不同沖擊氣壓下橡膠混凝土力學(xué)性能研究

顏劍秋

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

廢舊橡膠的產(chǎn)生既占用了大量的土地資源，也造成了環(huán)境污染，為將廢舊橡膠制成橡膠混凝土進(jìn)行回收再利用，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了多方面研究。胡仁桂[1]對(duì)橡膠混凝土單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€數(shù)學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著橡膠摻量增大，軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，在外部荷載下易產(chǎn)生延性破壞；龍一飛等[2]對(duì)凍融循環(huán)下橡膠混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明素混凝土中適量摻入橡膠顆粒，其韌性及吸能效果明顯增加；李龍梓等[3]進(jìn)行了大摻量廢舊輪胎橡膠粉對(duì)混凝土性能的研究，結(jié)果表明混凝土中適量的摻入橡膠粉，能有效提高混凝土的耐磨性能以及抗凍性能；楊春峰等[4]對(duì)橡膠混凝土單軸受壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明橡膠混凝土較素混凝土應(yīng)力應(yīng)變平緩，力學(xué)性能降低；鄭邦容等[5]對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能與耐久性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明摻入橡膠顆粒后，混凝土的力學(xué)性能降低，而耐久性和抗壓能力有顯著增強(qiáng)；趙行之等[6]對(duì)沖擊荷載作用下橡膠混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)荷載作用下，橡膠混凝土的破壞程度小于素混凝土，橡膠摻量為3%的混凝土吸能效果最佳；付毓等[7]對(duì)橡膠混凝土受壓破壞機(jī)理的余能基面力元進(jìn)行了分析，結(jié)果表明隨著橡膠摻量的增加，抗壓性能明顯降低，其中分散均勻的橡膠顆粒能有效防止混凝土局部破壞；付乾等[8]對(duì)基于正交試驗(yàn)的橡膠混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行了研究，結(jié)果表明相較于素混凝土，橡膠混凝土中橡膠顆粒的摻入，使混凝土的強(qiáng)度有所降低，但提高了混凝土的延性、韌性和耗能能力。

對(duì)于不同沖擊氣壓下橡膠混凝土的力學(xué)性能，以上研究并沒(méi)有系統(tǒng)分析。針對(duì)此問(wèn)題，本文進(jìn)行了素混凝土和橡膠混凝土在不同氣壓作用下的沖擊試驗(yàn)，對(duì)素混凝土和橡膠混凝土的力學(xué)性能、韌性和單位吸能進(jìn)行了分析。

1 工程概況

本項(xiàng)目為某水電站配套項(xiàng)目，建設(shè)大型停車(chē)場(chǎng)工程，擬采用橡膠混凝土建造大型停車(chē)場(chǎng)。該停車(chē)場(chǎng)停車(chē)數(shù)量較多，車(chē)輛出入頻繁，因此停車(chē)場(chǎng)所用的橡膠混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度、吸能、減震和降噪有較高的要求，為保證停車(chē)場(chǎng)使用年限不少于30a，須對(duì)所采用的橡膠混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所采用的材料分別為P.O42.5水泥、天然河砂、碎石、橡膠顆粒及減水劑，水泥為普通硅酸鹽水泥，河砂為粒徑0.35～0.5mm優(yōu)質(zhì)中砂，碎石為6～18mm天然花崗石，橡膠顆粒為0.8～3.2mm的不規(guī)則顆粒，其宏觀形態(tài)如圖1(a)所示，其微觀形態(tài)如圖1(b)所示。

圖1 橡膠顆粒

首先制備橡膠混凝土試件，試件中橡膠的摻量為總體積的10%。設(shè)置基準(zhǔn)素混凝土強(qiáng)度為40MPa，在素混凝土中摻入10%的橡膠顆粒代替河砂，橡膠混凝土質(zhì)量配合比見(jiàn)表1。

