橡膠沙漠砂混凝土的力學性能及其本構模型

丁一哲,何明勝,2*,仇靜,袁康,2

(1 石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832003; 2 新疆兵團高烈度寒區建筑抗震節能技術工程實驗室,新疆 石河子 832003)

隨著工程建設發展需求的增加,中砂、粗砂等資源開采嚴重破壞自然環境,建設用砂使得供需矛盾突出,目前沙漠砂混凝土(DSC)的研究越發完善,為改善DSC的缺陷,研究人員在DSC中加入粉煤灰、硅粉、纖維、瀝青、陶粒、橡膠等材料,以尋求可以改善DSC性能的新材料[1-3],已有試驗研究并推行將DSC運用于道路建設中[4-5],但仍存在脆性高,耐疲勞性及抗沖擊性能差等缺點,加入破碎后的橡膠顆粒或橡膠粉制成的復合材料,可以填補混凝土在彈性變形小、耐疲勞及抗沖擊性能差等方面的缺點,不但能夠解決一定環境及原料的問題,還能夠改良混凝土的耐凍性、耐磨性、抗滲性、抗裂性、抗沖擊性及抗疲勞性[6-9]。

至今同時摻入沙漠砂和橡膠的混凝土研究較少,研究表明加入橡膠集料的DSC試塊在耐久性;抗凍性能及耐磨性能均高于摻入鋼纖維的DSC[5]。許多研究表明橡膠混凝土(CRC)在抗沖擊韌性、耗能能力方面優于普通混凝土,但目前橡膠沙漠砂混凝土(CRDSC)提升力學性能方面的研究較少。因此,本文以沙漠砂替代率和改性橡膠集料替代率為影響因素,研究CRDSC力學性能及應力-應變特性,分析試驗結果數據,擬合修正得到最適合CRDSC的本構模型方程參數。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

水泥取用天業牌P·O 42.5水泥,水用自來水。沙漠砂取用古爾班通古特沙漠深處沙漠砂,為特細砂,細度模數為0.335,平均粒徑為0.18 mm,堆積密度為1 615 kg/m3,主要化學成分見表1。試驗用中砂取用瑪納斯河洗砂,表觀密度2 610 kg/m3,堆積密度1 590 kg/m3,細度模數為2.85,主要化學成分見表2。摻加橡膠顆粒為廢輪胎粉碎后得到1～3 mm的橡膠顆粒,其表觀密度為2 550 kg/m3。細骨料級配曲線見圖1。粗骨料取用石河子大學附近采石場粒徑為5～20 mm的天然石子,級配連續,表3為其基本物理性能指標。減水劑用HSC聚羧酸減水劑。

圖1 細骨料級配曲線

表1 沙漠砂主要化學成分 單位:%

表2 瑪納斯河洗砂主要化學成分 單位:%

表3 粗骨料物理性能指標

1.2 試件設計

本試驗以沙漠砂和改性橡膠集料替代率為變量,替代混凝土細骨料,取改性橡膠集料替代率0%、5%、10%、15%,以及沙漠砂替換率0%、20%、40%、60%,通過單因素試驗研究,本試驗共設置16組配合比,每組制作6個150 mm×150 mm×150 mm立方體(3個用于立方體抗壓強度試驗,3個用于立方體劈裂抗拉強度試驗),另外取用其中10組制作每一組3個150 mm×150 mm×300 mm的試件,用于進行軸心抗壓強度試驗,混凝土各成分摻量按照中國建筑行業工程標準JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行設計,見表4。

表4 混凝土配合比

1.3 試樣制備和加載裝置

由于橡膠表面的硬脂酸基團不能夠溶解于水但可以溶解于有機溶劑,為將橡膠集料均勻打入混凝土試塊中,本試驗采用濃度1%NaOH水溶液將橡膠集料浸泡24 h,用清水洗至pH=6.5～7.0,在陰涼通風環境中晾干[10]。

所有試件均采用機械攪拌,坍落度測量完畢后裝模,振搗均勻,24 h后脫模,經YH-60B型標準恒溫恒濕養護箱養護28 d,養護好后在5 000 kN壓力試驗機進行力學性能監測并收集數據。試驗裝置如圖2所示。按照根據基準試驗方法測得每組配合比的基本力學性能指標。和易性試驗設置有對照組標準混凝土試件,用標準試件得到的坍落度來衡量所有配合比混凝土的和易性。

圖2 試驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 和易性

結果(表4)顯示:沙漠砂相對于標準砂有著吸水性強的特征,由于沙漠砂替代率的增大,降低了混凝土的坍落度,沙漠砂代替率由20%增加至60%時,坍落度分別降低12%、18.67%、26.67%,橡膠集料的加入,導致坍落度均呈線性增大,表明DSC的和易性得到了改良。

