循環荷載下橡膠混凝土的斷裂特性

徐穎 卜靜武 劉雨夕 徐英才

摘 要：為了研究循環荷載下橡膠摻量對混凝土斷裂力學性能的影響，對5種不同橡膠摻量（0、5%、10%、15%、20%）的帶缺口混凝土梁分別開展了單調和循環加載斷裂試驗。根據斷裂試驗獲得的荷載裂縫口張開位移（P-CMOD）曲線計算了橡膠混凝土的斷裂能和耗散能，結合典型橡膠混凝土試件的破壞形態，綜合分析了加載工況及橡膠顆粒摻量對混凝土斷裂力學性能及能量耗散的影響規律。結果表明：隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土強度和彈性模量逐漸降低，而斷裂能值逐漸增大。在循環加載工況下，混凝土耗散能隨循環加載過程的持續逐漸累積過程與裂縫口張開位移的累積過程類似，損傷破壞過程呈現“三階段”特征。總耗散能隨橡膠摻量增加而增加，但始終不超過其斷裂能。

關鍵詞：橡膠混凝土;循環加載;損傷演化;斷裂能;耗散能

中圖分類號：TU528 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0142-07

收稿日期：2020-06-21

基金項目：國家自然科學基金（51809227）;江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（XKYCX19_097）

作者簡介：徐穎（1996- ），女，主要從事水工混凝土動態抗力研究，E-mail：1280834719@qq.com。

卜靜武（通信作者），女，博士，E-mail：bujingwu2008@163.com。

Abstract： In order to study the influence of rubber content on the fracture mechanical properties of concrete under cyclic loading， monotonic and cyclic loading fracture tests are carried out on five kinds of notched concrete beams with different rubber content （0， 5%， 10%， 15% and 20%）.According to the load-crack mouth opening displacement （P-CMOD） curves obtained by fracture tests， the fracture energy and dissipated energy of rubber concrete are calculated. Combined with the failure modes of typical rubber concrete specimens， the influence of loading conditions and rubber particle content on the mechanical properties and energy dissipation of concrete is analyzed comprehensively.The results show that with the increase of rubber content， the strength and elastic modulus of rubber concrete decrease gradually， while the fracture energy increases gradually.Under cyclic loading， the continuous and gradual accumulation of concrete dissipated energy with cyclic loading is similar to the accumulation of crack mouth opening displacement， the damage and failure process also presents a "three-stage" characteristic.The total dissipated energy increases with the increase of rubber content， but it does not exceed the fracture energy.

Keywords：rubber concrete; cyclic loading; damage evolution; fracture energy; dissipated energy

隨著經濟的不斷發展，汽車的生產量和使用量持續上升，隨之而來的問題是大量廢棄輪胎的處理。從資源再生的角度出發，對廢棄輪胎進行清洗、破碎，加工成橡膠顆粒摻入混凝土中是一種有效的廢棄輪胎的處理方法。用橡膠顆粒取代部分河沙摻入混凝土中，能夠提高混凝土的延展性、抗裂性、抗疲勞性、抗沖擊性和沖擊吸收性能等[1-2]。因此，橡膠混凝土的研究和利用對可持續發展具有重要意義。

