陳徐東, 黃業(yè)博, 陳 晨

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

數(shù)據(jù)[1]顯示,每年全球有近10億條輪胎達(dá)到使用壽命,其中50%以上未經(jīng)任何處理就進(jìn)行填埋,造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染.隨著高速公路等工程建設(shè)需求的日益增長(zhǎng),推廣高韌性混凝土顯得尤為必要.將廢舊輪胎加工成橡膠顆粒摻入到混凝土中,不僅可以消耗大量廢舊橡膠,解決環(huán)保問(wèn)題,還能增強(qiáng)混凝土的韌性[2].此外,運(yùn)用自密實(shí)技術(shù)能夠有效提高橡膠顆粒與水泥基體的黏結(jié)效果,使其性能更優(yōu)[3].Turatsinze等[4]發(fā)現(xiàn),摻入橡膠顆粒可使自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量有所降低;羅素蓉等[5]研究表明,摻入橡膠后自密實(shí)混凝土的斷裂韌性與抗裂性能明顯改善.然而現(xiàn)有研究大多是斷裂力學(xué)參數(shù)的計(jì)算,對(duì)橡膠顆粒影響自密實(shí)混凝土斷裂性能的機(jī)制尚不明確.聲發(fā)射(AE)能夠簡(jiǎn)便快捷地判別混凝土在受力狀態(tài)下內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展,可以有效評(píng)價(jià)混凝土材料破壞機(jī)制[6-7].如胡少偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)利用聲發(fā)射特征參數(shù)可以判斷試件起裂及失穩(wěn)臨界時(shí)刻;Chen等[9]指出聲發(fā)射信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)疲勞裂紋的發(fā)展情況.

本文結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)開(kāi)展了4種橡膠摻量(體積分?jǐn)?shù))自密實(shí)混凝土的三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn),基于聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法,對(duì)不同橡膠摻量自密實(shí)混凝土的斷裂性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,海螺水泥廠產(chǎn),性能指標(biāo)均滿(mǎn)足GB 175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》規(guī)定,表觀密度為3.10g/cm3,燒失量為1.99%.粉煤灰：Ⅰ級(jí),表觀密度為2.25g/cm3,燒失量為1.78%.硅灰：Ⅰ級(jí),燒失量為1.8%.橡膠：由橡膠輪胎在常溫下切割制得,其外觀見(jiàn)圖1,粒徑為2.76～4.75mm,物理性能見(jiàn)表1.砂：細(xì)度模數(shù)為2.56的天然河砂,各項(xiàng)標(biāo)均滿(mǎn)足GB/T 14684—2001《建筑用砂》規(guī)定.粗骨料：普通碎石,最大粒徑不超過(guò)20mm,表觀密度為2.6g/cm3,堆積密度為1.49g/cm3.減水劑：聚羧酸型減水劑,南京瑞迪高新技術(shù)有限公司提供.拌和水：自來(lái)水.

圖1 橡膠顆粒外觀Fig.1 Appearance of rubber particles

表1 橡膠顆粒的物理性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制備

選擇一種自密實(shí)混凝土的配合比作為基準(zhǔn)配合比,在保持膠凝材料用量及水膠比一定的前提下,按照0%、10%、20%和30%的比例用橡膠顆粒等體積替代細(xì)骨料,得到4組橡膠自密實(shí)混凝土配合比(見(jiàn)表2),其相關(guān)性能見(jiàn)表3.

表2 橡膠自密實(shí)混凝土配合比

表3 橡膠自密實(shí)混凝土的工作性能和力學(xué)性能

橡膠自密實(shí)混凝土試件尺寸為400mm×100mm×100mm,試件在澆筑完成且養(yǎng)護(hù)1d后拆模,隨后灑水養(yǎng)護(hù)至28d.預(yù)制裂縫在試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后切割而成,厚度為2mm,初始縫高比(初始裂縫長(zhǎng)度(a)與試件總高度(D)之比)為0.3.

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1斷裂試驗(yàn)

橡膠自密實(shí)混凝土三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)采用MTS-322液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,跨度為300mm.采用夾式引伸計(jì)測(cè)量試件裂縫口張開(kāi)位移(CMOD),并用該CMOD值控制加載,加載速率為0.001mm/s.試驗(yàn)開(kāi)始前,在試件裂縫開(kāi)口兩側(cè)相距6mm處分別貼上厚度為1.5mm的小鐵片,用于安裝引伸計(jì).對(duì)4種橡膠自密實(shí)混凝土試件進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn).

