卜靜武，徐慧穎，羌宇杰，周 宣，白文杰，徐龔歡

(揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225009)

0 引 言

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，廢棄輪胎的數(shù)量繁多，其回收利用率一直很高，但無害化利用率卻很低[1]。將廢棄輪胎經(jīng)過處理變成橡膠顆粒摻入混凝土形成土木工程材料，不僅能夠提高廢棄輪胎的利用率，而且可以有效緩解橡膠固體廢棄物對環(huán)境造成的影響。將具有彈性的橡膠顆粒等體積取代部分細(xì)骨料，可以提升混凝土的延性、抗沖擊性及耐久性等特性[2-6]。因此，進行橡膠混凝土試驗與研究不僅對國家經(jīng)濟循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而且對土木工程材料領(lǐng)域的發(fā)展也起到促進作用。

目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者開展了橡膠混凝土力學(xué)性能的研究。大量研究表明橡膠的摻入對混凝土中細(xì)小裂紋的擴展有抑制阻礙作用，能夠改善混凝土的韌性[7]。由于橡膠顆粒彈性模量較小，且與水泥基材料的黏結(jié)較弱，因此會降低混凝土的強度[8-10]，且細(xì)橡膠微粒較粗橡膠微粒對混凝土強度影響更大。葛文慧[11]研究了粒徑分別為2～4 mm、20～40目和60～80目的橡膠顆粒對橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠取代率為15%時，摻入橡膠顆粒為2～4 mm的橡膠混凝土抗壓強度和拉伸強度均達到最大。胡艷麗等[12]對5種不同橡膠取代率的混凝土試件分別展開了單軸受壓、單軸劈拉和純剪試驗，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的基本受力性能及破壞機理基本一致，強度均隨橡膠摻量的增加而降低，而混凝土塑性變形能力增大，其中單軸抗壓強度受橡膠取代率的影響最大。對于混凝土材料，裂縫的出現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的破壞往往是由于抗拉能力的不足，軸向拉伸試驗是確定混凝土拉伸斷裂特性最直接的方法[13]。綜合國內(nèi)外文獻，學(xué)者們越來越關(guān)注混凝土的拉伸性能[14-15]，但對帶裂縫的橡膠混凝土軸拉試驗的研究成果極少，所以亟需補充相關(guān)的試驗研究。

聲發(fā)射技術(shù)是一種可以對材料內(nèi)部損傷進行檢測的無損檢測方法，可以對受到荷載作用的脆性材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展進行實時檢測[16-17]。李建濤等[18]發(fā)現(xiàn)利用聲發(fā)射事件數(shù)、聲發(fā)射振鈴計數(shù)等聲發(fā)射特征參數(shù)，可揭示含初始缺陷的立方體混凝土損傷破壞機理。于江等[19]從聲發(fā)射波速、能量參數(shù)、空間定位分析、損傷演化規(guī)律等角度綜合評價了不同粗骨料粒徑普通混凝土的材料特性。Guo等[20]通過分析AF和RA值的變化判別不同加載速率下混凝土構(gòu)件的破壞模式，同時利用聲發(fā)射b值的變化分析了不同加載速率下混凝土的破壞形式。吳勝興等[21]借助聲發(fā)射特征參數(shù)和波形頻譜特征對軸拉荷載作用下的混凝土及其組成材料損傷過程進行分析，證實聲發(fā)射技術(shù)有助于解釋混凝土的損傷斷裂機理。上述研究表明，聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果能夠清晰明了地向研究者展示混凝土內(nèi)部損傷程度，聲發(fā)射特征參數(shù)能夠反映試驗所測得的混凝土力學(xué)特性，因此本文采用聲發(fā)射技術(shù)獲得不同橡膠摻量下混凝土破壞損傷的聲發(fā)射特性，以便更好地揭示橡膠混凝土的破壞機理。

為確保裂紋擴展在標(biāo)尺范圍內(nèi)，并能夠獲得穩(wěn)定的峰后響應(yīng)，本文選用帶缺口橡膠混凝土試件，通過聲發(fā)射技術(shù)對其展開單軸拉伸破壞試驗，研究不同橡膠體積摻量對混凝土斷裂性能的影響，并獲得不同橡膠摻量混凝土損傷破壞的聲發(fā)射特性。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