實際工程中，混凝土結構常會遭受地震、風荷載及動水壓力往復作用。在上述循環荷載作用下，混凝土往往會進入非線性損傷，破壞過程非常復雜。因此，研究循環荷載下橡膠混凝土損傷破壞特性是混凝土力學特性的重點內容。Eldin等[3]為研究不同粒徑橡膠顆粒混凝土的強度和韌性，測定了混凝土的抗壓強度和抗拉強度，發現當粗集料被橡膠代替時，其抗壓強度降低了85%，抗拉強度降低了50%，試件破壞模式表現為延性破壞。Grinys等[4]研究了橡膠粉（CR）制彈性骨料的細觀組成對混凝土靜載斷裂性能的影響，發現橡膠改性混凝土斷裂能是素混凝土的3.5～5.4倍。張劍洪[5]通過三點彎曲斷裂試驗研究表明，結構斷裂能隨橡膠顆粒摻量的增加先增大后減小，在摻量為8%時斷裂能達到最大。曹國瑞等[6]開展了三點彎曲梁斷裂試驗，研究不同橡膠摻量下橡膠混凝土的斷裂能，結果表明，摻量在0%～14%范圍內時，斷裂能隨橡膠摻量增加而增加，摻量在6%～10%之間時，增幅更為明顯。Raad等[7]通過彎拉疲勞試驗研究表明，與傳統的瀝青混凝土相比，橡膠混凝土的疲勞性能得到了改善，橡膠混凝土在疲勞荷載下耗散能和疲勞破壞次數相比素混凝土明顯增加。梁春華等[8]對混凝土試件進行了單軸循環加載試驗，發現耗散能與試件破壞程度密切相關，耗散能越大，試件破壞程度越明顯。Chen等[9]對普通混凝土試件進行了不同應力比的循環軸拉試驗，發現4種不同應力比循環荷載下耗散能隨加載歷程均呈現先減小，后趨于穩定增長的趨勢，臨近破壞前加速增大。馬振洲等[10]利用MTS試驗機對帶有預制裂縫的混凝土三點彎曲梁試件進行了峰后循環加載試驗，研究了循環荷載下混凝土耗散能的演化規律，結果表明，耗散能隨循環次數的增加呈現先增加后減小的趨勢。黃朝廣等[11]研究了循環荷載下受凍融破壞混凝土的能量耗散規律及破壞形態，研究結果表明，在不同的加載階段，混凝土能量耗散速率也不同，即混凝土裂縫擴展速率不同。

目前，關于橡膠顆粒混凝土斷裂損傷特性的研究大多通過單調加載試驗完成[12-13]，關于橡膠顆粒混凝土在循環加載作用下的斷裂力學性能及能量耗散規律的研究還很少。筆者擬開展帶缺口混凝土梁三點彎曲斷裂試驗，研究循環加載工況下橡膠摻量對混凝土斷裂能和耗散能的影響規律，從能量角度探究橡膠混凝土斷裂特性及損傷破壞機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

拌制橡膠混凝土的原材料包括水泥、河沙、碎石、橡膠顆粒、自來水和減水劑。水泥采用強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥。河沙級配和粒徑符合規范《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）[14]，表觀密度為2 540 kg/m3。粗骨料為最大粒徑20 mm的石灰巖碎石。橡膠顆粒粒徑在2～4 mm之間，密度為1 060 kg/m3，吸水性較小，可忽略不計。為了改善新拌橡膠混凝土的流動性，摻入水泥質量0.5%的聚羧酸高效減水劑。

1.2 試件準備

等體積取代混凝土拌合物中的河沙，將橡膠顆粒摻入其中，橡膠顆粒取代比例為0、5%、10%、15%、20%。橡膠混凝土配比如表1所示。

在橡膠混凝土拌和過程中，為了使橡膠顆粒均勻分散在混凝土中，采用先干拌120 s，后加水再攪拌120 s的攪拌方法。將攪拌均勻的橡膠混凝土拌合物澆筑在尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試模中。24 h后拆模，置于溫度20 ℃、濕度90%以上的養護室內養護至28 d齡期。試驗前用切割機對養護好的試件預切長30 mm、寬2 mm的裂縫。另外，為了測試混凝土的立方體抗壓強度和抗拉強度，每種橡膠混凝土分別成型3個邊長150 mm的立方體試件和3個直徑73 mm、高146 mm的圓柱體試件。

1.3 強度試驗

為了研究橡膠混凝土的基本力學特性，首先開展了橡膠混凝土的立方體抗壓強度試驗和單軸抗拉試驗。利用三思液壓伺服試驗機測試邊長150 mm的立方體試件的抗壓強度，加載過程利用荷載控制加載速率為0.3～0.5 MPa/s。單軸抗拉強度試驗參考Chen等[15]的試驗方法，用強力結構膠將加工好的鋼制圓盤分別粘貼在混凝土圓柱體試塊兩端，使其成為一個整體。為了使試件始終處于軸拉受力狀態，用專門加工的球餃作為傳力裝置。加載控制方式為應變控制，加載應變率為10-6/s。加載過程中同時采集應變和荷載信號。同時，根據單軸拉伸應力應變曲線計算橡膠混凝土的彈性模量。

