基于楔入劈拉试验的橡胶混凝土断裂能研究 *

衣笑，薛刚

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

为了改善混凝土材料的脆性并提高其抗裂性能，学者们尝试在普通混凝土基体中加入橡胶掺合料.橡胶颗粒在混凝土内部起着类似弹性纤维的作用，抑制裂缝的扩展，并在断裂过程中耗散能量，提高混凝土的抗裂性能[1-3].

断裂能是研究混凝土类材料的重要参数，楔入劈拉试验是现今较为标准的测定材料断裂能的方法.目前，部分学者使用楔入劈拉试验对混凝土的抗裂性能进行了研究[4-6]，但缺少影响因素的机理分析，而基于楔入劈拉试验对橡胶混凝土断裂能的研究更是鲜有报道.

因此，基于楔入劈拉试验测定橡胶混凝土的断裂能，探讨橡胶颗粒的粒径与掺量对其影响的规律及其机理，对废旧橡胶在土木工程中的应用和混凝土抗裂性能的提高具有巨大意义.

1 试验概况

采用5%，10%，15%，20%的30目和50目掺量橡胶集料等体积代替砂，掺入到强度等级为C30的基准混凝土中.对橡胶混凝土试件进行楔入劈拉试验，并计算各组试件的断裂能.

1.1 原材料

采用P·O42.5R水泥，普通连续级配河砂，细度模数为2.60；连续级配碎石，粒径为5～25 mm；30目和50目的橡胶颗粒，橡胶粉的表观密度为1 050 kg/m3；砂表观密度为1 450 kg/m3.

基准混凝土配合比为：水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水=1∶2.63∶3.8∶0.13∶0.513，橡胶颗粒等体积代替砂.具体配合比详见表1.

表1 基准配合比 (kg)

1.2 试验装置

楔入劈拉试验装置如图1所示，试件长宽高分别为200，200，230 mm.在试件顶面设有方形槽，槽中间留有预制裂缝.试件实物如图2所示.试验采用双线钢轴对称支承，为了消除竖向力对断裂能的影响，支承位置一般选取在试件宽度的1/4处.试件上方放置2个配有滚轴的传力板来减小摩擦力，提高测试结果的可靠性.为了方便安装夹式引伸仪，需要在两个传力板中间位置制作预留槽来保证有充足的操作空间，以便测出裂缝张口位移CMOD(Crack Mouth Opening Displacement).具体操作程序可参照文献[4].楔形加载架将竖向的作用力传递到传力板的滚轴上，使传力板向水平方向两侧移动，从而向试件施加一对大小相等方向相反的水平力，实现竖向作用力与水平作用力的转化.

1.3 试验过程

试验前测量每个试件的尺寸，龄期和初始裂缝长度.利用10 kN荷载传感器记录试验过程的荷载大小，用YYJ-4/10夹式引申计测量裂缝口张开位移，并记录试件破坏时的最大荷载和裂缝口临界张开位移，绘制荷载与裂缝张开口位移曲线.裂缝尖端处应变用电阻应变片来记录.

试件安装完毕后使用10 kN油压千斤顶以低速率开始加载，在加载装置，荷载传感器与试件接触过程中，调整各个装置的位置避免对试件造成冲击.完全接触后，调节加载速率，加载速率控制在20～40 N/s.加载过程中观察试件的裂缝起裂和扩展，记录裂缝的扩展长度及对应的荷载值.实际加载装置如图3所示.

2 断裂能的确定

2.1 断裂能计算基本原理

裂缝的扩展过程十分复杂，难以细致地研究扩展历史路径以及相关位置的应力场情况，因此裂缝尖端能量平衡观点则成为对裂缝扩展研究的重要切入点，这一观点认为裂缝扩展的动力是可以由扩展过程中所释放出的能量来衡量的，由此建立的脆性断裂准则称为G准则.断裂能定义为单位面积产生裂缝时所需消耗的平均能量，并将裂缝面积定义为平行于主裂缝方向的平面中的投影面积.断裂能是衡量混凝土材料抗裂性能和延性的重要指标，一般来说，断裂能越大表示材料的抗裂性能与延性越好.断裂能GF可按式(1)计算：

(1)

式中：W为总外力功；W0为试验机所提供的竖向荷载所作外力功，大小等于P-CMOD曲线的包络面积；δ0为最终破坏的加载点的裂缝口张开位移；Alig为韧带面积；B为试件厚度；D为试件高度；a0为试件预制缝长度；P为试件所受竖向荷载；mg为传力装置的自重(物理量单位详见表2，下同).