采用標(biāo)號為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，表觀密度為2 540 kg·m-3的河砂，粗骨料選用最大粒徑為20 mm的石灰?guī)r碎石，采用經(jīng)廢棄輪胎切碎加工處理的粒徑為2～4 mm、密度為1 060 kg·m-3的橡膠顆粒，并摻入水泥質(zhì)量0.5%的聚羧酸高效減水劑以提高混凝土拌合物的流動性。

1.2 試驗準(zhǔn)備

選擇一種混凝土的配合比作為基準(zhǔn)配合比，以等體積橡膠顆粒取代混凝土拌合物中的河砂，橡膠顆粒取代率(橡膠體積摻量，簡稱橡膠摻量)分別為0%、5%、10%、15%、20%，得到5組不同橡膠摻量的橡膠混凝土配合比，如表1所示。

表1 橡膠混凝土配合比Table 1 Mix Proportions of Rubber Concretes

橡膠混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm(圖1)，試件澆筑完成24 h后拆模，置于溫度為20 ℃、濕度90%以上的養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d。試驗前用切割機對養(yǎng)護好的混凝土試件進行切割，預(yù)制裂縫深度為10 mm，寬度為2 mm，每組橡膠混凝土分別成型2個棱柱體試件。

圖1 試件尺寸(單位:mm)Fig.1 Specimen Size (Unit:mm)

1.3 單軸拉伸試驗

橡膠混凝土單軸拉伸試驗采用型號為MTS322的液壓伺服試驗機進行加載。試驗裝置如圖2所示。試驗前，將自制的與試件等截面大小的鋼盤用結(jié)構(gòu)膠粘貼于試件的兩端使其成為一個整體。為了使試件能夠始終處于軸拉受力狀態(tài)，使用球鉸連接試件與試驗機。試件表面固定3個標(biāo)距為30 mm的引伸計，分別置于試件的3個側(cè)面。試驗過程中均以0.000 6 mm·s-1的加載速率對試件進行加載。對不同橡膠摻量混凝土試件分別重復(fù)進行2次試驗。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test Device

1.4 聲發(fā)射試驗

本文所有試件的聲發(fā)射參數(shù)均由美國PAC公司研制的8通道SAMOSTM聲發(fā)射檢測系統(tǒng)監(jiān)測并采集，門檻值設(shè)為35 dB，前置增益為35 dB，濾波頻率為1～60 kHz。在試件前后表面布置2個傳感器，在聲發(fā)射傳感器與試件的接觸面上涂抹凡士林，并用松緊帶纏繞固定傳感器。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸拉力學(xué)性能

2.1.1 應(yīng)力-裂縫張開位移曲線

初次踏上這片土地，那是1997年的8月，陽光燦爛的地方——甘肅省夏河縣。陽光照得人幾乎無法完全睜開眼睛，空氣在我記憶中頓時變得透明起來：深藍色的天空，紅色的拉卜愣寺，亮麗的服飾，黝黑的肌膚，一切都那么神秘和新奇。之前聽說當(dāng)?shù)厝讼矚g活佛的相片，于是我專門到照像館找來一些隨身帶著，到寺廟附近看人們轉(zhuǎn)經(jīng)筒，見到牧民就贈一張。“嘎真齊！”——這是我學(xué)會的第一句藏語，意思是“謝謝！”一位老年人接過相片，回贈我一個友善的笑容，手捧著相片舉到了頭頂。

圖3為單軸拉伸試驗所得到的不同橡膠摻量混凝土的應(yīng)力-裂縫張開位移(σ-δ)曲線。由圖3可知，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的抗拉強度整體呈下降趨勢，峰值裂縫張開位移呈上升趨勢。橡膠混凝土峰值荷載和裂縫張開位移及其相較于基準(zhǔn)混凝土試件的強度下降率和位移增長率見表2。從表2可以看出：橡膠摻量在15%以內(nèi)時，強度下降率不超過20%；當(dāng)橡膠摻量增加至20%時，強度發(fā)生驟降，下降率達到35.41%；相比普通混凝土，橡膠摻量大于10%時，峰值位移增長率超過40%。橡膠顆粒是一種彈性材料，其彈性模量較小，強度遠(yuǎn)低于天然骨料，有較強的變形能力。混凝土失穩(wěn)荷載降低，一方面是由于橡膠顆粒等體積取代混凝土拌合物中的河砂，使得橡膠混凝土的強度和彈性模量低于基準(zhǔn)混凝土，另一方面是由于橡膠屬于有機材料，與作為無機材料的混凝土之間的黏結(jié)性較差，其與水泥的結(jié)合界面易形成薄弱面，從而使橡膠混凝土抵抗裂縫擴展的能力也相應(yīng)地降低。通過上述試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠能起到增加變形能力并降低強度的作用。摻入橡膠的目的是希望既能增加塑性變形能力，又能使強度降低較小。從試驗結(jié)果看出：橡膠摻量小于15%時，變形性能增加不明顯；橡膠摻量大于15%時，對強度影響較大。綜合強度和變形性能來看，橡膠摻量為15%時能夠發(fā)揮橡膠顆粒較好的變形性能，且對強度影響較小。

