橡胶沙漠砂混凝土的力学性能及其本构模型

丁一哲,何明胜,2*,仇静,袁康,2

(1 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003; 2 新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室,新疆 石河子 832003)

随着工程建设发展需求的增加,中砂、粗砂等资源开采严重破坏自然环境,建设用砂使得供需矛盾突出,目前沙漠砂混凝土(DSC)的研究越发完善,为改善DSC的缺陷,研究人员在DSC中加入粉煤灰、硅粉、纤维、沥青、陶粒、橡胶等材料,以寻求可以改善DSC性能的新材料[1-3],已有试验研究并推行将DSC运用于道路建设中[4-5],但仍存在脆性高,耐疲劳性及抗冲击性能差等缺点,加入破碎后的橡胶颗粒或橡胶粉制成的复合材料,可以填补混凝土在弹性变形小、耐疲劳及抗冲击性能差等方面的缺点,不但能够解决一定环境及原料的问题,还能够改良混凝土的耐冻性、耐磨性、抗渗性、抗裂性、抗冲击性及抗疲劳性[6-9]。

至今同时掺入沙漠砂和橡胶的混凝土研究较少,研究表明加入橡胶集料的DSC试块在耐久性;抗冻性能及耐磨性能均高于掺入钢纤维的DSC[5]。许多研究表明橡胶混凝土(CRC)在抗冲击韧性、耗能能力方面优于普通混凝土,但目前橡胶沙漠砂混凝土(CRDSC)提升力学性能方面的研究较少。因此,本文以沙漠砂替代率和改性橡胶集料替代率为影响因素,研究CRDSC力学性能及应力-应变特性,分析试验结果数据,拟合修正得到最适合CRDSC的本构模型方程参数。

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥取用天业牌P·O 42.5水泥,水用自来水。沙漠砂取用古尔班通古特沙漠深处沙漠砂,为特细砂,细度模数为0.335,平均粒径为0.18 mm,堆积密度为1 615 kg/m3,主要化学成分见表1。试验用中砂取用玛纳斯河洗砂,表观密度2 610 kg/m3,堆积密度1 590 kg/m3,细度模数为2.85,主要化学成分见表2。掺加橡胶颗粒为废轮胎粉碎后得到1～3 mm的橡胶颗粒,其表观密度为2 550 kg/m3。细骨料级配曲线见图1。粗骨料取用石河子大学附近采石场粒径为5～20 mm的天然石子,级配连续,表3为其基本物理性能指标。减水剂用HSC聚羧酸减水剂。

图1 细骨料级配曲线

表1 沙漠砂主要化学成分 单位:%

表2 玛纳斯河洗砂主要化学成分 单位:%

表3 粗骨料物理性能指标

1.2 试件设计

本试验以沙漠砂和改性橡胶集料替代率为变量,替代混凝土细骨料,取改性橡胶集料替代率0%、5%、10%、15%,以及沙漠砂替换率0%、20%、40%、60%,通过单因素试验研究,本试验共设置16组配合比,每组制作6个150 mm×150 mm×150 mm立方体(3个用于立方体抗压强度试验,3个用于立方体劈裂抗拉强度试验),另外取用其中10组制作每一组3个150 mm×150 mm×300 mm的试件,用于进行轴心抗压强度试验,混凝土各成分掺量按照中国建筑行业工程标准JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计,见表4。

表4 混凝土配合比

1.3 试样制备和加载装置

由于橡胶表面的硬脂酸基团不能够溶解于水但可以溶解于有机溶剂,为将橡胶集料均匀打入混凝土试块中,本试验采用浓度1%NaOH水溶液将橡胶集料浸泡24 h,用清水洗至pH=6.5～7.0,在阴凉通风环境中晾干[10]。

所有试件均采用机械搅拌,坍落度测量完毕后装模,振捣均匀,24 h后脱模,经YH-60B型标准恒温恒湿养护箱养护28 d,养护好后在5 000 kN压力试验机进行力学性能监测并收集数据。试验装置如图2所示。按照根据基准试验方法测得每组配合比的基本力学性能指标。和易性试验设置有对照组标准混凝土试件,用标准试件得到的坍落度来衡量所有配合比混凝土的和易性。

图2 试验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 和易性

结果(表4)显示:沙漠砂相对于标准砂有着吸水性强的特征,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%时,坍落度分别降低12%、18.67%、26.67%,橡胶集料的加入,导致坍落度均呈线性增大,表明DSC的和易性得到了改良。

