橡膠混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線試驗(yàn)
基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（092102210074） 作者簡(jiǎn)介：袁 群（1966），男，湖南洞口人，教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，Email：yuanqun1@371.net。 摘要：為研究橡膠顆粒粒徑和摻量對(duì)橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、割線模量和泊松比的影響變化規(guī)律，以C25強(qiáng)度的普通混凝土為基準(zhǔn)，用60目膠粉、1～3 mm膠粒及3～6 mm膠粒等體積取代細(xì)骨料，配制成100 mm×100 mm×300 mm橡膠混凝土棱柱體試件，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)定橡膠混凝土在軸心壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：與基準(zhǔn)混凝土相比，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和割線模量均較小，且有隨著橡膠摻量增大而減小的趨勢(shì)；橡膠混凝土的泊松比前期比基準(zhǔn)混凝土大，后期比基準(zhǔn)混凝土��；橡膠顆粒粒徑越小時(shí)這種差距越大，總體上表現(xiàn)出與橡膠顆粒粒徑及摻量之間具有合理的相關(guān)關(guān)系。 關(guān)鍵詞：橡膠混凝土；應(yīng)力應(yīng)變曲線；泊松比；峰值應(yīng)變；割線模量 中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 0 引 言 如何妥善處理日益增加的廢舊輪胎橡膠已經(jīng)成為全球環(huán)境與資源方面的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，而橡膠水泥土和橡膠混凝土的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用開(kāi)辟了回收利用廢舊輪胎橡膠的一個(gè)新思路。 研究表明，橡膠顆粒的摻入不但改變了水泥土或混凝土的組成成分，也使它們的材料性能發(fā)生了變化，這包括它們的本構(gòu)關(guān)系即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的改變[13]。王鳳池等[4]測(cè)定了縱橫2個(gè)方向應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了水泥摻量、橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑等因素對(duì)橡膠水泥土力學(xué)性能指標(biāo)的影響變化規(guī)律，指出隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠水泥土模量呈降低趨勢(shì)，其降低速率遞減；橡膠水泥土的泊松比隨著橡膠粉摻量的增加而增加。馮文賢等[5]對(duì)高強(qiáng)橡膠混凝土進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)，得到了不同摻量、不同橡膠粉粒徑的高強(qiáng)橡膠混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線特點(diǎn)提出了包含上升段本構(gòu)參數(shù)A和下降段本構(gòu)參數(shù)α的高強(qiáng)橡膠混凝土單軸受壓本構(gòu)方差，研究發(fā)現(xiàn)，A和α隨著膠粉摻量的增加而減小，橡膠粉的粒徑對(duì)本構(gòu)參數(shù)A和α的影響不明顯。王婧一等[6]對(duì)普通混凝土和橡膠混凝土進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)研究，得到了混凝土的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)�，結(jié)果表明，橡膠混凝土單軸受壓應(yīng)變峰值分別為普通混凝土的1.74倍和1.92倍。 橡膠顆粒從形態(tài)上可細(xì)分為粒狀、條狀、纖維狀和粉狀等多種形式，由于摻入混凝土橡膠顆粒形態(tài)的變化也會(huì)引起混凝土性能發(fā)生變化，因此目前針對(duì)橡膠混凝土的性能包括應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究還需進(jìn)一步深入。本文中筆者選用粒狀和粉狀橡膠顆粒摻入混凝土，測(cè)定橡膠混凝土在軸心壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究橡膠顆粒粒徑和摻量對(duì)橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、割線模量和泊松比的影響變化規(guī)律。 