圖3 不同橡膠摻量下混凝土的應(yīng)力-裂縫張開位移曲線Fig.3 σ-δ Curves of Concrete Under Different Rubber Contents

表2 橡膠混凝土峰值荷載及對應(yīng)的裂縫張開位移Table 2 Peak Loads and Corresponding Crack Opening Displacements of Rubber Concretes

2.1.2 斷裂能

混凝土本構(gòu)關(guān)系中，斷裂能是指宏觀裂縫開展后混凝土應(yīng)力-裂縫張開位移曲線下方的面積[22]?；炷猎诶旌奢d作用下的應(yīng)力-位移關(guān)系可以分為裂縫外混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(過程區(qū))和裂縫本身的應(yīng)力-裂縫張開位移關(guān)系[23]，如圖4所示，其中ft為混凝土抗拉強度，GF、GF1、GF2分別為總斷裂能、裂縫外斷裂能和裂縫本身斷裂能，E0為混凝土的初始彈性模量，W0為臨界裂縫張開位移，W為裂縫張開位移，F(xiàn)為軸向拉力。峰值前尚未形成宏觀裂縫，位移引伸計測得的變形基本由材料彈性變形造成，因此可以用平均應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來表示，峰值后宏觀裂縫形成，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，此時用位移引伸計測量得到的變形由應(yīng)變和裂紋的張開造成，可以用應(yīng)力-裂縫張開位移關(guān)系來表示。

圖4 混凝土應(yīng)力-位移關(guān)系Fig.4 Relationship of Concrete Stress-displacement

5組混凝土試件斷裂能如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)橡膠摻量在5%～15%之間，斷裂能隨橡膠摻量的增加而增加；橡膠摻量由15%上升至20%時，斷裂能有所減小，但仍然高于基準(zhǔn)混凝土的斷裂能。斷裂能的增加是因為隨著橡膠摻量的增加，裂縫擴展斷面上橡膠顆粒數(shù)目逐漸增多，橡膠混凝土具有增韌減脆的特點，其受力變形后與砂漿界面起到摩阻的效果，黏聚力增大，所消耗的能量也增大；橡膠摻量由15%上升至20%時，斷裂能有所減少，可能是由于過多橡膠的摻入使得薄弱界面數(shù)量增加，大大削弱了橡膠混凝土的強度。

圖5 不同橡膠摻量混凝土斷裂能Fig.5 Fracture Energies of Concretes with Different Rubber Contents

2.2 聲發(fā)射信號分析

2.2.1 聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)

聲發(fā)射振鈴計數(shù)和撞擊次數(shù)可以描述混凝土損傷累計的發(fā)展過程[21]。圖6為荷載、累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)隨時間變化曲線。從圖6可以看出，不同橡膠摻量下，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)隨時間的變化曲線均有2個明顯的拐點，這2個拐點將聲發(fā)射信號分為3個階段。第1個拐點對應(yīng)于峰值荷載，此后進入到軟化階段，第2個拐點出現(xiàn)在峰后的軟化階段，第1階段聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)的增長速率較慢，第2階段聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)的增長速率有著顯著的提高，第3階段聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)的增長速率有所減緩。

圖6 荷載、累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)隨時間變化關(guān)系曲線Fig.6 Relationship Curves of Load, Acoustic Emission Accumulate Counts and Hits Versus Time

第1階段聲發(fā)射信號開始活躍，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)增加，表明混凝土微裂縫產(chǎn)生，并在荷載作用下開始擴展，從而在混凝土試件的最低強度區(qū)域和局部拉伸區(qū)域產(chǎn)生新的微裂縫，并不斷發(fā)展產(chǎn)生宏觀裂縫，當(dāng)達到峰值荷載時，曲線進入到軟化階段，此時試件還尚未失穩(wěn)破壞，混凝土試件仍具備一定的承載能力，試件進入裂縫穩(wěn)定增長區(qū)，此時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)增長較快，由于混凝土斷裂能存在尺寸效應(yīng)，進入第3階段，斷裂過程區(qū)尖端到達試件邊界，當(dāng)斷裂過程區(qū)尖端與試件邊界接觸時，斷裂能會逐漸減少，此時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)的增長速率也隨之降低。

