橡膠自密實混凝土斷裂性能及聲發射特征

陳徐東, 黃業博, 陳 晨

(河海大學 土木與交通學院, 江蘇 南京 210098)

數據[1]顯示,每年全球有近10億條輪胎達到使用壽命,其中50%以上未經任何處理就進行填埋,造成了嚴重的生態環境污染.隨著高速公路等工程建設需求的日益增長,推廣高韌性混凝土顯得尤為必要.將廢舊輪胎加工成橡膠顆粒摻入到混凝土中,不僅可以消耗大量廢舊橡膠,解決環保問題,還能增強混凝土的韌性[2].此外,運用自密實技術能夠有效提高橡膠顆粒與水泥基體的黏結效果,使其性能更優[3].Turatsinze等[4]發現,摻入橡膠顆粒可使自密實混凝土的抗壓強度和彈性模量有所降低;羅素蓉等[5]研究表明,摻入橡膠后自密實混凝土的斷裂韌性與抗裂性能明顯改善.然而現有研究大多是斷裂力學參數的計算,對橡膠顆粒影響自密實混凝土斷裂性能的機制尚不明確.聲發射(AE)能夠簡便快捷地判別混凝土在受力狀態下內部缺陷的產生與發展,可以有效評價混凝土材料破壞機制[6-7].如胡少偉等[8]研究發現利用聲發射特征參數可以判斷試件起裂及失穩臨界時刻;Chen等[9]指出聲發射信號可用于監測疲勞裂紋的發展情況.

本文結合聲發射技術開展了4種橡膠摻量(體積分數)自密實混凝土的三點彎曲梁斷裂試驗,基于聲發射特征參數分析方法,對不同橡膠摻量自密實混凝土的斷裂性能進行研究.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,海螺水泥廠產,性能指標均滿足GB 175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》規定,表觀密度為3.10g/cm3,燒失量為1.99%.粉煤灰：Ⅰ級,表觀密度為2.25g/cm3,燒失量為1.78%.硅灰：Ⅰ級,燒失量為1.8%.橡膠：由橡膠輪胎在常溫下切割制得,其外觀見圖1,粒徑為2.76～4.75mm,物理性能見表1.砂：細度模數為2.56的天然河砂,各項標均滿足GB/T 14684—2001《建筑用砂》規定.粗骨料：普通碎石,最大粒徑不超過20mm,表觀密度為2.6g/cm3,堆積密度為1.49g/cm3.減水劑：聚羧酸型減水劑,南京瑞迪高新技術有限公司提供.拌和水：自來水.

圖1 橡膠顆粒外觀Fig.1 Appearance of rubber particles

表1 橡膠顆粒的物理性能

1.2 配合比設計及試件制備

選擇一種自密實混凝土的配合比作為基準配合比,在保持膠凝材料用量及水膠比一定的前提下,按照0%、10%、20%和30%的比例用橡膠顆粒等體積替代細骨料,得到4組橡膠自密實混凝土配合比(見表2),其相關性能見表3.

表2 橡膠自密實混凝土配合比

表3 橡膠自密實混凝土的工作性能和力學性能

橡膠自密實混凝土試件尺寸為400mm×100mm×100mm,試件在澆筑完成且養護1d后拆模,隨后灑水養護至28d.預制裂縫在試件養護結束后切割而成,厚度為2mm,初始縫高比(初始裂縫長度(a)與試件總高度(D)之比)為0.3.

1.3 試驗方案

1.3.1斷裂試驗

橡膠自密實混凝土三點彎曲梁斷裂試驗采用MTS-322液壓伺服試驗機進行加載,跨度為300mm.采用夾式引伸計測量試件裂縫口張開位移(CMOD),并用該CMOD值控制加載,加載速率為0.001mm/s.試驗開始前,在試件裂縫開口兩側相距6mm處分別貼上厚度為1.5mm的小鐵片,用于安裝引伸計.對4種橡膠自密實混凝土試件進行4次重復試驗.

1.3.2聲發射檢測系統

試驗使用美國PAC公司研制的八通道SAMOSTM聲發射檢測系統,動態監測裂縫的開展情況,門檻值設為35dB,前置增益為35dB,濾波頻率為1～60kHz.在試件前后表面布置4個傳感器,具體位置見圖2,傳感器布設前在聲發射傳感器與試件的接觸面上涂抹凡士林,并采用松緊帶纏繞固定傳感器.