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 1.1 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試件，試驗(yàn)時(shí)在試件2個(gè)相對(duì)側(cè)面各粘貼1個(gè)長(zhǎng)10 cm的應(yīng)變片，在另外2個(gè)相對(duì)側(cè)面垂直粘貼2個(gè)長(zhǎng)5 cm的應(yīng)變片，應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò)YJ33靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，加載速度為0.1 mm·min-1，加載速度通過(guò)WAW1000電液伺服試驗(yàn)機(jī)控制，應(yīng)力每增加1 MPa采集一次數(shù)據(jù)（圖1）。為避免形成應(yīng)力集中，減少端部受力不均勻?qū)υ囼?yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)正式加載前均進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載參照立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，取預(yù)估軸壓峰值荷載的30%～40%，每個(gè)試件重復(fù)加載3次。由于試驗(yàn)方法的限制，本文中僅對(duì)上升段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)每組6個(gè)試件，從試驗(yàn)結(jié)果中選取較好的3條應(yīng)力應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變處取應(yīng)力的平均值，得到每組試件的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線，下面將分別分析3種粒徑橡膠混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)律。 式中：Ec為割線模量；fc為極限應(yīng)力；ε為0.4倍極限應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。 1.2 試驗(yàn)材料 水泥選用河南省三星水泥工業(yè)有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥P.C 32.5，物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。粗骨料為石灰?guī)r碎石，二級(jí)配，石子粒徑分為5～10 mm，10～20 mm兩種，兩者質(zhì)量摻量之比為4∶6，表觀密度為2 732 kg·m-3，級(jí)配合格。細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.70，最大粒徑5 mm，連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2 703 kg·m-3，性能良好。橡膠顆粒選用河南武陟某膠粉廠生產(chǎn)的60目膠粉（對(duì)應(yīng)篩網(wǎng)孔徑為250 μm）、1～3 mm膠粒及3～6 mm膠粒，密度為1 119 kg·m-3。 對(duì)于基準(zhǔn)混凝土，水泥、水、砂、石子的配合比為380∶215∶650∶1 155，水灰比為0.57，砂率為0.36，混凝土密度為2 400 kg·m-3，28 d強(qiáng)度為27.2 MPa。用橡膠顆粒等體積取代砂（混凝土配合比除了砂和橡膠摻量不同外，其他成分均相同，這樣保證了相同水灰比下骨料的總體積不變）制備混凝土 試件，取橡膠摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為5%， 10%，15%，20%，30%，則對(duì)應(yīng)的橡膠用量分別為13.5，26.9，40.4，53.8，80.7 kg·m-3。不摻入橡膠顆粒的混凝土用JZ表示，摻入3～6 mm膠粒的混凝土試件用RCD表示，摻入1～3 mm膠粒的混凝土試件用RCZ表示，摻入60目膠粉的混凝土試件用RCX表示。2 試驗(yàn)結(jié)果分析 2.1 橡膠混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本特征 圖2～4分別為摻入3～6 mm膠粒、1～3 mm膠粒、60目膠粉的混凝土上升段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由圖2～4可以看出，3種橡膠混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段與基準(zhǔn)混凝土類(lèi)似，應(yīng)變上升段經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、內(nèi)部裂縫形成階段[7]。與基準(zhǔn)混凝土相比，橡膠混凝土的彈性極限和內(nèi)部裂縫開(kāi)展點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變較小，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變也較小（只有RCD5，RCX10，RCX15略大于基準(zhǔn)混凝土），隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢。 