表1 橡膠混凝土質(zhì)量配合比 單位：kg/m3

制備的試件為圓柱體，直徑為74mm，高度為37mm，以此規(guī)格試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件，將制備完成的試件分為6組，每組3個(gè)，全部放入相對(duì)濕度大于95%、溫度為20±3℃的條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期不小于28d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試件表面打磨，使兩端面保持水平，水平誤差保持在0.05mm以下，單面平整度保持在0.02mm以下。

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用Φ74mm變截面SHPB試驗(yàn)設(shè)備對(duì)橡膠混凝土試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮，試驗(yàn)中設(shè)置4種沖擊氣壓對(duì)試件進(jìn)行沖擊壓縮，4種氣壓強(qiáng)度分別為0.25、0.35、0.45、0.55MPa。將試件放入試驗(yàn)設(shè)備中，平行于設(shè)備的入射桿和透射桿，子彈在沖擊氣壓下獲取速度撞擊入射桿，在子彈撞入試件頂端的瞬間產(chǎn)生脈沖，形成入射波，一部分入射波透過(guò)試件傳遞到另一端的透射桿，形成透射波，另一部分入射波從試件頂端接觸面反射回入射桿，形成反射波。施加的脈沖信號(hào)被入射桿和透射桿上的電阻應(yīng)變片收集，收集的脈沖信號(hào)通過(guò)示波器進(jìn)行顯示，其顯示的波形如圖2所示。

圖2 脈沖信號(hào)波形圖

由圖2可知，試件在子彈的沖擊下，入射波信號(hào)先快速增大再減小，在240μs時(shí)，入射信號(hào)達(dá)到峰值，隨著時(shí)間的增加，在380μs時(shí)入射波信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩部分，一部分形成透射波，另一部分形成反射波。轉(zhuǎn)換后的透射波和反射波均先增大再減小，直至受力消失。

為保證沖擊試驗(yàn)的有效性，根據(jù)沖擊試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，對(duì)試件進(jìn)行應(yīng)力平衡檢測(cè)，得出應(yīng)力平衡曲線，如圖3所示。在50μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為40、-32、8、9MPa;在100μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為48、-24、24、24.5MPa;在150μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為49、-38、18、19MPa;在200μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為50、-39、10、12MPa;在250μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為38、-20、16、17MPa;在300μs時(shí)，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、入射+反射平均應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為0、7、10、11MPa。由此可知，隨著時(shí)間的增加，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力沿波傳播方向先增加再逐漸衰減，在傳播過(guò)程中，應(yīng)力在試件內(nèi)部發(fā)生多次反射，兩端應(yīng)力差逐漸減少直至消失[9- 10]。

圖3 應(yīng)力平衡曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土的力學(xué)性能分析

對(duì)相同配合比的素混凝土和橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗(yàn)，得出不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4(a)可知，在強(qiáng)度為0.25、0.35、0.45、0.55MPa氣壓沖擊下，當(dāng)應(yīng)變率為0.005時(shí)，素混凝土的應(yīng)力分別為30、43、60、70MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.010時(shí)，素混凝土的應(yīng)力為40、45.5、50、67MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.014時(shí)，素混凝土的應(yīng)力為3、21、10、73MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.015時(shí)，強(qiáng)度為0.25MPa氣壓沖擊下素混凝土試件的應(yīng)力已消失，強(qiáng)度為0.35、0.45、0.55MPa氣壓沖擊下素混凝土試件的應(yīng)力分別為12、2.5、74MPa。由此可知，不同氣壓沖擊下，素混凝土的應(yīng)力先增大再減小，在0.55MPa氣壓沖擊下，素混凝土應(yīng)力最大，在0.25MPa氣壓沖擊下，素混凝土應(yīng)力最小。

