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橡膠混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線試驗
基金項目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項目（092102210074） 作者簡介：袁 群（1966），男，湖南洞口人，教授級高級工程師，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，通過應(yīng)變片測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；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)混凝土小；橡膠顆粒粒徑越小時這種差距越大，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 中圖分類號：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熱點(diǎn)問題，而橡膠水泥土和橡膠混凝土的開發(fā)和應(yīng)用開辟了回收利用廢舊輪胎橡膠的一個新思路。 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]測定了縱橫2個方向應(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，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]對高強(qiáng)橡膠混凝土進(jìn)行了單軸受壓試驗，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，橡膠粉的粒徑對本構(gòu)參數(shù)A和α的影響不明顯。王婧一等[6]對普通混凝土和橡膠混凝土進(jìn)行了單軸受壓試驗研究，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)的變化也會引起混凝土性能發(fā)生變化，因此目前針對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 試驗設(shè)計 1.1 試驗方法 試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試件，試驗時在試件2個相對側(cè)面各粘貼1個長10 cm的應(yīng)變片，在另外2個相對側(cè)面垂直粘貼2個長5 cm的應(yīng)變片，應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)通過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WAW1000電液伺服試驗機(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囼灲Y(jié)果產(chǎn)生的影響，試驗正式加載前均進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載參照立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，取預(yù)估軸壓峰值荷載的30%～40%，每個試件重復(fù)加載3次。由于試驗方法的限制，本文中僅對上升段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析研究。試驗每組6個試件，從試驗結(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)力對應(yīng)的應(yīng)變。 1.2 試驗材料 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)見表1。粗骨料為石灰?guī)r碎石，二級配，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�。ㄖ挥蠷CD5，RCX10，RCX15略大于基準(zhǔn)混凝土），隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力增長緩慢。 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，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)變在摻量0%～15%時增大了，在摻量15%～30%時減小了，峰值應(yīng)變的這種階段性變化也說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%時混凝土的割線模量降低幅度在10%左右，當(dāng)摻量大于15%時，割線模量開始加速下降，摻量30%時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。基準(zhǔn)混凝土應(yīng)力σ在0～0.4fc變化時泊松比的增長幅度緩慢，在0.4fc～1.0fc變化時泊松比增幅較大。當(dāng)混凝土應(yīng)力較小時（σ≤0.4fc），與基準(zhǔn)混凝土類似，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。圖8中，在應(yīng)力σ0.7fc時則相反。圖9中，在應(yīng)力σ 而在應(yīng)力σ>0.62fc時則相反；圖10中，在應(yīng)力σ0.6fc時則相反。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，裂縫開裂小。在應(yīng)力σ0.7fc時，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，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 �。�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，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，2008，11（2）：144151. 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