1.4 三點彎曲斷裂試驗

利用液壓閉環伺服材料試驗機MTS322通過三點彎曲加載測試方法對預切裂縫的橡膠混凝土梁進行斷裂試驗，測試裝置及試件示意圖如圖1所示，梁的有效跨度S為300 mm。夾式引伸計固定在試件底部預制裂縫兩端，可以實時監測裂縫口張開位移。為了研究循環彎拉荷載下橡膠混凝土材料的斷裂損傷過程，分別通過CMOD控制加載過程實現了荷載裂縫口張開位移的單調加載全過程曲線的測試以及荷載控制的循環荷載裂縫口張開位移曲線的測試。荷載控制的等幅循環試驗應力強度因子比值（荷載幅與峰值荷載的比值）為0.95，加載頻率為1 Hz。每組試驗重復進行3次。

2 試驗結果與討論

2.1 強度

表2給出了橡膠混凝土立方體的抗壓強度、單軸抗拉強度及彈性模量。從表2可以看出，與基準樣素混凝土相比，摻入橡膠顆粒的混凝土立方體抗壓強度、單軸抗拉強度及彈性模量均有明顯下降，其中橡膠摻量對強度的影響更大。

2.2 荷載裂縫口張開位移曲線

圖2為單調加載工況下橡膠混凝土的荷載裂縫口張開位移（P-CMOD）曲線，可見橡膠混凝土的P-CMOD曲線變化趨勢與普通混凝土的P-CMOD曲線相同，但峰值荷載、峰值荷載對應的裂縫口張開位移以及曲線上升段和下降段的傾斜程度有細微差別。隨著橡膠顆粒摻量增加，峰值荷載（試件失穩荷載）有減小的趨勢，峰值荷載對應的裂縫口張開位移有逐漸增大的趨勢，如表3所示，這與橡膠混凝土強度試驗結果一致。用橡膠顆粒取代部分河沙的混凝土失穩荷載降低，一方面是因為橡膠顆粒的彈模較小，承載能力小;另一方面，橡膠顆粒與水泥漿基體的粘結強度降低，橡膠混凝土抵抗裂縫擴展的能力相應減小。失穩荷載對應的裂縫口張開位移增大的主要原因是橡膠顆粒的塑性較好。

圖3為典型的等幅循環荷載下橡膠混凝土的荷載裂縫口張開位移曲線，從中可以看出，由于設定的循環加載上限比值為0.95，超過了橡膠混凝土的比例極限，因此P-CMOD曲線上的第一個卸載曲線與加載曲線形成一個開放的滯回環，說明此時橡膠混凝土已經產生了明顯的塑性變形。隨著加載過程的持續，形成的滯回環開始變得密集，裂縫口張開位移增長幅度變慢，說明塑性變形或者裂縫擴展速率較緩慢。在試件臨近破壞時，滯回環開始變得疏松，裂縫口張開位移增長幅度加快，此時試件內部產生的微裂縫開始聚合形成新的宏觀裂縫，損傷累積或塑性變形累積速度加快，試件發生急劇失穩破壞。從圖中還可以直觀地看出試件卸載剛度（卸載曲線的割線斜率）逐漸減小，且剛度衰減速度與裂縫擴展規律一致。循環加載初期剛度衰減較快，然后逐漸變慢，臨近破壞時衰減速度加快。

為了直觀地分析裂縫口張開位移的變化規律，將循環加載上限對應的裂縫口張開位移隨加載循環比（加載循環次數N/加載至破壞時的循環次數Nf）的累積過程繪于圖4中。圖4表明極限裂縫口張開位移累積過程呈典型的3階段：快速累積線性穩定累積加速累積。加載初始和臨近試件破壞時的快速累積階段在整個加載過程占比例較少，緩慢累積階段持續時間較長。