1.3.2聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)使用美國(guó)PAC公司研制的八通道SAMOSTM聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裂縫的開(kāi)展情況,門(mén)檻值設(shè)為35dB,前置增益為35dB,濾波頻率為1～60kHz.在試件前后表面布置4個(gè)傳感器,具體位置見(jiàn)圖2,傳感器布設(shè)前在聲發(fā)射傳感器與試件的接觸面上涂抹凡士林,并采用松緊帶纏繞固定傳感器.

由圖5可知，菜籽油是香辣香菇風(fēng)味醬的主要組成部分，因此菜籽油的用量對(duì)風(fēng)味醬的口味有著重要的影響。油量過(guò)多，香菇醬過(guò)于油膩；油量過(guò)少，香菇醬口感粗糙，香味不夠，口感不好；用量200 mL時(shí)最佳，感官評(píng)分為89分。

圖2 聲發(fā)射設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of AE device(size:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 斷裂力學(xué)性能

2.1.1P-CMOD曲線(xiàn)

為便于比較,對(duì)重復(fù)試驗(yàn)中相同CMOD值下的荷載(P)取平均值,得到4種橡膠自密實(shí)混凝土試件的P-CMOD曲線(xiàn),如圖3所示.由圖3可知：隨著橡膠摻量的增加,試件的峰值荷載整體上呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì),同時(shí)P-CMOD曲線(xiàn)的峰后軟化階段變得更加平緩,說(shuō)明橡膠自密實(shí)混凝土的延性有所改善.主要原因是橡膠顆粒屬于彈性體,具有較低的彈性模量和較強(qiáng)的變形能力,使自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和彈性模量略低于基準(zhǔn)混凝土,而在斷裂試驗(yàn)中,橡膠顆粒不僅會(huì)像均勻分布的小彈簧一樣承擔(dān)部分彎曲荷載,還能發(fā)揮類(lèi)似于纖維的作用,阻止微裂縫擴(kuò)展,延緩新裂縫出現(xiàn),提高變形能力,從而在對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土峰值荷載影響不大的情況下,顯著提高其延性和韌性.

圖3 4種橡膠自密實(shí)混凝土的P-CMOD曲線(xiàn)Fig.3 P-CMOD curves of four kinds of rubber self-compacting concretes

2.1.2斷裂能

斷裂能為裂縫擴(kuò)展單位面積時(shí)外力所做的功(假定外力所做的功全部用于裂縫的擴(kuò)展),是用于表征材料抵制裂縫擴(kuò)展能力的一個(gè)斷裂力學(xué)參數(shù).根據(jù)圖3中的P-CMOD曲線(xiàn),采用式(1)、(2)對(duì)裂縫口張開(kāi)位移即CMOD=0.4mm時(shí)的斷裂能Gf(N/mm) 進(jìn)行求解[10],結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 橡膠自密實(shí)混凝土斷裂試驗(yàn)結(jié)果

(1)

(2)

式中：W0為P-CMOD曲線(xiàn)所包圍面積,即斷裂過(guò)程中所做的功,N·mm;W1為試件和加載支座在重力作用下所做的功,N·mm;Alig為梁斷裂帶面積,mm2;S為試件跨度,mm;L為試件長(zhǎng)度,mm;m1為試件質(zhì)量,kg;m2為試件上方加載支座質(zhì)量,kg；g為重力加速度，m/s2.

由表4可知：與基準(zhǔn)混凝土相比,橡膠顆粒的摻入提高了自密實(shí)混凝土試件的斷裂能,且隨橡膠摻量的增加,試件斷裂能呈現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì),當(dāng)橡膠摻量為10%、20%和30%時(shí),試件斷裂能分別較基準(zhǔn)混凝土提高1.5%、18.5%和21.0%,當(dāng)橡膠摻量由10%提高至20%時(shí),試件斷裂能提升幅度最為顯著,達(dá)到16.8%.其原因是隨著橡膠摻量的增加,自密實(shí)混凝土裂縫擴(kuò)展界面上橡膠顆粒數(shù)目逐漸增多,除水泥基體和原有骨料對(duì)裂縫擴(kuò)展起到阻礙作用外,橡膠顆粒還通過(guò)自身產(chǎn)生壓縮或拉伸變形吸收部分外荷載對(duì)自密實(shí)混凝土所做的功,使得斷裂能有所增加.

