凍融環境下橡膠混凝土的動態力學性能研究

朱世林 朱 琳，2

（1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250000；2.山東工程職業技術大學，山東 濟南 250000）

0 前言

混凝土是使用范圍較廣的土木工程材料，針對將廢舊的橡膠制成橡膠混凝土是否能滿足工程要求，學者們進行了多方面研究，薛剛等人[1]對橡膠混凝土單軸受壓疲勞性能進行了研究，研究結果表明，應力水平相同時，橡膠混凝土的疲勞壽命優于普通混凝土；陳露[2]對橡膠混凝土自密實及抗裂性能影響進行了研究，研究結果表明，橡膠混凝土的抗壓強度隨橡膠顆粒粒徑增大而增加；劉姿[3]對改性橡膠混凝土抗凍性能試驗進行了研究，研究結果表明，水工混凝土中摻入一定量的橡膠顆料能顯著提高水工混凝土的抗凍性；龍一飛等人[4]對凍融循環下橡膠混凝土動態力學特性試驗進行了研究，研究結果表明，橡膠的摻入降低了混凝土的強度，增強了其韌性和吸能效果；李琦等人[5]對凍融循環作用下橡膠混凝土蠕變特性試驗進行了研究，研究結果表明，多次凍融循環后，橡膠混凝土蠕變應力低于峰值強度的50%時，混凝土結構處于安全狀態。

對凍融循環下橡膠混凝土的動態力學性能，以上研究并沒有系統的分析。針對此問題，該文對橡膠混凝土進行了單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，并對橡膠混凝土受力的應力應變及吸收能進行了分析。

1 工程概況

該項目位于膠東半島某市中南部山區的森林公園，在通往公園南門處擬修建一條觀光公路，公路起點位于山區附近小鎮，終點位于森林公園南門，全長6.3 km。公路采用橡膠混凝土鋪設，雙向兩車道，寬度為9 m。公路兩側風景宜人，來往車輛較多，且該地區冬季多雨雪，降溫較明顯，因此公路在減震、吸音、抗凍方面有較高的要求。對此須研究所采用的橡膠混凝土動態力學性能是否滿足工程要求。

2 試驗材料與方案

2.1 試驗材料

本試驗制作橡膠混凝土的材料為P.O42.5水泥、河砂、粗骨料、橡膠顆料、減水劑。水泥為普通硅酸鹽水泥，河砂為優質中砂，細度模數為2.8，粗骨料為天然花崗巖，粒徑為5 mm～18 mm，橡膠顆粒采用1.2 mm～3.0 mm的不規則顆粒，摻入量為混凝土體積的8%。

設定混凝土的基準強度為40 MPa，橡膠顆粒摻入量為混凝土總體積8%，將等體積橡膠顆粒代替河砂制備橡膠混凝土試塊，其質量配合比見表1。

表1 橡膠混凝土質量配合比

橡膠混凝土攪拌完成后置入標準試塊模具內，模具為圓柱體，高度為37 mm，內徑為74 mm，制成的試塊作為標準試塊。根據試驗要求，共制備24個標準試塊，將其分為6組，每組4個。全部放入標準養護室進行養護，標準養護室相對混度大于95%，溫度為20±2℃，在進行28天標準養護后，將其取出，兩端打磨，使兩端面保持平行，平行面誤差小于0.05 mm，單面平整度保持在0.03 mm以下。

2.2 試驗方法

根據GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對橡膠混凝土進行凍融循環試驗，凍融循環試驗采用快速凍融法。設置6種凍融循環次數，分別為0次、30次、60次、90次、120次和150次，達到凍融循環次數后，再進行靜態單軸壓縮試驗和動態壓縮試驗。動態單軸壓縮試驗采用微機控制巖石力學試驗機，試驗力測量范圍為0kN～1000kN，試驗力示值精度小于±1%，載荷等速率控制范圍為0.05kN～8.0kN/s。試驗按照0.6MPa/s的加載速率對試塊進行單軸壓縮試驗。動態壓縮試驗采用直徑為74mm的SHPB試驗設備（圖2（b））對橡膠混凝土進行不同沖擊氣壓下的動態壓縮，設置不同氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土的力學性能分析

通過對凍融循環下的橡膠混凝土進行單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，可得單軸壓縮下橡膠混凝土的峰值應力-應變曲線，如圖1所示。在0.3 MPa沖擊氣壓下，橡膠混凝土的應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 凍融循環下應力-應變曲線