2.3 破壞形態

圖5為典型橡膠混凝土試件的斷裂面，素混凝土試件裂縫擴展斷面主要由水泥砂漿基體、粗骨料和界面過渡區3部分組成，而橡膠混凝土的斷裂面上除此3部分以外還均勻分布著橡膠顆粒。相比于河沙，橡膠顆粒彈模較小，其承載能力較弱，故而橡膠顆粒摻入量越大相當于固體承載材料越少，導致試件強度降低。另一方面，從橡膠混凝土斷裂面可以看出，橡膠摻量為0、5%和10%的橡膠混凝土斷裂面上有較多的粗骨料發生斷裂，說明橡膠摻量較少時，粗骨料與水泥砂漿界面的粘結力較大，甚至超過了粗骨料的強度，因此橡膠混凝土強度也較大。當橡膠摻量達到15%和20%時，斷裂面上粗骨料發生斷裂的情況明顯減少，主要是因為橡膠摻量較多時，橡膠顆粒和水泥漿的界面取代了水泥漿和砂的界面，而橡膠顆粒和水泥漿的界面粘結力比砂漿界面粘結力小，因此，橡膠混凝土中界面強度減小，粗骨料的強度大于界面粘結力，不會發生斷裂，橡膠混凝土的強度主要取決于界面強度。

從表4可以看出，橡膠摻量為5%時斷裂能略有下降，此時橡膠在混凝土材料中占比較少，其抵抗變形的能力發揮不明顯，反而由于橡膠顆粒與基體結合力不足削弱了其抵抗荷載的能力，因此，與素混凝土相比，其斷裂能略降低。橡膠摻量在5%～15%范圍內時，斷裂能隨橡膠摻量的增加而增大，但增幅不明顯;橡膠摻量由15%上升至20%時，斷裂能顯著增大，增幅為19.8%。斷裂能的增長是由于隨著橡膠摻量的增加，裂縫擴展斷面上橡膠顆粒數目增多，橡膠顆粒通過自身變形吸收部分外力做的功，與基體和骨料共同發揮阻裂作用，此時裂縫擴展需要消耗更多的能量。

2.5 耗散能

循環加卸載過程中滯回環的面積能反映橡膠混凝土破壞過程中的裂縫擴展情況，將滯回環面積與斷裂韌帶面積的比值定義為耗散能，表征混凝土的損傷程度。耗散能的試驗結果見表5，從表中可以看出，循環荷載下，隨著橡膠顆粒摻入，單個滯回環的耗散能均值在1 N/m左右，偏差在-21.2%～ 16.8%之間，因此，耗散能均值受橡膠顆粒摻量的影響不明顯。橡膠混凝土總耗散能隨橡膠顆粒含量的增加有逐漸增大的趨勢，說明試件的總耗散能不受橡膠混凝土強度的影響。從循環荷載下P-CMOD滯回曲線可以看出，橡膠摻量越多，試件循環破壞次數越大，因此，可以初步判定耗散能與循環加載次數有關，循環破壞次數越大，橡膠混凝土的總耗散能越大，但是和同一組橡膠混凝土相比，始終不超過其斷裂能。

圖6表示循環荷載下耗散能隨循環次數的變化過程。從圖中可以看出，5種橡膠摻量的混凝土耗散能隨循環次數的變化過程基本一致，即耗散能隨加載歷程呈現先快速增加然后趨于穩定增長，臨近破壞前加速增大的“三階段”破壞過程。加載初始階段，試件含有初始缺陷，隨著外力作用，內部微裂隙快速發育，裂縫萌生需要消耗能量，因而耗散能快速增加。在反復加卸載之后，初始缺陷逐漸消除，內部微裂縫平穩發展，耗散能也趨于穩定，此階段占疲勞破壞周期的大部分。在循環加載過程中，試件內部損傷持續累積，故耗散能也逐漸增大。臨近破壞時，試件內部損傷累積到一定程度，裂隙快速產生，試件破碎程度加劇，此時耗散能加速增大直至試件完全斷裂，這與裂縫口張開位移的變化規律一致。

3 結論

1）橡膠混凝土的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量隨著橡膠摻量的增加有逐漸減小的趨勢。

2）單調加載工況下橡膠混凝土的失穩荷載隨著橡膠摻量的增加呈逐漸減小的趨勢，峰值荷載對應的裂縫口張開位移和斷裂能則隨橡膠摻量的增加逐漸增大。

3）循環加載工況下，裂縫口張開位移和耗散能隨加載過程的持續呈快速增長穩定增長加速增長的“三階段”累積過程，卸載剛度則逐漸衰減，試件內部損傷逐漸累積。

4）單個滯回環耗散能均值隨橡膠顆粒的摻量變化規律不明顯。總耗散能隨著橡膠摻量的增加呈逐漸增大的趨勢，但始終不超過其斷裂能。參考文獻：

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（編輯 黃廷）