2.2 聲發(fā)射特征分析

2.2.1累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)

聲發(fā)射信號(hào)活度可以通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的振鈴計(jì)數(shù)或累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線(xiàn)來(lái)表述,以表征聲發(fā)射信號(hào)源的活動(dòng)程度,反映材料缺陷,如裂紋的實(shí)時(shí)變化和發(fā)展情況.累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增長(zhǎng)越快,表明聲發(fā)射信號(hào)活度越大,說(shuō)明材料損傷發(fā)展速率越快.

圖4展示了不同橡膠摻量下,試件荷載、聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)及累計(jì)撞擊次數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn).由圖4可見(jiàn)：在不同橡膠摻量條件下,試件的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊次數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)中均出現(xiàn)了2個(gè)較為明顯的拐點(diǎn).其中,第1個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載峰值,隨后荷載曲線(xiàn)進(jìn)入到軟化階段,聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)的增長(zhǎng)速率出現(xiàn)了較為明顯的提高;第2個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)曲線(xiàn)軟化階段,此時(shí)聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)的增長(zhǎng)速率降低.

圖4 試件荷載、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation curves of load, cumulative counts and hits vs. time

Hu等[11]在研究邊界效應(yīng)對(duì)混凝土斷裂能的影響時(shí)引入了局部斷裂能(gf)的概念.gf表示單位長(zhǎng)度裂縫穩(wěn)定增長(zhǎng)區(qū)域的斷裂能,基于此，得到新的斷裂能計(jì)算表達(dá)式,兩者表達(dá)式見(jiàn)式(3)、(4),其原理如圖5所示.因此可以認(rèn)為圖4中第2個(gè)拐點(diǎn)的出現(xiàn)是由混凝土邊界效應(yīng)所引起的,表明此時(shí)混凝土內(nèi)部裂縫擴(kuò)展到了邊界區(qū)域.隨著橡膠摻量的增加,混凝土邊界區(qū)域的長(zhǎng)度有所減小,當(dāng)橡膠摻量從10%增加到20%時(shí),該長(zhǎng)度變化最大,符合前文所述的斷裂能變化規(guī)律.

圖5 局部斷裂能和邊界效應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of local fracture energy and boundary effect

(3)

(4)

圖6為試件累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊次數(shù)與橡膠摻量的關(guān)系.由圖6可知,隨著橡膠摻量的增加,試件累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)撞擊次數(shù)逐漸減少,說(shuō)明橡膠的摻入降低了聲發(fā)射信號(hào)的活性.其主要原因有：橡膠顆粒破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)較弱,幅值低于門(mén)檻值,從而使信號(hào)活度降低;橡膠顆粒連接裂縫之間的空隙降低了裂縫擴(kuò)展的鋒利程度,對(duì)裂尖能量進(jìn)行了有效吸收和傳遞,降低了信號(hào)的活度;橡膠顆?？梢晕詹糠致暡?從而使得聲發(fā)射信號(hào)減弱.

圖6 累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊次數(shù)與橡膠摻量的關(guān)系Fig.6 Relationship between cumulative counts,cumulative hits and rubber content

2.2.2聲發(fā)射事件數(shù)

一般測(cè)量方法只能分析試件表面發(fā)生的位移或應(yīng)變,而在聲發(fā)射技術(shù)中,由于所測(cè)得的聲波是時(shí)間和空間的函數(shù),可以通過(guò)彈性波到傳感器的傳播時(shí)間、傳播速度等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源的三維定位,并通過(guò)聲發(fā)射源的位置映射出混凝土梁內(nèi)部的裂紋和損傷情況.

材料的1個(gè)聲發(fā)射事件是指1個(gè)或幾個(gè)撞擊所鑒別出來(lái)的1次局部變化.本文利用AE-WIN軟件得到聲發(fā)射源的位置,如圖7所示.圖7中展示了信號(hào)源在主視、俯視和側(cè)視3個(gè)平面的分布情況.由圖7可知：聲發(fā)射源的位置主要集中在斷裂帶的兩側(cè),累計(jì)事件數(shù)和橡膠摻量之間沒(méi)有明顯的定量關(guān)系,但隨著橡膠摻量的增加,聲發(fā)射源位置點(diǎn)密集分布區(qū)域的寬度有所增加.此外,與基準(zhǔn)混凝土試件相比,橡膠自密實(shí)混凝土試件頂部區(qū)域的聲發(fā)射事件數(shù)有明顯增加.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是,在試驗(yàn)加載過(guò)程中,當(dāng)裂縫尚未發(fā)育貫穿至基準(zhǔn)混凝土頂部時(shí),試件已基本不具備承載能力,被視為破壞,加載因此終止,而橡膠自密實(shí)混凝土在裂縫基本貫穿到試件頂部時(shí)仍具有一定承載能力,說(shuō)明摻入的橡膠起到了提高混凝土延性的作用.