2.2.2 聲發(fā)射峰值頻率

峰值頻率為頻率域中振幅最大值點所對應(yīng)的頻率，發(fā)射信號高頻值對應(yīng)內(nèi)部小尺度裂紋的萌生，低頻值則對應(yīng)大裂縫的形成。聲發(fā)射試驗過程中，獲得的聲發(fā)射峰值頻率均在0～800 kHz之間，為研究不同橡膠摻量混凝土試件在加載過程中峰值頻率的分布規(guī)律，將其劃分為12個區(qū)段，0～550 kHz以50 kHz為間隔劃分為11個區(qū)段，550～800 kHz為第12區(qū)段。圖7為不同橡膠摻量混凝土的峰值頻率分布圖。從圖7可以看出，摻入橡膠的混凝土試件的各區(qū)段峰值頻率分布規(guī)律基本一致，其聲發(fā)射峰值頻率信號基本集中在0～50 kHz、100～150 kHz及250～300 kHz區(qū)段，而橡膠摻量為0%的混凝土試件的聲發(fā)射峰值頻率信號基本集中在50～150 kHz、250～300 kHz及400～450 kHz。相較于摻入橡膠的橡膠混凝土，橡膠摻量為0%的混凝土峰值頻率分布更為分散，該變化表明未加入橡膠的混凝土損傷破壞規(guī)律更為復(fù)雜，破壞模式更具多樣性。從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，橡膠混凝土聲發(fā)射峰值頻率信號主要集中在0～50 kHz，當(dāng)橡膠摻量為20%時，該頻段占比達到70%以上，這表明在橡膠混凝土單軸拉伸破壞過程中，該頻段對應(yīng)橡膠混凝土損傷破壞中最主要的破壞模式。低頻值代表大裂紋的形成，低頻值占比越大，試件破壞也越嚴(yán)重。隨著橡膠摻量的增加，0～50 kHz頻段占比逐漸增大，250～300 kHz頻段占比逐漸減小，表明隨橡膠摻量的增加，橡膠混凝土的破壞逐漸嚴(yán)重，這與橡膠的摻入使混凝土試件的抗拉強度降低有關(guān)。

圖7 不同橡膠摻量混凝土聲發(fā)射峰值頻率分布Fig.7 Distributions of Acoustic Emission Peak Frequencies of Concretes with Different Rubber Contents

2.2.3 聲發(fā)射b值

最早應(yīng)用于地震活動水平測量的b值(小振幅聲發(fā)射事件占總聲發(fā)射事件的比例)已經(jīng)成為衡量混凝土裂紋擴展的重要參數(shù)，通過分析b值，能夠有效評估混凝土結(jié)構(gòu)中裂紋的發(fā)展。聲發(fā)射b值的計算公式[13]為

(1)

式中：AdB為聲發(fā)射峰值振幅；N為振幅大于AdB的聲發(fā)射命中次數(shù)；a為經(jīng)驗常數(shù)；b為聲發(fā)射b值。

圖8為不同橡膠摻量混凝土的聲發(fā)射b值。從圖8可以看出，b值均隨時間的變化整體呈現(xiàn)波動下降的趨勢，峰值荷載過后，b值均有下降趨勢，隨后b值波動集中，之后趨于分散。b值的上升表現(xiàn)為微觀裂紋的產(chǎn)生，b值的下降表現(xiàn)為宏觀裂紋的形成，因此b值在整個過程中的波動行為表明混凝土是在微裂紋不斷產(chǎn)生匯聚成宏觀裂紋的往復(fù)過程中破壞的。到達峰值荷載后，b值的驟降表明產(chǎn)生的微裂紋已擴展成為宏觀裂紋，b值波動集中且劇烈表明聲發(fā)射活躍度高，主宏觀裂紋正在加速形成，之后b值趨于分散表明主裂縫已形成，裂縫擴展劇烈程度趨于平緩。

圖8 不同橡膠摻量混凝土聲發(fā)射b值Fig.8 Acoustic Emission b-values of Concretes with Different Rubber Contents