由DSC坍落度隨著橡膠集料代替率的變化(圖3)可以看出:對于4個類別的沙漠砂混凝土組,隨著橡膠替換率的加大,坍落度均顯著提高。

圖3 橡膠替代率對沙漠砂混凝土坍落度的影響

2.2 橡膠沙漠砂混凝土立方體力學性能指標

結果見表5。

2.2.1 立方體抗壓強度

由橡膠集料替換率對于28 d齡期CRDSC試塊立方體抗壓強度的影響結果(圖4)可見:沙漠砂代替率一定時,橡膠集料代替率的加大,導致28 d立方體抗壓強度減小;橡膠代替率由0%依次增至5%、10%、15%時,混凝土立方體抗壓強度降幅分別為2.5%、5.0%、9.0%,沙漠砂代替率20%的DSC立方體抗壓強度降幅分別為7.2%、12.0%、13.6%,沙漠砂代替率40%的DSC立方體抗壓強度降幅依次為3.1%、8.7%、15.6%,沙漠砂代替率60%的DSC立方體抗壓強度降幅依次為3.1%、8.2%、10.6%;DSC立方體抗壓強度伴隨著沙漠砂替換率的增加呈現出先增后降的規律,其中當沙漠砂替換率為20%和40%時,立方體抗壓強度均較大,加入橡膠集料后雖然下降,但橡膠集料替換率達到10%時,CRDSC的抗壓強度依舊比標準混凝土要高。

圖4 橡膠替代率對混凝土立方體抗壓強度的影響

普通混凝土與橡膠混凝土的破壞形態(圖5)顯示:標準混凝土在發生破壞之前沒有顯著先兆,當接近極限荷載時裂隙迅速擴大并且貫穿,因為脆性使得試塊外表面剝落較嚴重,形成明顯錐形破壞的形態。隨著沙漠砂摻量的增大,在極限荷載時崩裂更加干脆,表面剝落嚴重。當加入橡膠集料后,彈、塑性臨界點升高;隨著加壓裂縫逐漸增多并呈沙漏狀分布于試塊表面,試件兩側有剝落趨勢,但整體完整度較好。摻入混凝土的橡膠集料有一定阻止裂縫的作用,在試塊承受荷載時作為彈性體能夠吸收一部分能量,在試塊破壞后釋放,使得混凝土表現出了比較低的脆性。

立方體試件在立方體抗壓強度試驗過程中,混凝土內的沙漠砂和橡膠集料全部參與受力,沙漠砂顆粒較細骨料細,適量摻入后使得混凝土內部的孔隙愈加密實,抗壓能力得到提高,橡膠集料因本身柔軟且抗壓能力較差,不參與混凝土水泥水化反應,無法像砂漿形成緊密的粘結層,與砂漿間的黏結作用較弱,最終導致CRC化學黏著力較低,CRC的受力性能也隨代替率的增加而降低,因此,橡膠集料對DSC立方體抗壓強度的影響程度較大,但其變形能力高于河砂而導致橡膠混凝土變形能力提高,從而具有改善DSC強度高而變形能力差的特點。

2.2.2 劈裂抗拉強度

由橡膠集料替代率對于28 d齡期CRDSC試塊劈裂抗拉強度的影響,結果(圖6)可見:

圖6 橡膠替代率對沙漠砂混凝土劈裂抗拉強度的影響

當沙漠砂替換率由0%～60%加大時,混凝土的劈裂抗拉強度為先增后降,當沙漠砂替換率為20%時,劈裂抗拉強度處于峰值,與普通混凝土試塊相比增大38.7%。當橡膠集料替代率由0%～15%逐漸增加時,劈裂抗拉強度呈現先增后降的規律,當橡膠集料替代率為10%時,劈裂抗拉強度到達峰值,比標準混凝土試塊增長22.1%。當沙漠砂替代率一定時,隨著橡膠集料替代率的加大,劈裂抗拉強度為先降后增再降的規律,劈裂抗拉強度在摻入橡膠5%、10%時變化不大,當橡膠集料替換率達到15%,劈裂抗拉強度變化較大且均是本試驗組最低。當沙漠砂依次替換0%、20%、40%、60%的河砂時,橡膠集料替代率為15%的混凝土劈裂抗拉強度比橡膠集料替代率為0%時分別降低11.3%、25.1%、13%、12%。