由DSC坍落度随着橡胶集料代替率的变化(图3)可以看出:对于4个类别的沙漠砂混凝土组,随着橡胶替换率的加大,坍落度均显著提高。

图3 橡胶替代率对沙漠砂混凝土坍落度的影响

2.2 橡胶沙漠砂混凝土立方体力学性能指标

结果见表5。

2.2.1 立方体抗压强度

由橡胶集料替换率对于28 d龄期CRDSC试块立方体抗压强度的影响结果(图4)可见:沙漠砂代替率一定时,橡胶集料代替率的加大,导致28 d立方体抗压强度减小;橡胶代替率由0%依次增至5%、10%、15%时,混凝土立方体抗压强度降幅分别为2.5%、5.0%、9.0%,沙漠砂代替率20%的DSC立方体抗压强度降幅分别为7.2%、12.0%、13.6%,沙漠砂代替率40%的DSC立方体抗压强度降幅依次为3.1%、8.7%、15.6%,沙漠砂代替率60%的DSC立方体抗压强度降幅依次为3.1%、8.2%、10.6%;DSC立方体抗压强度伴随着沙漠砂替换率的增加呈现出先增后降的规律,其中当沙漠砂替换率为20%和40%时,立方体抗压强度均较大,加入橡胶集料后虽然下降,但橡胶集料替换率达到10%时,CRDSC的抗压强度依旧比标准混凝土要高。

图4 橡胶替代率对混凝土立方体抗压强度的影响

普通混凝土与橡胶混凝土的破坏形态(图5)显示:标准混凝土在发生破坏之前没有显著先兆,当接近极限荷载时裂隙迅速扩大并且贯穿,因为脆性使得试块外表面剥落较严重,形成明显锥形破坏的形态。随着沙漠砂掺量的增大,在极限荷载时崩裂更加干脆,表面剥落严重。当加入橡胶集料后,弹、塑性临界点升高;随着加压裂缝逐渐增多并呈沙漏状分布于试块表面,试件两侧有剥落趋势,但整体完整度较好。掺入混凝土的橡胶集料有一定阻止裂缝的作用,在试块承受荷载时作为弹性体能够吸收一部分能量,在试块破坏后释放,使得混凝土表现出了比较低的脆性。

立方体试件在立方体抗压强度试验过程中,混凝土内的沙漠砂和橡胶集料全部参与受力,沙漠砂颗粒较细骨料细,适量掺入后使得混凝土内部的孔隙愈加密实,抗压能力得到提高,橡胶集料因本身柔软且抗压能力较差,不参与混凝土水泥水化反应,无法像砂浆形成紧密的粘结层,与砂浆间的黏结作用较弱,最终导致CRC化学黏着力较低,CRC的受力性能也随代替率的增加而降低,因此,橡胶集料对DSC立方体抗压强度的影响程度较大,但其变形能力高于河砂而导致橡胶混凝土变形能力提高,从而具有改善DSC强度高而变形能力差的特点。

2.2.2 劈裂抗拉强度

由橡胶集料替代率对于28 d龄期CRDSC试块劈裂抗拉强度的影响,结果(图6)可见:

图6 橡胶替代率对沙漠砂混凝土劈裂抗拉强度的影响

当沙漠砂替换率由0%～60%加大时,混凝土的劈裂抗拉强度为先增后降,当沙漠砂替换率为20%时,劈裂抗拉强度处于峰值,与普通混凝土试块相比增大38.7%。当橡胶集料替代率由0%～15%逐渐增加时,劈裂抗拉强度呈现先增后降的规律,当橡胶集料替代率为10%时,劈裂抗拉强度到达峰值,比标准混凝土试块增长22.1%。当沙漠砂替代率一定时,随着橡胶集料替代率的加大,劈裂抗拉强度为先降后增再降的规律,劈裂抗拉强度在掺入橡胶5%、10%时变化不大,当橡胶集料替换率达到15%,劈裂抗拉强度变化较大且均是本试验组最低。当沙漠砂依次替换0%、20%、40%、60%的河砂时,橡胶集料替代率为15%的混凝土劈裂抗拉强度比橡胶集料替代率为0%时分别降低11.3%、25.1%、13%、12%。

