韓辰悅，龐建勇

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001)

0 引 言

混凝土施工方便且經(jīng)久耐用，被廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)中[1]。與此同時(shí)，隨著中國(guó)廢舊橡膠輪胎越來越多，日益加劇的“黑色污染”導(dǎo)致我國(guó)生態(tài)環(huán)境惡化[2]。預(yù)計(jì)到2030年，全世界廢舊橡膠輪胎將達(dá)到50億條，為應(yīng)對(duì)其帶來的危害，如何處理廢舊橡膠，已成為研究熱點(diǎn)[3-7]。目前主要的處理方法有焚燒和掩埋，快捷但污染環(huán)境[3]。將廢棄橡膠輪胎加工成橡膠顆粒，以此替代混凝土中的天然細(xì)骨料，已經(jīng)被證實(shí)為一種環(huán)保、高效的處理方法[4]。橡膠具有密度小、彈性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以在減輕混凝土結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)提高其抗沖擊和變形能力[4]。在煤礦巷道支護(hù)、機(jī)場(chǎng)跑道和高速護(hù)欄等易遭受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)中，橡膠混凝土能有效發(fā)揮良好的韌性和抗沖擊性能[5]。

冀彩云等[6]發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量增加，混凝土和易性降低，當(dāng)橡膠摻量4%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度略有下降，吸水性和耐磨性受到輕微影響。葛文慧[7]發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的抗壓、拉伸強(qiáng)度和彈性模量均低于基準(zhǔn)混凝土，且隨著橡膠摻量增加而持續(xù)下降。袁兵等[8]研究了不同應(yīng)變率和橡膠摻量對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度和變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變都隨應(yīng)變率的增加而增加，變形性能得到明顯改善。趙榮生[9]發(fā)現(xiàn)沖擊作用下橡膠混凝土的破壞程度明顯小于普通混凝土，摻量越高破壞程度越小。楊榮周等[10]發(fā)現(xiàn)橡膠水泥砂漿單軸壓縮破壞模式表現(xiàn)為裂而不散的延性破壞模式。另外，目前國(guó)內(nèi)使用級(jí)配良好的橡膠顆粒替代天然細(xì)骨料的研究相對(duì)較少，僅有一些與橡膠材料相似的塑料顆粒級(jí)配的研究，胡時(shí)等[11]發(fā)現(xiàn)級(jí)配良好的塑料顆粒替代天然細(xì)骨料加入混凝土后，其力學(xué)性能較單一粒徑塑料明顯提高。

因此本文將回收得到的橡膠顆粒(0.15～1.4 mm)，通過顆粒堆積理論模型，建立級(jí)配良好的橡膠顆粒，再等體積替代混凝土中的天然細(xì)骨料，最后通過開展四種橡膠體積摻量(0%～20%)、四種應(yīng)變率(10-5～10-2s-1)下的單軸壓縮試驗(yàn)，得出最優(yōu)橡膠摻量及最優(yōu)摻量在不同應(yīng)變率作用下的混凝土力學(xué)性能和能量特性，并給出橡膠混凝土能量演化和轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥為淮南海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；水為實(shí)驗(yàn)室自來水；減水劑為江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的PCA-I型高效減水劑；粗骨料為粒徑5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2 609 kg/m3；細(xì)骨料為天然河砂，表觀密度為2 510 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.67；橡膠為都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的0.15～1.4 mm粒徑的橡膠顆粒，均為廢棄橡膠輪胎粉碎處理所得，表觀密度為1 030 kg/m3，圖1(a)為不同粒徑的橡膠顆粒。理想狀態(tài)下，各粒徑橡膠顆粒的緊密堆積模型及混摻比例見圖1(b)～(c)。

圖1 橡膠顆粒、理論堆積模型和混摻體積比例

1.2 橡膠混凝土配合比及試件制備

本文以C30普通混凝土為基準(zhǔn)，水灰比為0.43。橡膠骨料以內(nèi)摻法等體積替代細(xì)骨料，替代率分別為0%、5%、10%和20%。配合比見表1。

表1 混凝土配合比

試件制作的流程如下：先將石子、砂、橡膠顆粒依次倒入攪拌機(jī)中攪拌3 min，再加入水泥攪拌2 min使干料混合均勻；接著將減水劑和水混合后一并倒入攪拌機(jī)中，濕拌2 min；再將新拌混凝土澆注至100 mm的三聯(lián)立方體模具中，放在振動(dòng)臺(tái)上振搗成型；待試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模轉(zhuǎn)入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 單軸壓縮試驗(yàn)方法