當沙漠砂替代率為60%對混凝土劈裂抗拉強度影響最大,由于沙漠砂為極細砂,粒徑小而表面較光滑,大量使用來代替河砂必然導致混凝土級配連續性變差。在抗壓試驗中混凝土均勻受力,抗壓強度大小受到的影響較小,劈裂抗拉強度受到的影響較大;而在劈裂抗拉強度試驗中,立方體試塊由于局部受力,內部缺陷起到主導作用,受力時混凝土缺陷進一步放大,導致混凝土的劈裂抗拉強度降低。加入橡膠后,當橡膠替代率為0%、5%和10%時,對于DSC的影響并不是很大,這是由于加入適量的橡膠集料,混凝土受拉時橡膠集料的拉出,能夠輕微的阻礙混凝土細微裂縫的擴展,從而抵抗部分外部荷載,增強劈裂抗拉強度;而當橡膠代替率達到15%時,橡膠抵御外部荷載的能力遠小于過多的橡膠對混凝土缺陷造成的影響,替代率取10%最優。

2.3 橡膠沙漠砂混凝土棱柱體力學性能指標

2.3.1 軸心抗壓強度

橡膠替代率對CRDSC軸心抗壓強度影響的結果見表6。

表6 橡膠沙漠砂混凝土棱柱體力學性能指標

由表6可知:當沙漠砂替換率一定時,橡膠替換率加大,DSC軸心抗壓強度下降。橡膠集料替代率由5%逐漸增至10%、15%時,沙漠砂替代率20%的DSC軸心抗壓強度降幅分別為8.0%、21.7%,沙漠砂替代率40%的DSC軸心抗壓強度的下降幅度是10.7%、17.8%,沙漠砂代替率60%的DSC軸心抗壓強度降幅分別為6.7%、11.0%。經過和DSC立方體抗壓強度受橡膠替代率影響的對比,其軸心抗壓強度降幅整體大于立方體抗壓強度降幅。

通過Origin對CRDSC軸心抗壓強度和立方體抗壓強度來擬合可以得到fc=0.69fcu,經過測得普通混凝土fc=0.74fcu其中fc為軸心抗壓強度,fcu為立方體抗壓強度。

2.3.2 應力-應變曲線

由沙漠砂及橡膠集料替代率對CRDSC應力-應變曲線影響的結果(圖7)可以看出:CRDSC應力-應變曲線上升段的斜率隨著橡膠集料替代率的增加而降低,且整體低于基準混凝土,表明CRDSC彈性模量整體低于基準混凝土;CRDSC的峰值應力隨著橡膠集料替代率的增加而下降,表明摻入橡膠集料降低了CRDSC單軸抗壓強度。沙漠砂替代率一定時,隨著橡膠集料替代率的增加,CRDSC的下降段較基準混凝土下降段坡度變緩,表明在單軸受壓條件下,摻入橡膠集料對CRDSC的韌性有一定的改善。CRDSC和標準混凝土在軸心抗壓試驗中均經過彈性、彈塑性以及屈服破壞的階段,與基準混凝土相比,CRDSC在受壓時,沙漠砂與橡膠之間耦合情況較好,σ-ε曲線變化規律和普通混凝土σ-ε全曲線變化趨勢大致相似。

圖7 橡膠沙漠砂混凝土應力-應變曲線

2.3.3 彈性模量

混凝土應力-應變曲線上升階段取0.4倍fc處割線彈性模量為混凝土的彈性模量值,圖8給出了沙漠砂及橡膠集料替代率對CRDSC彈性模量的影響規律。由圖8可知:隨著沙漠砂替代率的增加,橡膠集料混凝土彈性模量呈下降趨勢;隨著橡膠集料替代率的增加,沙漠砂混凝土彈性模量同樣表現出下降的規律。當橡膠集料替代率為15%、沙漠砂替代率為60%時,CRDSC彈性模量下降最明顯;CRDSC彈性模量整體均低于基準混凝土彈性模量;當橡膠替代率為5%、沙漠砂替代率為20%時,CRDSC彈性模量相對較好。

圖8 彈性模量

2.3.4 峰值應變

圖9為CRDSC的峰值應變變化規律圖。由σ-ε曲線可以看出,橡膠沙漠砂混凝土的曲線變化過程與標準混凝土相近,而橡膠沙漠砂混凝土的峰值應變整體均大于普通混凝土。

圖9 峰值應變

由圖9可知:沙漠砂代替率對混凝土峰值應變影響不大,當沙漠砂代替率不變時,橡膠集料代替率增大,DSC峰值應變小幅度增加,當橡膠集料替代率為5%時,沙漠砂替代率為20%、40%、60%的混凝土峰值應變相較于普通混凝土分別提高至1.031倍、1.054倍、1.030倍;橡膠集料替代率為10%時,分別提高至1.078倍、1.075倍、1.081倍;橡膠集料替代率為15%時,分別提高至1.123倍、1.124倍、1.136倍。橡膠集料的替代率對該混凝土的峰值應變起到主導作用,取到合適替代率的橡膠能夠輕微改良DSC混凝土的峰值應變。