当沙漠砂替代率为60%对混凝土劈裂抗拉强度影响最大,由于沙漠砂为极细砂,粒径小而表面较光滑,大量使用来代替河砂必然导致混凝土级配连续性变差。在抗压试验中混凝土均匀受力,抗压强度大小受到的影响较小,劈裂抗拉强度受到的影响较大;而在劈裂抗拉强度试验中,立方体试块由于局部受力,内部缺陷起到主导作用,受力时混凝土缺陷进一步放大,导致混凝土的劈裂抗拉强度降低。加入橡胶后,当橡胶替代率为0%、5%和10%时,对于DSC的影响并不是很大,这是由于加入适量的橡胶集料,混凝土受拉时橡胶集料的拉出,能够轻微的阻碍混凝土细微裂缝的扩展,从而抵抗部分外部荷载,增强劈裂抗拉强度;而当橡胶代替率达到15%时,橡胶抵御外部荷载的能力远小于过多的橡胶对混凝土缺陷造成的影响,替代率取10%最优。

2.3 橡胶沙漠砂混凝土棱柱体力学性能指标

2.3.1 轴心抗压强度

橡胶替代率对CRDSC轴心抗压强度影响的结果见表6。

表6 橡胶沙漠砂混凝土棱柱体力学性能指标

由表6可知:当沙漠砂替换率一定时,橡胶替换率加大,DSC轴心抗压强度下降。橡胶集料替代率由5%逐渐增至10%、15%时,沙漠砂替代率20%的DSC轴心抗压强度降幅分别为8.0%、21.7%,沙漠砂替代率40%的DSC轴心抗压强度的下降幅度是10.7%、17.8%,沙漠砂代替率60%的DSC轴心抗压强度降幅分别为6.7%、11.0%。经过和DSC立方体抗压强度受橡胶替代率影响的对比,其轴心抗压强度降幅整体大于立方体抗压强度降幅。

通过Origin对CRDSC轴心抗压强度和立方体抗压强度来拟合可以得到fc=0.69fcu,经过测得普通混凝土fc=0.74fcu其中fc为轴心抗压强度,fcu为立方体抗压强度。

2.3.2 应力-应变曲线

由沙漠砂及橡胶集料替代率对CRDSC应力-应变曲线影响的结果(图7)可以看出:CRDSC应力-应变曲线上升段的斜率随着橡胶集料替代率的增加而降低,且整体低于基准混凝土,表明CRDSC弹性模量整体低于基准混凝土;CRDSC的峰值应力随着橡胶集料替代率的增加而下降,表明掺入橡胶集料降低了CRDSC单轴抗压强度。沙漠砂替代率一定时,随着橡胶集料替代率的增加,CRDSC的下降段较基准混凝土下降段坡度变缓,表明在单轴受压条件下,掺入橡胶集料对CRDSC的韧性有一定的改善。CRDSC和标准混凝土在轴心抗压试验中均经过弹性、弹塑性以及屈服破坏的阶段,与基准混凝土相比,CRDSC在受压时,沙漠砂与橡胶之间耦合情况较好,σ-ε曲线变化规律和普通混凝土σ-ε全曲线变化趋势大致相似。

图7 橡胶沙漠砂混凝土应力-应变曲线

2.3.3 弹性模量

混凝土应力-应变曲线上升阶段取0.4倍fc处割线弹性模量为混凝土的弹性模量值,图8给出了沙漠砂及橡胶集料替代率对CRDSC弹性模量的影响规律。由图8可知:随着沙漠砂替代率的增加,橡胶集料混凝土弹性模量呈下降趋势;随着橡胶集料替代率的增加,沙漠砂混凝土弹性模量同样表现出下降的规律。当橡胶集料替代率为15%、沙漠砂替代率为60%时,CRDSC弹性模量下降最明显;CRDSC弹性模量整体均低于基准混凝土弹性模量;当橡胶替代率为5%、沙漠砂替代率为20%时,CRDSC弹性模量相对较好。

图8 弹性模量

2.3.4 峰值应变

图9为CRDSC的峰值应变变化规律图。由σ-ε曲线可以看出,橡胶沙漠砂混凝土的曲线变化过程与标准混凝土相近,而橡胶沙漠砂混凝土的峰值应变整体均大于普通混凝土。

图9 峰值应变

由图9可知:沙漠砂代替率对混凝土峰值应变影响不大,当沙漠砂代替率不变时,橡胶集料代替率增大,DSC峰值应变小幅度增加,当橡胶集料替代率为5%时,沙漠砂替代率为20%、40%、60%的混凝土峰值应变相较于普通混凝土分别提高至1.031倍、1.054倍、1.030倍;橡胶集料替代率为10%时,分别提高至1.078倍、1.075倍、1.081倍;橡胶集料替代率为15%时,分别提高至1.123倍、1.124倍、1.136倍。橡胶集料的替代率对该混凝土的峰值应变起到主导作用,取到合适替代率的橡胶能够轻微改良DSC混凝土的峰值应变。