從圖8可以看出，橡膠摻量為0%的混凝土聲發(fā)射b值下降略慢，在b值密度較大階段可以明顯看出曲線有先下降后上升再下降的2個下降階段，隨著橡膠摻量的增加，峰值荷載后b值的下降速率逐漸加快，2個下降階段的劃分趨于模糊，說明橡膠摻量越大，混凝土強度越小，試件破壞越容易，主裂紋的形成越迅速，聲發(fā)射b值下降速率也越快。隨著橡膠摻量的增加，b值呈上升趨勢，這是因為橡膠混凝土的斷裂幅度小于橡膠摻量為0%的混凝土，而b值在橡膠混凝土中也相對較大。

表3為第1階段即主裂紋形成期間b值的大小，從表3可以看出，該階段b值最大值和最小值的差值隨著橡膠摻量的增加先減小后增大，該階段是混凝土斷裂模式從微裂紋向宏觀裂紋的轉(zhuǎn)變階段，b值的變化說明橡膠摻量的增加能夠改善混凝土的斷裂性能。橡膠摻量的增加在一定程度上會阻礙裂縫的擴展，導(dǎo)致峰后承載力及韌性增強。此外，大量微裂紋在擴展階段會吸收消耗一部分能量，導(dǎo)致斷裂能增大，這與之前提及的斷裂能變化規(guī)律一致。

表3 第1階段不同橡膠摻量混凝土的聲發(fā)射b值Table 3 Acoustic Emission b-values of Concretes with Different Rubber Contents in the First Stage

3 討 論

本文主要研究橡膠摻量對單軸拉伸荷載下混凝土斷裂性能的影響。結(jié)果表明，隨著橡膠摻量的增加，混凝土抗拉強度呈現(xiàn)下降的趨勢，變形能力有所提高，與文獻[12]、[24]～[31]中的研究結(jié)果一致。圖9總結(jié)了文獻[12]、[24]～[31]中不同橡膠摻量的混凝土強度相對于基準(zhǔn)混凝土(橡膠摻量為0%)的降低情況。從圖9可以看出，混凝土各種強度均隨著橡膠摻量的增加而降低，但是由于試驗條件和原材料的差異，研究結(jié)果略有不同?？傮w來看，橡膠摻量在40%以內(nèi)時，強度隨摻量增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且以20%為分界線，強度降低速率隨著摻量的增大而減小。橡膠摻入混凝土的另一個作用是提高其抵抗變形的能力，橡膠彈性模量較小，在較小外力作用下會產(chǎn)生較大變形，能夠延緩混凝土裂紋的擴展，所以橡膠的摻入可以提高混凝土抵抗變形的能力。綜上所述，摻入橡膠顆粒能否起到改善混凝土綜合力學(xué)性能的作用，主要取決于兩方面：一是需要有一定數(shù)量的橡膠來增強混凝土的韌性，另一方面，摻入的橡膠顆粒不致使混凝土強度顯著降低。

圖9 橡膠混凝土強度降低比率Fig.9 Rubber Concrete Strength Reduction Ratios

4 結(jié)語

(1)隨著橡膠摻量的增加，失穩(wěn)荷載整體呈現(xiàn)下降趨勢，峰值裂縫張開位移顯著增大，混凝土斷裂能整體呈增加趨勢，橡膠摻量為20%時的混凝土斷裂能相對橡膠摻量為15%的混凝土斷裂能有所減小，但仍然高于基準(zhǔn)混凝土的斷裂能。

(2)聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)描述了混凝土損傷累計發(fā)展過程的3個階段，同時驗證了橡膠混凝土斷裂破壞過程受“邊界效應(yīng)”的影響。隨著橡膠摻量的增加，邊界區(qū)域長度減小，聲發(fā)射信號的活性降低。

(3)摻入橡膠的混凝土試件聲發(fā)射峰值頻率分布特征基本一致，主要集中在0～50 kHz、100～150 kHz和250～300 kHz三個頻段，相較于基準(zhǔn)混凝土試件的聲發(fā)射峰值頻率的頻段較低。

(4)聲發(fā)射b值可以反映混凝土主裂紋快速形成及裂紋穩(wěn)定擴展直至試件破壞的2個階段，隨著橡膠摻量的增加，b值有所增大，主裂紋形成階段b值最大值與最小值之差有所減小，說明橡膠的摻入可以提高混凝土的斷裂性能。

(5)總結(jié)現(xiàn)有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠摻量在20%以內(nèi)時，混凝土強度降低速率較快，摻量超過20%時，強度下降速率減緩。