如圖1所示，在凍融循環下對橡膠混凝土進行單軸壓縮試驗。在凍融次數分別為0、30、60、90、120和150次條件下，應變為1×10-3時，橡膠混凝土的峰值應力分別為31.5MPa、21.5MPa、18MPa、16.5MPa、14MPa和11MPa；當應變為1.6×10-3時，橡膠混凝土的峰值應力分別為30.5MPa、26MPa、23MPa、20.5MPa、18.5MPa和16MPa；當應變為2×10-3時，橡膠混凝土的峰值應力分別為28.5MPa、24.5MPa、21.5MPa、19.5MPa、18MPa和17MPa。由此可知，在凍融循環下，橡膠混凝土單軸壓縮下的峰值應力均先變大，再變小。在高應變率作用下，試件受荷載作用時間較短，試件內部的孔隙來不及被壓縮就直接進入彈性變形階段，此階段其峰值應力快速增大。隨著應變率逐漸增大，橡膠混凝土試塊變形達到峰值后，試件表面逐漸出現細小裂紋，應變率越大，表面裂紋越明顯。達到橡膠混凝土受力極限后，混凝土結構被破壞。

圖1 單軸壓縮下應力-應變曲線

如圖2所示，在凍融循環下對橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗。在沖擊氣壓為0.03MPa，凍融次數分別為0、30、60、90、120和150次條件下，當應變為0.005時，橡膠混凝土的應力分別為41MPa、35MPa、31MPa、26MPa、21MPa、26.5MPa；當應變為0.010時，橡膠混凝土的應力分別為42MPa、34MPa、26MPa、22.5MPa、24.5MPa、27.5MPa；當應變為0.020時，橡膠混凝土的應力分別為20MPa、36MPa、34.3MPa、27.5MPa、22MPa、20MPa。由此可知，在凍融循環下，橡膠混凝土在沖擊氣壓為0.03MPa時，凍融循環下的應力均先變大，再變小。隨著凍融次數的增加，混凝土試件的應力逐漸降低，在凍融次數超過90次后，試件的應力變化減少。

3.2 不同氣壓下混凝土的應力及吸收能分析

通過對凍融循環下的橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗，得出混凝土不同沖擊作用下的應力曲線及吸收能曲線，如圖3所示。

如圖3（a）所示，凍融循環下，對橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗。在凍融次數分別為0、30、60、90、120、150次條件下，當沖擊氣壓為0.2 MPa時，混凝土所受應力分別為38MPa、31MPa、25MPa、24MPa、21.5 MPa和21MPa；當沖擊氣壓為0.3 MPa時，應力分別為45MPa、35MPa、30MPa、25.5MPa、22.5MPa、23.5MPa；當沖擊氣壓為0.4MPa時，應力分別為58MPa、42MPa、35MPa、31.5MPa、27.5MPa和26MPa；當沖擊氣壓為0.5MPa時，應力分別為70MPa、51MPa、40MPa、34MPa、32.5MPa和30MPa。由此可知，在凍融循環下，隨著沖擊氣壓的增大，混凝土所受應力均隨之變大。凍融循環次數在0、30、60次時，應力變化明顯增大；凍融循環次數在60次后，應力變化較小，曲線較平緩。隨著凍融循環次數的增加，橡膠混凝土在冰凍作用及交替溫差狀況下，內部結構逐漸發生破壞，內部損傷越大，混凝土所受應力越小。

如圖3（b）所示，在凍融循環下，對橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗。在凍融循環次數分別為0、30、60、90、120、150次條件下，當沖擊氣壓為0.2 MPa時，混凝土的吸收能分別為25 J、19.5 J、18 J、16 J、13 J和14 J；當沖擊氣壓為0.3 MPa時，吸收能分別為32.5 J、27 J、26 J、27 J、22 J和24 J；當沖擊氣壓為0.4MPa時，吸收能分別為49 J、39 J、36 J、32 J、27 J、26.5 J；當沖擊氣壓為0.5 MPa時，吸收能分別為63 J、52 J、51 J、48 J、37 J和32 J。由此可知，在凍融循環下，隨著沖擊氣壓的增大，混凝土的吸收能隨之增大。凍融循環次數在90次前，混凝土吸收能增加明顯；凍融循環次數在90次后，混凝土內部發生破壞，內部結構及橡膠受到損傷，吸收效果隨之降低。