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[12]的規(guī)定，以三個(gè)試塊為一組測(cè)試抗壓強(qiáng)度。使用三思縱橫WAW-1000電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)100 mm的立方體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，加載速度為0.6 MPa/s。選出最優(yōu)摻量后，再次利用三思縱橫WAW-1000電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)該摻量下的橡膠混凝土進(jìn)行不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)，四種應(yīng)變率分別為10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1和10-2s-1。

2 不同摻量下的單軸壓縮試驗(yàn)

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為不同橡膠摻量下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表2為不同橡膠摻量下的力學(xué)參數(shù)。

表2 不同橡膠摻量下的力學(xué)參數(shù)

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

與普通混凝土相比，峰值應(yīng)變?cè)谙鹉z摻量0%～10%時(shí)保持上升趨勢(shì)，但上升速率降低，之后隨摻量增加呈緩慢下降趨勢(shì)。彈性模量一直維持下降趨勢(shì)，但下降速率降低。抗壓強(qiáng)度分別下降了4.9%、11.4%和21.5%。橡膠摻量10%時(shí)初始彈性模量下降了11.4%，而峰值應(yīng)變提高了17.3%，初始彈性模量的降低及峰值應(yīng)變的提高均可以說明橡膠混凝土在受壓加載過程中變形能力的增加[13]，最終減緩了混凝土的破壞過程。

其中抗壓強(qiáng)度受橡膠摻量的影響程度最大。如圖3所示，導(dǎo)致這種現(xiàn)象主要是水泥與橡膠形成較寬的界面過渡區(qū)(ITZ)，荷載作用下，ITZ易出現(xiàn)應(yīng)力集中，加速試件破壞，從而強(qiáng)度降低[14]，并且，河砂的抗壓能力高于橡膠，因此也會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[15]。而峰值應(yīng)變先增大后減小，是由于當(dāng)摻量在小于10%時(shí)，橡膠在混凝土中充分發(fā)揮其“彈性體”的作用，有效增強(qiáng)了試件的變形能力。而隨著摻量增多，強(qiáng)度大幅降低且ITZ增多，變形能力下降，進(jìn)而峰值應(yīng)變相對(duì)減小，但無論橡膠摻量多少(0%～20%)，其峰值應(yīng)變較普通混凝土都明顯提高。李海龍等[16]使用單一粒徑550 μm左右的橡膠顆粒，摻量20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值僅為24.37 MPa，下降率達(dá)到40%。相比本文，橡膠摻量為20%時(shí)的抗壓強(qiáng)度為31.8 MPa，下降率僅21.5%，以上現(xiàn)象說明，摻級(jí)配良好橡膠顆粒的混凝土，能夠有效延緩強(qiáng)度下降。

圖3 橡膠和水泥漿體的界面過渡區(qū)

2.2 破壞過程分析

不同摻量橡膠混凝土破壞形態(tài)和裂縫如圖4所示，可以看出普通混凝土試件呈現(xiàn)脆性破壞，表面宏觀貫通裂縫和試塊剝落明顯，橡膠摻量在10%以下時(shí)，試件表面均存在試塊剝落現(xiàn)象，剝落試塊尺寸隨摻量增加而減小，橡膠摻量20%時(shí)，表面無明顯宏觀貫通裂縫。因此普通混凝土破壞程度最嚴(yán)重，隨橡膠摻量增加，破壞形態(tài)更加完整。這是因?yàn)殪o力荷載作用下，混凝土內(nèi)的橡膠顆粒通過自身變形吸收部分外力做功，與基體和骨料共同發(fā)揮阻裂作用，從而抑制了混凝土中裂紋的發(fā)展，使試件保持較好的完整性，且橡膠摻量越多，阻裂作用越明顯[17]。

圖4 破壞形態(tài)及裂縫圖

以橡膠摻量10%為例，其單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。根據(jù)楊榮周等[10]的研究成果并結(jié)合試驗(yàn)可將單軸壓縮下級(jí)配良好橡膠混凝土的破壞過程分為四個(gè)階段。

圖5 RC-10應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)壓密階段(OA)。此階段試件中原有的孔隙、微裂縫以及微缺陷逐漸壓縮閉合，使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈“上凹形”，試件呈現(xiàn)非線性變形。

(2)彈性變形階段(AB)。試件在受載初期微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要是彈性變形，這一階段橡膠顆粒會(huì)產(chǎn)生較大的拉、壓應(yīng)力，并發(fā)生一定的變形。

(3)破裂發(fā)展階段(BC)。隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，試件內(nèi)部的初始裂紋開始發(fā)展或出現(xiàn)新的裂紋，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性變化，從彈性變形階段轉(zhuǎn)為塑性破裂階段，隨著應(yīng)力增加，試件產(chǎn)生小幅度塑性變形，試件表面產(chǎn)生較多微裂紋。