由圖5可知，菜籽油是香辣香菇風味醬的主要組成部分，因此菜籽油的用量對風味醬的口味有著重要的影響。油量過多，香菇醬過于油膩；油量過少，香菇醬口感粗糙，香味不夠，口感不好；用量200 mL時最佳，感官評分為89分。

圖2 聲發射設備示意圖Fig.2 Schematic diagram of AE device(size:mm)

2 試驗結果及分析

2.1 斷裂力學性能

2.1.1P-CMOD曲線

為便于比較,對重復試驗中相同CMOD值下的荷載(P)取平均值,得到4種橡膠自密實混凝土試件的P-CMOD曲線,如圖3所示.由圖3可知：隨著橡膠摻量的增加,試件的峰值荷載整體上呈現小幅下降趨勢,同時P-CMOD曲線的峰后軟化階段變得更加平緩,說明橡膠自密實混凝土的延性有所改善.主要原因是橡膠顆粒屬于彈性體,具有較低的彈性模量和較強的變形能力,使自密實混凝土的強度和彈性模量略低于基準混凝土,而在斷裂試驗中,橡膠顆粒不僅會像均勻分布的小彈簧一樣承擔部分彎曲荷載,還能發揮類似于纖維的作用,阻止微裂縫擴展,延緩新裂縫出現,提高變形能力,從而在對橡膠自密實混凝土峰值荷載影響不大的情況下,顯著提高其延性和韌性.

圖3 4種橡膠自密實混凝土的P-CMOD曲線Fig.3 P-CMOD curves of four kinds of rubber self-compacting concretes

2.1.2斷裂能

斷裂能為裂縫擴展單位面積時外力所做的功(假定外力所做的功全部用于裂縫的擴展),是用于表征材料抵制裂縫擴展能力的一個斷裂力學參數.根據圖3中的P-CMOD曲線,采用式(1)、(2)對裂縫口張開位移即CMOD=0.4mm時的斷裂能Gf(N/mm) 進行求解[10],結果見表4.

表4 橡膠自密實混凝土斷裂試驗結果

(1)

(2)

式中：W0為P-CMOD曲線所包圍面積,即斷裂過程中所做的功,N·mm;W1為試件和加載支座在重力作用下所做的功,N·mm;Alig為梁斷裂帶面積,mm2;S為試件跨度,mm;L為試件長度,mm;m1為試件質量,kg;m2為試件上方加載支座質量,kg；g為重力加速度，m/s2.

由表4可知：與基準混凝土相比,橡膠顆粒的摻入提高了自密實混凝土試件的斷裂能,且隨橡膠摻量的增加,試件斷裂能呈現出明顯上升趨勢,當橡膠摻量為10%、20%和30%時,試件斷裂能分別較基準混凝土提高1.5%、18.5%和21.0%,當橡膠摻量由10%提高至20%時,試件斷裂能提升幅度最為顯著,達到16.8%.其原因是隨著橡膠摻量的增加,自密實混凝土裂縫擴展界面上橡膠顆粒數目逐漸增多,除水泥基體和原有骨料對裂縫擴展起到阻礙作用外,橡膠顆粒還通過自身產生壓縮或拉伸變形吸收部分外荷載對自密實混凝土所做的功,使得斷裂能有所增加.

2.2 聲發射特征分析

2.2.1累計振鈴計數和累計撞擊次數

聲發射信號活度可以通過單位時間內所發生的振鈴計數或累計振鈴計數曲線來表述,以表征聲發射信號源的活動程度,反映材料缺陷,如裂紋的實時變化和發展情況.累計振鈴計數增長越快,表明聲發射信號活度越大,說明材料損傷發展速率越快.

圖4展示了不同橡膠摻量下,試件荷載、聲發射累計振鈴計數及累計撞擊次數隨時間的變化關系曲線.由圖4可見：在不同橡膠摻量條件下,試件的聲發射累計振鈴計數、累計撞擊次數與時間的關系曲線中均出現了2個較為明顯的拐點.其中,第1個拐點對應荷載峰值,隨后荷載曲線進入到軟化階段,聲發射累計振鈴計數和累計撞擊次數的增長速率出現了較為明顯的提高;第2個拐點出現在聲發射累計振鈴計數和累計撞擊次數曲線軟化階段,此時聲發射累計振鈴計數和累計撞擊次數的增長速率降低.

圖4 試件荷載、累計振鈴計數和累計撞擊次數隨時間變化關系曲線Fig.4 Relation curves of load, cumulative counts and hits vs. time

Hu等[11]在研究邊界效應對混凝土斷裂能的影響時引入了局部斷裂能(gf)的概念.gf表示單位長度裂縫穩定增長區域的斷裂能,基于此，得到新的斷裂能計算表達式,兩者表達式見式(3)、(4),其原理如圖5所示.因此可以認為圖4中第2個拐點的出現是由混凝土邊界效應所引起的,表明此時混凝土內部裂縫擴展到了邊界區域.隨著橡膠摻量的增加,混凝土邊界區域的長度有所減小,當橡膠摻量從10%增加到20%時,該長度變化最大,符合前文所述的斷裂能變化規律.