2.3.5 极限应变

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,极限应变取应力-应变曲线下降0.5fc时所对应的压应变。由图10可得:各配合比组的橡胶沙漠砂混凝土的极限应变值均高于基准混凝土。当橡胶集料替代率一定时,CRDSC极限应变大体上随沙漠砂替代率的增大而降低,橡胶替代率为5%时,沙漠砂掺量为20%、40%、60%的混凝土极限应变相较于普通混凝土分别提高至1.086倍、1.049倍、1.037倍;橡胶集料替代率为10%时,分别提高至1.196倍、1.152倍、1.109倍;橡胶集料替代率为15%时,分别提高至1.331倍、1.237倍、1.120倍。而当沙漠砂掺量一定时,CRDSC极限应变随橡胶集料替代率的增长而增大。

图10 极限应变

2.3.6 应力应变本构方程

由于所选取的橡胶集料替代率和沙漠砂替代率的范围均较小,试件样本较有限,不适合提出本构参数根据橡胶替代率和沙漠砂替代率的变化公式。因此,参考已有的研究成果,本研究将在σ-ε曲线试验数据的基础上,以国内外学者常用模型及公式为基础,经过对本构参数进行取值并且拟合修正,最终获得适和于CRDSC的本构方程。在σ-ε曲线试验数据的基础上进行归一化处理,以峰值应力σc、峰值应变εc为基准,横坐标为应变比ε/εc,纵坐标为应力比σ/σc,其中ε、σ分别为实际应变和实际应力,采用归一化数据进行公式拟合。

采用CEB-FIP规范提出的公式拟合σ-ε曲线,利用Origin对各配合比组的CRDSC分别进行非线性拟合,拟合结果见图11,拟合得出的参数α、β1、β2和相关系数R2见表7。

图11 应力-应变本构方程拟合曲线

表7 应力应变本构方程拟合参数

通过σ-ε拟合曲线(图11)可以看出:σ-ε曲线上升段拟合较为吻合,下降段曲线拟合结果离散性较大,低估了CRDSC的弹性模量和受压应力,模型曲线低于试验曲线,不适用于本试验CRDSC的本构方程模型,并且拟合所得曲线相关系数R2最高也仅能达到0.964,说明模拟值与试验值的相关性不强。

由图7可以看出CRDSC的σ-ε曲线与普通混凝土σ-ε曲线趋势非常相似,表明可以根据过镇海建立的混凝土σ-ε曲线基本方程[13]拟合分析。利用Origin对各配合比组的CRDSC分别进行非线性拟合,拟合的结果见图12,拟合得到的上升参数αa、下降参数αd见表8。

图12 应力-应变本构方程拟合曲线

表8 应力应变本构方程拟合参数

由拟合结果(图12、表8)可见,过镇海普通混凝土本构模型与CRDSC试验σ-ε曲线拟合较好,且曲线的相关系数R2均大于0.99,也说明过镇海方程模型可以作为橡胶混凝土后续力学分析与设计的模型[14]。

综上所述,提出以下建议:在实际应用中采用CEB-FIP规范中的上升段本构模型和过镇海提出的基准混凝土σ-ε曲线基本方程[13]上升区拟合橡胶沙漠砂混凝土σ-ε曲线上升段,采用过镇海提出的基准混凝土σ-ε曲线基本方程[13]下降段拟合橡胶沙漠砂混凝土σ-ε曲线下降段。

3 结论

(1)沙漠砂替换率增长,混凝土立方体抗压强度先增后降;当沙漠砂替换率一定时,橡胶集料替换率的增大,DSC立方体抗压强度下降。

(2)沙漠砂替换率由0%增大到60%时,混凝土劈裂抗拉强度呈现先增后降的规律,当沙漠砂替换率一定时,橡胶替换率增加,劈裂抗拉强度为先降后增再降的规律。

(3)沙漠砂代替率对混凝土峰值应变影响不大,当沙漠砂代替率一定时,橡胶集料代替率增大,DSC峰值应变小幅度增大,由此可见适当数量的橡胶颗粒能够轻微改善DSC的峰值应变。

(4)由于混凝土中沙漠砂与橡胶集料耦合较好,CRDSC的σ-ε曲线与普通混凝土的较一致,基于过镇海提出的数学模型对比拟合得到的CRDSC的σ-ε图形和试验得到的图形吻合良好。

(5)取用沙漠砂替代率为20%或40%、橡胶集料替代率为10%的CRDSC,并可利用废物资源。