在计算材料断裂能的过程中，需要考虑试验夹具和传力装置自重对计算结果的影响，试件在从开裂到断裂破坏的过程中裂缝扩展所消耗的平均能量即为断裂能.

采用分段的方法计算断裂能的方法[4]：

(2)

式中：A=B(D-a0)为韧带面积；W0+W1+W2+W3是所有外力所做的总功；W0=WV0/(2tgθ)是试验采集到的荷载与位移曲线的包络面积；WV0可以通过绘图软件算得.W1与W2的和为试验装置自重所做的功.由于试验条件所限，试验加载结束点后的尾部曲线无法测出，必须拟合出一种比较接近混凝土实际情况的尾部曲线.多数试验表明，P-CMOD曲线下降段反弯点之后的部分呈一定的规律性，因此可采用拟合尾部曲线的方法来计算曲线P-CMOD尾部面积.断裂能分段计算示意图如图4所示.

对于曲线尾部下降段，采用指数函数形式进行数据拟合：

P=me-nδ.

(3)

为简便起见，以δ表示CMOD

(4)

为得到更好的拟合效果，在实际采集到的试件P-CMOD曲线上，选取曲线下降段峰值荷载值1/3处到靠近尾部较为分散的8～10个点，有针对性地进行拟合，以便得到更具有说服力的断裂能数值.

将选取的各点坐标分别输入绘图软件中，可拟合出每组试件的尾部曲线方程，并将参数代入公式(4)中，即可得到的计算结果.

2.2 断裂能计算结果

各掺量30目和50目的橡胶混凝土荷载-位移曲线如图5和图6所示.

分段计算后断裂能计算结果如表2所示.

表2 橡胶混凝土试件断裂能计算结果

由表2可知，除20%橡胶掺量的橡胶混凝土外，其他掺量的橡胶混凝土试件的断裂能均明显高于基准混凝土，当橡胶掺量为10%时，橡胶混凝土试件的断裂能达到最大值.掺量为15%时，2种粒径的橡胶混凝土断裂能均有明显下降.断裂能在橡胶掺量小于10%时随掺量增大而增大，当超过10%时则随掺量增大而减小.50目橡胶集料对混凝土断裂能的提升要比30目的更显著.原因在于，在相同掺量下，50目橡胶混凝土中的橡胶颗粒数量更多，在破坏过程中会产生更大的变形并耗散更多能量.从图5，6中也能看出50目橡胶混凝土的裂缝口张开位移随着荷载的变化更明显.

橡胶颗粒表面粗糙，透水性低且富有弹性，当材料受力变形时能在试件内部形成分布较为均匀的可伸缩颗粒群，降低混凝土的弹性模量，提高变形能力[7].橡胶颗粒发挥弹性变形能力的同时加大了与砂浆的摩阻力和粘结力，使材料在断裂过程中产生更大的变形和位移，并使裂缝尖端处的粘聚效应变大，耗散更多能量.当橡胶掺量超过一定量时，虽然材料的变形能力更强，但是材料内应力水平下降明显，造成断裂能变小.

3 结论

通过楔入劈拉试验的方法测定了不同掺量、粒径的橡胶混凝土的断裂能，研究了橡胶集料掺量和粒径对断裂能的影响，得出以下结论：

(1)橡胶混凝土的断裂能随掺量的增加先增大再减小，当橡胶掺量为10%时断裂能达到最大值.橡胶掺量到达20%后断裂能反而低于基准混凝土.

(2)相同橡胶掺量下，50目橡胶混凝土中的橡胶颗粒数量更多，在破坏过程中变形更大耗能更多，因此50目橡胶混凝土的断裂能大于30目橡胶混凝土.