(4)應(yīng)變軟化階段(CD)。過了峰值應(yīng)力點(diǎn)后，荷載隨著應(yīng)變的迅速增大而減小，試件內(nèi)部產(chǎn)生大量新的微裂紋，并擴(kuò)展、匯合成宏觀主裂紋，導(dǎo)致整體破壞。但由于橡膠顆粒具有良好的彈性變形特性，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，橡膠顆粒產(chǎn)生的拉力牽拉著周圍破裂的基體，限制裂紋擴(kuò)展，因此出現(xiàn)“裂而不散”的情況。

綜合上述研究結(jié)果，不同橡膠摻量的抗壓強(qiáng)度(f)表現(xiàn)為f5%>f10%>f20%，峰值應(yīng)變(ε)表現(xiàn)為ε5%<ε10%>ε20%，其中ε20%>ε5%，彈性模量(E)表現(xiàn)為E5%>E10%>E20%，破壞形態(tài)(fm)表現(xiàn)為fm5%

摻量20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅31.8 MPa，考慮到尺寸效應(yīng)，該抗壓強(qiáng)度不滿足實(shí)際工程中對(duì)C30混凝土的強(qiáng)度要求。摻量10%時(shí)，峰值應(yīng)變、彈性模量和破壞形態(tài)表現(xiàn)均優(yōu)于5%摻量，并且考慮到更高的廢舊橡膠利用率，最終本文認(rèn)為當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，橡膠混凝土的整體性能最佳。

3 不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)及能量分析

3.1 力學(xué)性能分析

對(duì)橡膠摻量為10%的混凝土試件進(jìn)行不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同應(yīng)變率下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，在不同應(yīng)變率的作用下，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜荷載下的曲線形狀相似，僅局部有所不同。因此試件的破壞過程與不同摻量下橡膠混凝土相似，仍經(jīng)歷壓密、彈性變形、破裂發(fā)展、應(yīng)變軟化四個(gè)階段。

圖6 不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3為不同應(yīng)變率下混凝土的性能參數(shù)。由表3可知，隨著應(yīng)變率的增大，四種應(yīng)變率下試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，這是因?yàn)楹奢d作用時(shí)間隨著應(yīng)變率的增加越來越短，試件基體內(nèi)部微裂紋來不及充分?jǐn)U展，能量得不到充分積累，因此只能通過提高應(yīng)力的方法來提供能量[18]，從而混凝土的強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而提高。另外彈性模量隨應(yīng)變率的增大而增大，峰值應(yīng)變則呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，以上變化趨勢(shì)與袁兵等[8]的研究成果相似。如圖7所示，隨著應(yīng)變率的增大，試件的破壞情況越嚴(yán)重，產(chǎn)生一些小塊狀碎屑，脆性更大，并伴隨著響亮的爆裂聲。這是因?yàn)樵谳^高應(yīng)變率條件下，輸入的能量被試件表面的初始裂紋所吸收，進(jìn)而形成更多的微裂紋，這些微裂紋使得試件破壞時(shí)碎塊較小，與準(zhǔn)靜態(tài)條件下的破壞形態(tài)有所不同。

表3 不同應(yīng)變率下的力學(xué)參數(shù)

圖7 不同應(yīng)變率下試件破壞形態(tài)

3.2 單軸壓縮下的能量計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)原理，材料破壞是能量驅(qū)動(dòng)下內(nèi)部微缺陷不斷發(fā)展,強(qiáng)度不斷弱化并最終喪失的過程。在單軸壓縮下，輸入能最終轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能、耗散能、動(dòng)能以及以熱輻射、熱交換等形式釋放的能量[19-20]。其中，以熱輻射或熱交換等形式釋放的能量可忽略不計(jì)，由于試件破壞后表面碎片大多是自然掉落，所以動(dòng)能也可忽略不計(jì)[19-20]。因此，橡膠混凝土中能量的演化可看作總輸入能量轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部的彈性應(yīng)變能和耗散能。單軸壓縮下試件單位體積內(nèi)的應(yīng)力功及能量計(jì)算公式如下：

U=Ue+Ud

(1)

式中：U為單位體積做功輸入的總應(yīng)變能;Ue為單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的可釋放彈性應(yīng)變能;Ud單位體積內(nèi)所耗散的能量。

圖8為單位體積能量劃分示意圖。曲線中分割線BC代表卸載彈性模量Eu。但由于沒有進(jìn)行卸載過程，卸載彈性模量Eu無法得到，因此在計(jì)算中可使用初始彈性模量E0來代替Eu[20]。于是單位體積下某時(shí)刻的U、Ue和Ud可分別通過公式(2)求出。

圖8 能量劃分示意圖

(2)