2.3.5 極限應變

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》,極限應變取應力-應變曲線下降0.5fc時所對應的壓應變。由圖10可得:各配合比組的橡膠沙漠砂混凝土的極限應變值均高于基準混凝土。當橡膠集料替代率一定時,CRDSC極限應變大體上隨沙漠砂替代率的增大而降低,橡膠替代率為5%時,沙漠砂摻量為20%、40%、60%的混凝土極限應變相較于普通混凝土分別提高至1.086倍、1.049倍、1.037倍;橡膠集料替代率為10%時,分別提高至1.196倍、1.152倍、1.109倍;橡膠集料替代率為15%時,分別提高至1.331倍、1.237倍、1.120倍。而當沙漠砂摻量一定時,CRDSC極限應變隨橡膠集料替代率的增長而增大。

圖10 極限應變

2.3.6 應力應變本構方程

由于所選取的橡膠集料替代率和沙漠砂替代率的范圍均較小,試件樣本較有限,不適合提出本構參數根據橡膠替代率和沙漠砂替代率的變化公式。因此,參考已有的研究成果,本研究將在σ-ε曲線試驗數據的基礎上,以國內外學者常用模型及公式為基礎,經過對本構參數進行取值并且擬合修正,最終獲得適和于CRDSC的本構方程。在σ-ε曲線試驗數據的基礎上進行歸一化處理,以峰值應力σc、峰值應變εc為基準,橫坐標為應變比ε/εc,縱坐標為應力比σ/σc,其中ε、σ分別為實際應變和實際應力,采用歸一化數據進行公式擬合。

采用CEB-FIP規范提出的公式擬合σ-ε曲線,利用Origin對各配合比組的CRDSC分別進行非線性擬合,擬合結果見圖11,擬合得出的參數α、β1、β2和相關系數R2見表7。

圖11 應力-應變本構方程擬合曲線

表7 應力應變本構方程擬合參數

通過σ-ε擬合曲線(圖11)可以看出:σ-ε曲線上升段擬合較為吻合,下降段曲線擬合結果離散性較大,低估了CRDSC的彈性模量和受壓應力,模型曲線低于試驗曲線,不適用于本試驗CRDSC的本構方程模型,并且擬合所得曲線相關系數R2最高也僅能達到0.964,說明模擬值與試驗值的相關性不強。

由圖7可以看出CRDSC的σ-ε曲線與普通混凝土σ-ε曲線趨勢非常相似,表明可以根據過鎮海建立的混凝土σ-ε曲線基本方程[13]擬合分析。利用Origin對各配合比組的CRDSC分別進行非線性擬合,擬合的結果見圖12,擬合得到的上升參數αa、下降參數αd見表8。

圖12 應力-應變本構方程擬合曲線

表8 應力應變本構方程擬合參數

由擬合結果(圖12、表8)可見,過鎮海普通混凝土本構模型與CRDSC試驗σ-ε曲線擬合較好,且曲線的相關系數R2均大于0.99,也說明過鎮海方程模型可以作為橡膠混凝土后續力學分析與設計的模型[14]。

綜上所述,提出以下建議:在實際應用中采用CEB-FIP規范中的上升段本構模型和過鎮海提出的基準混凝土σ-ε曲線基本方程[13]上升區擬合橡膠沙漠砂混凝土σ-ε曲線上升段,采用過鎮海提出的基準混凝土σ-ε曲線基本方程[13]下降段擬合橡膠沙漠砂混凝土σ-ε曲線下降段。

3 結論

(1)沙漠砂替換率增長,混凝土立方體抗壓強度先增后降;當沙漠砂替換率一定時,橡膠集料替換率的增大,DSC立方體抗壓強度下降。

(2)沙漠砂替換率由0%增大到60%時,混凝土劈裂抗拉強度呈現先增后降的規律,當沙漠砂替換率一定時,橡膠替換率增加,劈裂抗拉強度為先降后增再降的規律。

(3)沙漠砂代替率對混凝土峰值應變影響不大,當沙漠砂代替率一定時,橡膠集料代替率增大,DSC峰值應變小幅度增大,由此可見適當數量的橡膠顆粒能夠輕微改善DSC的峰值應變。

(4)由于混凝土中沙漠砂與橡膠集料耦合較好,CRDSC的σ-ε曲線與普通混凝土的較一致,基于過鎮海提出的數學模型對比擬合得到的CRDSC的σ-ε圖形和試驗得到的圖形吻合良好。

(5)取用沙漠砂替代率為20%或40%、橡膠集料替代率為10%的CRDSC,并可利用廢物資源。