(huán)損傷的RC，橡膠顆粒與混凝土基體黏結(jié)良好，水泥石之間的結(jié)合較為緊密，大量C-S-H凝膠、Aft鈣礬石晶體和Ca(OH)2觀察可見，其中圖8(b)為圖8(a)的倍數(shù)觀察區(qū)。凍融循環(huán)30次后，如圖9所示，混凝土基體及基體與橡膠顆粒黏結(jié)處，開始出現(xiàn)疏松地針刺狀結(jié)晶體，循環(huán)60次之后，如圖10所示，針刺狀晶體明顯增多，橡膠顆粒與基體黏結(jié)性能降低，此時(shí)相較于0次循環(huán)RC，其抗壓強(qiáng)度下降22.6%、相對(duì)動(dòng)彈性模量降低31.59%。

RC基體是由不同熱膨脹系數(shù)的橡膠顆粒、砂、石、水泥水化機(jī)制以及基體自由水組成的，在凍融循環(huán)的影響下，不同熱膨脹系數(shù)的RC基體產(chǎn)生微裂縫，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，90次凍融循環(huán)后的RC如圖11(a)所示，微裂縫逐漸發(fā)展貫通，裂縫明顯如圖11(b)所示，RC抗壓強(qiáng)度及相對(duì)動(dòng)彈性模量相較于0次循環(huán)分別降低28.75%、36.87%。

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其黏結(jié)性能逐漸降低甚至脫離，由如圖12(a)、圖12(b)倍數(shù)觀察區(qū)所示，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)120次后RC內(nèi)部裂隙尤其發(fā)育。造成RC內(nèi)部孔隙增大，強(qiáng)度降低。

圖8 0次凍融循環(huán)SEM圖Fig.8 SEM image after 0 freeze-thaw cycles

圖9 30次凍融循環(huán)后SEM圖Fig.9 SEM images after 30 freeze-thaw cycles

圖10 60次凍融循環(huán)SEM圖Fig.10 SEM images after 60 freeze-thaw cycles

圖11 90次凍融循環(huán)SEM圖Fig.11 SEM images after 90 freeze-thaw cycles

圖12 120次凍融循環(huán)SEM圖Fig.12 SEM images after 120 freeze-thaw cycles

循環(huán)150次后如圖13(a)、圖13(b)所示，橡膠顆粒與基體黏結(jié)面基本上由強(qiáng)度較低的針刺狀結(jié)晶體填充，RC試件結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙率增大，疏松多孔，貫通縫隙清晰可見。

圖13 150次凍融循環(huán)SEM圖Fig.13 SEM images after 150 freeze-thaw cycles

4 結(jié)論

(1)隨橡膠廢料摻入和凍融循環(huán)次數(shù)改變，橡膠混凝土RC試件的外表剝落量逐漸增大，尤其是60次之后剝落增幅加大，直至循環(huán)150次后棱角不再分明，表面凹凸不平，試件外形出現(xiàn)明顯變化，剝落侵蝕現(xiàn)象顯著增加。

(2)RC外表剝落量與其抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，剝落量越大、抗壓強(qiáng)度越低；相較0次凍融試驗(yàn)條件下的RC，30～150次凍融循環(huán)作用下其單軸抗壓強(qiáng)度分別降低6.51%～47%，質(zhì)量損失率分別提高了6%～11.2%。

(3)隨凍融循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的改變，蠕變破壞達(dá)到其臨界值的應(yīng)力水平越低、相對(duì)動(dòng)彈性模量也逐漸降低，RC試件蠕變應(yīng)力低于峰值強(qiáng)度的50%時(shí)，判斷結(jié)構(gòu)是安全的。超過該臨界值時(shí)，判別安全標(biāo)準(zhǔn)取決于其應(yīng)力荷載及凍融循環(huán)次數(shù)。

(4)RC隨凍融循環(huán)過程的改變，不同熱膨脹系數(shù)的RC基體細(xì)微裂隙逐漸發(fā)展、貫通，橡膠顆粒與混凝土兩者之間黏結(jié)性能逐漸出現(xiàn)下降現(xiàn)象甚至完全脫離。RC內(nèi)部孔隙和黏結(jié)面裂隙明顯可見，導(dǎo)致RC結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率增大、力學(xué)性能的降低。