2.2 峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變 圖5，6分別為橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變與橡膠摻量的關(guān)系。圖5中3種橡膠混凝土的峰值應(yīng)力均是隨著橡膠摻量的.增大而減小，其中摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的峰值應(yīng)力隨著橡膠摻量的增加基本呈線性降低，摻量30%時(shí)的峰值應(yīng)力只有10 MPa。橡膠顆粒本身強(qiáng)度小，與水泥土的結(jié)合也較弱，在混凝土中成為薄弱點(diǎn)，從而降低了混凝土的峰值應(yīng)力。而摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應(yīng)力離散性較大，說(shuō)明較大橡膠顆粒和橡膠粉在混凝土中不易均勻分布，致使混凝土的不均勻性增大，橡膠摻量相同時(shí)，3種橡膠混凝土相比，則是摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應(yīng)力大致相當(dāng)，兩者均大于1～3 mm膠粒的橡膠混凝土。圖6中，摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的峰值應(yīng)變隨著橡膠摻量的增加而減小，摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的峰值應(yīng)變?cè)趽搅?%～15%時(shí)增大了，在摻量15%～30%時(shí)減小了，峰值應(yīng)變的這種階段性變化也說(shuō)明了較大橡膠顆粒和橡膠粉在混凝土中分布的不均勻性。 2.3 割線模量 圖7為橡膠混凝土割線模量的變化規(guī)律。摻入1～3 mm膠粒的橡膠混凝土的割線模量基本是隨著橡膠摻量的增加而減小，在摻量5%～15%時(shí)混凝土的割線模量降低幅度在10%左右，當(dāng)摻量大于15%時(shí)，割線模量開(kāi)始加速下降，摻量30%時(shí)橡膠混凝土的割線模量降至基準(zhǔn)混凝土的63%。摻入3～6 mm膠粒和60目膠粉的橡膠混凝土的割線模 量隨著橡膠摻量的增加而下降，只有個(gè)別摻量的橡膠混凝土的割線模量略大于基準(zhǔn)混凝土，割線模量的離散主要是由3～6 mm膠粒和60目膠粉在混凝土中的不均勻分布引起的。 2.4 泊松比 如圖8～10所示，橡膠混凝土的泊松比μ隨著應(yīng)力σ的增加而增大�；鶞�(zhǔn)混凝土應(yīng)力σ在0～0.4fc變化時(shí)泊松比的增長(zhǎng)幅度緩慢，在0.4fc～1.0fc變化時(shí)泊松比增幅較大。當(dāng)混凝土應(yīng)力較小時(shí)（σ≤0.4fc），與基準(zhǔn)混凝土類(lèi)似，橡膠混凝土的泊松比基本不變，接近常值，各種混凝土泊松比的范圍在0.15～0.30之間，泊松比有隨著橡膠取代量增大而增加的趨勢(shì)。圖8中，在應(yīng)力σ0.7fc時(shí)則相反。圖9中，在應(yīng)力σ 而在應(yīng)力σ>0.62fc時(shí)則相反；圖10中，在應(yīng)力σ0.6fc時(shí)則相反。這表明橡膠混凝土在變形前期彈塑性較基準(zhǔn)混凝土好，后期能量吸收多，裂縫開(kāi)裂小。在應(yīng)力σ0.7fc時(shí)，泊松比由大到小依次為RCD5，RCD30，RCD15，RCD20，RCD10，順序基本相反。同樣的規(guī)律在RCZ橡膠混凝土、RCX橡膠混凝土中也有體現(xiàn)。橡膠混凝土與基準(zhǔn)混凝土的泊松比之差的最大值基本都出現(xiàn)在σ=0.9fc時(shí)，且RCD橡膠混凝土與基準(zhǔn)混凝土的泊松比之差最大只有0.2，而RCZ橡膠混凝土達(dá)到了0.4，RCX橡膠混凝土則達(dá)到了0.6。 3 結(jié) 語(yǔ) �。�1）與基準(zhǔn)混凝土相比，橡膠混凝土的彈性極限、內(nèi)部裂縫開(kāi)展點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均較小。 �。�2）橡膠混凝土上升段0.4倍極限應(yīng)力時(shí)的割線模量基本上都小于基準(zhǔn)混凝土，且有隨著橡膠取代量增大而減小的趨勢(shì)，1～3 mm膠粒的橡膠混凝土這一規(guī)律較為明顯。 �。�3）橡膠混凝土的泊松比前期比基準(zhǔn)混凝土大，而后期比基準(zhǔn)混凝土小，且橡膠顆粒粒徑越小時(shí)這種差距越大。RCD橡膠混凝土與基準(zhǔn)混凝土的泊松比之差最大只有0.2，而RCZ橡膠混凝土達(dá)到了0.4，RCX橡膠混凝土則達(dá)到了0.6，差距依次增大。 �。�4）試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、割線模量和泊松比總體上表現(xiàn)出與橡膠粒徑及摻量具有合理的相關(guān)關(guān)系，但也存在著明顯的不規(guī)律性，反映出橡膠混凝土材料性能本身具有較大的隨機(jī)不穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn)： [1] 劉 鋒，潘東平，李麗娟，等.橡膠混凝土應(yīng)力和強(qiáng)度的細(xì)觀數(shù)值分析[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（2）：144151. 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