式中:σ1是某時(shí)刻的應(yīng)力值；ε1是某時(shí)刻的應(yīng)變值。

3.3 不同應(yīng)變率下橡膠混凝土能量密度分析

圖9為試件在不同應(yīng)變率下的三種能量密度曲線。由圖9可以看出，同類能量在不同應(yīng)變率下密度曲線相似，隨著應(yīng)變率增大，試件的輸入能、彈性能、耗散能均呈明顯增大的趨勢(shì)。表4列出了試件在峰值應(yīng)力點(diǎn)的各能量值，可以看出，彈性能增大趨勢(shì)更明顯，達(dá)到63.5%。這是因?yàn)樵谳^高應(yīng)變率作用下，由于橡膠的存在，荷載快速增加的同時(shí)，峰值應(yīng)變卻未發(fā)生急速下降，由能量與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系可知，彈性能增大趨勢(shì)更明顯，且在高速?zèng)_擊下橡膠的彈性作用更加突出[5]。

圖9 不同應(yīng)變率下試件各能量密度曲線

表4 峰值應(yīng)力點(diǎn)的各能量值

3.4 橡膠混凝土能量演化和轉(zhuǎn)化特性

本文通過對(duì)比不同摻量、不同應(yīng)變率下橡膠混凝土能量演化與轉(zhuǎn)化特性，發(fā)現(xiàn)變化過程相似，因此本文以應(yīng)變率10-4s-1為例，簡(jiǎn)單分析橡膠混凝土的能量演化與轉(zhuǎn)化特征。圖10為能量演化與轉(zhuǎn)化過程曲線，其中各種能量可通過公式(2)計(jì)算得出，結(jié)果見圖10(a)，將α=Ue/U和β=Ud/U分別作為彈性能轉(zhuǎn)化率(α)和耗散能轉(zhuǎn)化率(β)，結(jié)果見圖10(b)。

圖10 能量演化與轉(zhuǎn)化過程曲線

橡膠混凝土變形破壞的能量演化和轉(zhuǎn)化過程與試件破壞過程的四個(gè)階段相對(duì)應(yīng)，在壓密階段(OA)，輸入能量主要用于壓縮變形，彈性能轉(zhuǎn)化率先快速降低再保持增加，壓密階段前期主要是內(nèi)部微孔隙被壓密，耗散能占比高，之后橡膠顆粒吸收主要輸入能并儲(chǔ)存；在彈性變形階段(AB)，輸入能大量轉(zhuǎn)化為彈性能，彈性能轉(zhuǎn)化率超過90%；隨后進(jìn)入破裂發(fā)展階段(BC)，此階段能量開始以塑性應(yīng)變能、裂紋表面能和孔隙貫通能等能量耗散釋放，耗散能轉(zhuǎn)化率快速上升，此時(shí)橡膠顆粒持續(xù)積聚彈性能，以此減少輸入能對(duì)基體結(jié)構(gòu)的破壞；在應(yīng)變軟化階段(CD)，試件出現(xiàn)大量裂紋，基體中儲(chǔ)存的彈性能主要通過裂紋表面能釋放耗散掉，因此耗散能急劇增加，耗散能轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)超彈性能，此時(shí)橡膠顆粒繼續(xù)積聚彈性能用于恢復(fù)自身少量變形。

4 結(jié) 論

(1)橡膠混凝土的破裂過程包括壓密、彈性變形、破裂發(fā)展、應(yīng)變軟化四個(gè)階段，表現(xiàn)為“裂而不散”的類延性破壞。隨橡膠摻量增加，宏觀貫通裂縫減少，表面試塊剝落現(xiàn)象得到改善，破壞形態(tài)更加完整。

(2)隨著橡膠摻量增加，抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯降低，而峰值應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。綜合考慮工程應(yīng)用對(duì)力學(xué)性能、破壞形態(tài)及環(huán)保的要求，級(jí)配良好的橡膠骨料摻量為10%時(shí)，橡膠混凝土綜合性能最優(yōu)。

(3)隨著應(yīng)變率增大，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、輸入總能量、彈性能與耗散能均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而峰值應(yīng)變呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

(4)在壓密階段，前期內(nèi)部微孔隙被壓密，耗散能占比高，之后橡膠顆粒吸收主要輸入能并儲(chǔ)存，從而彈性能占比高；在彈性變形階段，輸入能大量轉(zhuǎn)化為彈性能；在破裂發(fā)展階段，輸入能量開始以塑性應(yīng)變能、裂紋表面能和孔隙貫通能等能量耗散釋放，耗散能轉(zhuǎn)化率快速上升，此時(shí)橡膠顆粒持續(xù)積聚彈性能，以此減少輸入能對(duì)基體結(jié)構(gòu)的破壞；在應(yīng)變軟化階段，耗散能急劇增加，能量轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)超彈性能，此時(shí)橡膠顆粒繼續(xù)積聚彈性能用于恢復(fù)自身少量變形。