圖7 聲發(fā)射源位置圖Fig.7 AE source location

Ranjbar等[12]研究認(rèn)為,聲發(fā)射事件數(shù)的分布情況與混凝土斷裂區(qū)寬度有直接關(guān)系.本文以5mm為1個(gè)單位區(qū)間,假定斷裂區(qū)內(nèi)任意區(qū)間所包含的事件數(shù)均不小于Nmax的20%(Nmax表示不同區(qū)間所包含事件數(shù)的最大值),可以得到斷裂區(qū)寬度(WFPZ),結(jié)果見(jiàn)圖8.由圖8可以看出：聲發(fā)射事件數(shù)最大的區(qū)間基本出現(xiàn)在試件預(yù)制裂縫附近,在斷裂區(qū)以外的區(qū)間上聲發(fā)射事件數(shù)均小于Nmax的20%,斷裂區(qū)寬度隨著橡膠摻量的增加而增加.這說(shuō)明摻入橡膠能夠?qū)⑼夂奢d作用所產(chǎn)生的能量進(jìn)行有效擴(kuò)散,從而提高材料的韌性[13].

圖8 不同橡膠摻量下聲發(fā)射事件數(shù)沿試件長(zhǎng)度方向的分布情況Fig.8 Distribution of AE events along the length of specimens under different rubber contents

2.2.3RA-AF值

上升角(RA)值即上升時(shí)間與幅值的比值,為上升時(shí)間段信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)梯度的倒數(shù).平均頻率(AF)值為振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值.若RA值小,AF值大,則說(shuō)明信號(hào)波形梯度大,脈沖窄,信號(hào)頻率高,符合拉伸裂紋產(chǎn)生的信號(hào)特征,反之符合剪切裂紋產(chǎn)生的信號(hào)特征.因而,高RA值、低AF值對(duì)應(yīng)剪切破壞,而低RA值、高AF值對(duì)應(yīng)拉伸破壞.RA值和AF值可用來(lái)分析混凝土的破裂模式[14].

圖9為4種橡膠自密實(shí)混凝土試件的RA-AF關(guān)系曲線(xiàn).由圖9可以看出,當(dāng)橡膠摻量增加時(shí),與基準(zhǔn)混凝土試件相比,橡膠自密實(shí)混凝土試件的RA值顯著減小,相比之下,AF值表現(xiàn)出一定程度的增大,表明橡膠自密實(shí)混凝土試件拉伸裂紋比例逐漸增加,拉伸破壞的趨勢(shì)增大.

圖9 不同橡膠摻量下試件的RA-AF關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 RA-AF relation curves of specimens under different rubber contents

3 結(jié)論

(1)橡膠摻量對(duì)橡膠自密實(shí)混凝土峰值荷載的影響較小,但對(duì)其P-CMOD曲線(xiàn)荷載下降段的影響較大.橡膠自密實(shí)混凝土的斷裂能隨著橡膠摻量的增加而增大,說(shuō)明自密實(shí)混凝土中摻入適量橡膠后,其延性和韌性得到提升.

(2)橡膠自密實(shí)混凝土的斷裂破壞過(guò)程受“邊界效應(yīng)”的影響明顯.橡膠摻量的增加使得橡膠自密實(shí)混凝土邊界區(qū)域長(zhǎng)度減小,聲發(fā)射信號(hào)活度降低.聲發(fā)射定位可用于計(jì)算橡膠自密實(shí)混凝土斷裂過(guò)程區(qū)寬度,該寬度值隨橡膠摻量的增加而增加,橡膠顆?？梢云鸬轿蘸蛿U(kuò)散能量的作用.

(3)RA值和AF值可用于分析混凝土的破裂模式.自密實(shí)混凝土拉伸裂紋的比例隨著橡膠摻量的增加而增大.