由圖4(b)可知，在強(qiáng)度為0.25、0.35、0.45、0.55MPa氣壓沖擊下，當(dāng)應(yīng)變率為0.005時(shí)，橡膠混凝土的應(yīng)力分別為30、40、50、70MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.010時(shí)，橡膠混凝土的應(yīng)力為37、44、56、57MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.015時(shí)，橡膠混凝土的應(yīng)力為38、41、48、60MPa；當(dāng)應(yīng)變率為0.020時(shí)，強(qiáng)度為0.25MPa氣壓沖擊下橡膠混凝土試件的應(yīng)力已消失，強(qiáng)度為0.35、0.45、0.55MPa氣壓沖擊下橡膠混凝土試件的應(yīng)力分別為20、32、54MPa。由此可知，不同氣壓沖擊下，橡膠混凝土的應(yīng)力先增大再減小，在0.55MPa氣壓沖擊下，橡膠混凝土應(yīng)力最大，在0.25MPa氣壓沖擊下，橡膠混凝土應(yīng)力最小。

綜上所述，通過(guò)對(duì)素混凝土和橡膠混凝土的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比，素混凝土的峰值應(yīng)力整體上明顯高于橡膠混凝土，橡膠混凝土的應(yīng)變延性高于素混凝土，其變形能力較素混凝土明顯增強(qiáng)。

3.2 混凝土的韌性及吸能分析

通過(guò)對(duì)素混凝土和橡膠混凝土進(jìn)行不同氣壓的沖擊試驗(yàn)，得出混凝土的韌性和吸能密度曲線，如圖5所示。

圖5 混凝土韌性和吸能密度曲線

由圖5(a)可知，在強(qiáng)度為0.25MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的韌性分別為0.42、0.6；在強(qiáng)度為0.35MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的韌性分別為0.62、0.79；在強(qiáng)度為0.45MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的韌性分別為0.78、1.02；在強(qiáng)度為0.55MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的韌性分別為1.18、1.33。由此可知，隨著沖擊氣壓的增大，素混凝土和橡膠混凝土的韌性明顯增大，在相同的沖擊氣壓下，橡膠混凝土的韌性明顯高于素混凝土，在外力荷載作用下，能夠有效的防止混凝土的脆性破壞。

由圖5(b)可知，在強(qiáng)度為0.25MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的單位吸能密度分別為0.12、0.16J/m3；在強(qiáng)度為0.35MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的單位吸能密度分別為0.17、0.23J/m3；在強(qiáng)度為0.45MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的單位吸能密度分別為0.23、0.33J/m3；在強(qiáng)度為0.55MPa氣壓沖擊下，素混凝土和橡膠混凝土的單位吸能密度分別為0.29、0.38J/m3。由此可知，隨著沖擊氣壓的增大，素混凝土和橡膠混凝土的單位吸能密度明顯增大，在相同的沖擊氣壓下，橡膠混凝土的單位吸能密度明顯高于素混凝土，因此素混凝土中摻入適量的橡膠能增加混凝土的吸能效果。

綜上所述，在不同氣壓沖擊作用下，素混凝土和橡膠混凝土的韌性和單位吸能密度均明顯增大，其中橡膠混凝土較素混凝土增大明顯。在相同的氣壓沖擊作用下，橡膠混凝土的的韌性和單位吸能密度明顯高于素混凝土，因此橡膠混凝土較素混凝土有較好的減震性能和抗沖擊性能，素混凝土中適量摻入橡膠能提高混凝土耐久性，防止混凝土脆性破壞。

4 結(jié)論

本文通過(guò)素混凝土和橡膠混凝土在不同氣壓作用下的沖擊試驗(yàn)，對(duì)橡膠混凝土的力學(xué)性能、韌性和單位吸能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示橡膠混凝土的延性及抗沖擊性能好，韌性及抗沖擊性能及耐久性較素混凝土顯著增加，可有效避免混凝土的脆性破壞；橡膠混凝土的單位吸能密度明顯高于素混凝土，其抗震和減震性能較素混凝土顯著增加。說(shuō)明橡膠可改善混凝土部分力學(xué)性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，但橡膠混凝土較素混凝土抗壓強(qiáng)度峰值降低，在一定程度上降低了混凝土的強(qiáng)度，在具體的工程應(yīng)用中，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。