由圖3可知，在凍融循環下，對橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗，隨著凍融循環次數的增加，混凝土所受應力及吸收能隨之增加。凍融循環次數在60次前，應力增大明顯；60次后應力變化較小。凍融循環次數在90次前，混凝土吸收能增大；90次后吸收能效果降低。

圖3 應力及吸收能曲線

3.3 凍融循環下混凝土的應力、應變和吸收能分析

通過對凍融循環下的橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗，沖擊氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa得出凍融循環下橡膠混凝土的應力、應變和吸收能變化。

當凍融循環次數為0次時，混凝土所受應力分別為38MPa、45.5MPa、58MPa和70.5MPa；當凍融循環次數為30次時，所受應力分別為31MPa、37MPa、44MPa和54MPa；當凍融循環次數為60次時，所受應力分別為23MPa、27MPa、34MPa和38MPa；當凍融循環次數為150次時，所受應力分別為21MPa、24MPa、30MPa和32MPa。由此可知，相同的凍融循環次數下，橡膠混凝土所受應力隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環次數的增加，混凝土在沖擊作用下所受應力越小。在凍融循環次數超過80次后，應力的變化較緩慢，曲線較平滑。

當凍融循環次數為0次時，混凝土的峰值應變分別為19.8×10-3、21.8×10-3、23.3×10-3和24.1×10-3；當循環次數為30次時，峰值應變分別為21.5×10-3、22.7×10-3、24×10-3和24.8×10-3；當循環次數為90次時，峰值應變分別為22.5×10-3、23.8×10-3、25.3×10-3和26.4×10-3；當循環次數為150次時，峰值應變分別為23×10-3、25×10-3、26.4×10-3和28×10-3。由此可知，相同的凍融循環次數下，橡膠混凝土的峰值應變隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環次數的增加，混凝土的峰值應變隨之增加。混凝土在凍融循環過程中，內部孔隙存留的水產生冰凍膨脹，使試件內部的孔隙產生裂紋和變形。反復的溫差過程加劇了混凝土內部裂紋的產生，增加了混凝土內部損傷，在相同氣壓的沖擊下，試件更容易被坡壞，峰值應變隨之增加。

當凍融循環次數為0次時，混凝土的吸收能分別為25 J、34 J、50 J和61 J；當循環次數為30次時，吸收能分別為19 J、28 J、41 J和54 J；當循環次數為60次時，吸收能分別為18 J、26 J、39 J和53 J；當循環次數為90次時，吸收能分別為16 J、29 J、33 J和50 J；當循環次數為150次時，吸收能分別為14 J、27 J、30 J和38 J。由此可知，相同的凍融循環次數下，橡膠混凝土的吸收能隨著氣壓的增大而增加。隨著凍融循環次數的增加，混凝土的吸收能隨之下降。在凍融循環過程中，混凝土和橡膠內部結構發生破壞，內部損傷越大，混凝土的吸能能力越小。

由此可知，在凍融循環下對橡膠混凝土進行不同氣壓的沖擊試驗，凍融循環次數相同時，橡膠混凝土所受應力、應變和吸收能隨氣壓的增大而增加。隨著凍融循環次數的增加，混凝土所受應力和吸收能隨之減少，混凝土的峰值應變隨之增大。

4 結論

在凍融循環條件下，該文對橡膠混凝土進行了單軸壓縮試驗及不同氣壓的沖擊試驗，可得如下結論：1）凍融循環下，橡膠混凝土單軸壓縮下的峰值應力均先變大，再變小，隨應變率逐漸增大。橡膠混凝土試塊變形達到受力極限后，混凝土結構被破壞。在凍融循環下，當橡膠混凝土沖擊氣壓為0.03 MPa時，所受應力均先變大，再變小，隨著凍融次數的增加，所受應力逐漸降低。2）在凍融循環下，隨著凍融循環次數的增加，混凝土所受應力及吸收能隨之增加。凍融循環次數在60次前，應力增大明顯在60次后，應力變化較小。凍融循環次數在90次前，混凝土吸收能增大；90次后，吸收能效果降低。3）相同的凍融循環次數下，橡膠混凝土所受應力、應變和吸收能隨氣壓的增大而增加。隨著凍融循環次數的增加，混凝土所受應力和吸收能隨之減少，混凝土的峰值應變隨之增大。