圖5 局部斷裂能和邊界效應示意圖Fig.5 Schematic diagram of local fracture energy and boundary effect

(3)

(4)

圖6為試件累計振鈴計數、累計撞擊次數與橡膠摻量的關系.由圖6可知,隨著橡膠摻量的增加,試件累計振鈴計數和累計撞擊次數逐漸減少,說明橡膠的摻入降低了聲發射信號的活性.其主要原因有：橡膠顆粒破壞時的聲發射信號較弱,幅值低于門檻值,從而使信號活度降低;橡膠顆粒連接裂縫之間的空隙降低了裂縫擴展的鋒利程度,對裂尖能量進行了有效吸收和傳遞,降低了信號的活度;橡膠顆粒可以吸收部分聲波,從而使得聲發射信號減弱.

圖6 累計振鈴計數、累計撞擊次數與橡膠摻量的關系Fig.6 Relationship between cumulative counts,cumulative hits and rubber content

2.2.2聲發射事件數

一般測量方法只能分析試件表面發生的位移或應變,而在聲發射技術中,由于所測得的聲波是時間和空間的函數,可以通過彈性波到傳感器的傳播時間、傳播速度等數據實現聲發射源的三維定位,并通過聲發射源的位置映射出混凝土梁內部的裂紋和損傷情況.

材料的1個聲發射事件是指1個或幾個撞擊所鑒別出來的1次局部變化.本文利用AE-WIN軟件得到聲發射源的位置,如圖7所示.圖7中展示了信號源在主視、俯視和側視3個平面的分布情況.由圖7可知：聲發射源的位置主要集中在斷裂帶的兩側,累計事件數和橡膠摻量之間沒有明顯的定量關系,但隨著橡膠摻量的增加,聲發射源位置點密集分布區域的寬度有所增加.此外,與基準混凝土試件相比,橡膠自密實混凝土試件頂部區域的聲發射事件數有明顯增加.產生這一現象的主要原因是,在試驗加載過程中,當裂縫尚未發育貫穿至基準混凝土頂部時,試件已基本不具備承載能力,被視為破壞,加載因此終止,而橡膠自密實混凝土在裂縫基本貫穿到試件頂部時仍具有一定承載能力,說明摻入的橡膠起到了提高混凝土延性的作用.

圖7 聲發射源位置圖Fig.7 AE source location

Ranjbar等[12]研究認為,聲發射事件數的分布情況與混凝土斷裂區寬度有直接關系.本文以5mm為1個單位區間,假定斷裂區內任意區間所包含的事件數均不小于Nmax的20%(Nmax表示不同區間所包含事件數的最大值),可以得到斷裂區寬度(WFPZ),結果見圖8.由圖8可以看出：聲發射事件數最大的區間基本出現在試件預制裂縫附近,在斷裂區以外的區間上聲發射事件數均小于Nmax的20%,斷裂區寬度隨著橡膠摻量的增加而增加.這說明摻入橡膠能夠將外荷載作用所產生的能量進行有效擴散,從而提高材料的韌性[13].

圖8 不同橡膠摻量下聲發射事件數沿試件長度方向的分布情況Fig.8 Distribution of AE events along the length of specimens under different rubber contents

2.2.3RA-AF值

上升角(RA)值即上升時間與幅值的比值,為上升時間段信號包絡線梯度的倒數.平均頻率(AF)值為振鈴計數與持續時間的比值.若RA值小,AF值大,則說明信號波形梯度大,脈沖窄,信號頻率高,符合拉伸裂紋產生的信號特征,反之符合剪切裂紋產生的信號特征.因而,高RA值、低AF值對應剪切破壞,而低RA值、高AF值對應拉伸破壞.RA值和AF值可用來分析混凝土的破裂模式[14].

圖9為4種橡膠自密實混凝土試件的RA-AF關系曲線.由圖9可以看出,當橡膠摻量增加時,與基準混凝土試件相比,橡膠自密實混凝土試件的RA值顯著減小,相比之下,AF值表現出一定程度的增大,表明橡膠自密實混凝土試件拉伸裂紋比例逐漸增加,拉伸破壞的趨勢增大.

圖9 不同橡膠摻量下試件的RA-AF關系曲線Fig.9 RA-AF relation curves of specimens under different rubber contents

3 結論

(1)橡膠摻量對橡膠自密實混凝土峰值荷載的影響較小,但對其P-CMOD曲線荷載下降段的影響較大.橡膠自密實混凝土的斷裂能隨著橡膠摻量的增加而增大,說明自密實混凝土中摻入適量橡膠后,其延性和韌性得到提升.

(2)橡膠自密實混凝土的斷裂破壞過程受“邊界效應”的影響明顯.橡膠摻量的增加使得橡膠自密實混凝土邊界區域長度減小,聲發射信號活度降低.聲發射定位可用于計算橡膠自密實混凝土斷裂過程區寬度,該寬度值隨橡膠摻量的增加而增加,橡膠顆粒可以起到吸收和擴散能量的作用.

(3)RA值和AF值可用于分析混凝土的破裂模式.自密實混凝土拉伸裂紋的比例隨著橡膠摻量的增加而增大.