橡胶混凝土力学性能及疲劳性能研究

颜岩 孔昱 王迎斌 赵航 白应华

［收稿日期］20211123

［基金项目］国家自然科学基金青年基金项目（52008158）

［第一作者］颜岩（1981-），男，湖北洪湖人，湖北工业大学讲师，研究方向为新型建筑材料

［通信作者］白应华（1975-），男，湖北应城人，湖北工业大学副教授，研究方向为新型混凝土材料和工程结构

［文章编号］1003-4684（2023）02-0061-05

［摘要］为研究40%掺量的橡胶混凝土的抗压强度和弹性模量性能，及低温环境对其影响规律，进行了抗压和弹性模量试验；对不同应力水平下的橡胶混凝土开展抗压疲劳试验，通过建立疲劳方程来描述不同混凝土的抗压疲劳特性。结果表明，40%体积掺量的橡胶混凝土抗压强度降低34.64%，弹性模量降低28.84%。-40℃环境下橡胶混凝土抗压强度提高3.53%，弹性模量提高16.28%。橡胶混凝土在应力水平0.75、0.80、0.85时疲劳寿命次数分别提高83.39%、73.71%、31.11%。选用单对数疲劳方程来描述混凝土疲劳特性，得到不同混凝土回归方程的相关系数都接近于1，可以较好地反应混凝土的疲劳特性，为橡胶混凝土在不同应力水平作用下疲劳寿命预测提供参考。

［关键词］橡胶混凝土； 低温； 弹性模量； 抗压疲劳

［中图分类号］TU528.2  ［文献标识码］A

将橡胶颗粒或者橡胶粉来替代混凝土中的不同粒径的集料，得到的橡胶混凝土，可以达到改善混凝土脆性，提高水泥的韧性，增强混凝土变形能力的效果，橡胶应用在混凝土中是目前解决日益增多的废旧橡胶产物的重要方式之一[1]。应用在人行道、路面，桥梁伸缩缝等露天工程结构领域中，需要在保证橡胶混凝土基本力学性能的基础上，考虑在受到来自外界极端温度环境变化和不断重复的长期荷载作用后橡胶混凝土性能的改变，由此不同学者对橡胶混凝土的基本力学性能及疲劳性能进行了研究。王婷雅[2]对1～3 mm、3～6 mm和0～0.85 mm的橡胶混凝土在0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的抗压强度进行试验，结合橡胶混凝土试件的微观结构进行深入探究其破坏机理，发现3～6 mm的橡胶粒径在-20 ℃下强度提高最多。薛剛[3]对-30 ℃环境下5%～20%橡胶掺量的橡胶混凝土应对不同应力速率时的动态弹性模量和轴心抗压性能变化开展了研究，结果发现，橡胶粒径减小时峰值应变提高，动态抗压强度降低。Chen[4]和Ganesan[5]等都使用自密实混凝土，研究了橡胶混凝土的疲劳特性，总结出自己的损伤演化模型。Liu[6-7]对掺量在0～30%以内的再生橡胶混凝土试块进行了等幅的抗折疲劳试验，阐述了试块疲劳内部发展的三个阶段的特征。Zhang[8]和王立燕[9]通过声发射设备对混凝土试块内部形态特征进行了分析研究，刘妙燕[10]也使用声发射进行三点弯曲疲劳试验，探究橡胶的掺入对混凝土断裂特性的作用机理。付建[11]使用40目橡胶粉替代混凝土中的粗骨料，对橡胶混凝土三点弯曲疲劳特性进行试验研究。

不少学者对橡胶混凝土力学性能和疲劳特性进行了探索，目前多数研究是在0～30%橡胶掺量范围内进行的，本文通过将橡胶替代40%体积分数的细骨料来制备橡胶混凝土，探究掺入橡胶后橡胶混凝土抗压强度、弹性模量的变化，及-40℃对其抗压、弹性模量性能的影响，研究橡胶混凝土在0.75、0.80、0.85的不同的应力水平下抗压疲劳寿命，结合疲劳损伤理论进行疲劳寿命方程的构建和对比分析[12]，为预测橡胶混凝土的疲劳寿命提供理论参考。

1    试验计划

1.1    原材料及配合比

本试验使用华新堡垒武汉水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；水为普通自来水；使用粗、细天然集料均产自武汉本地，细集料1为普通河砂，其细度为2.58，砂的含泥量2.67%，密度1.50 g/cm3；粗集料1为5～20  mm的小石，粗集料2为20～40 mm的大石，连续级配；使用橡胶为四川都江堰翼禾橡胶制品经营部TRFA-1型橡胶粉，密度0.65 g/cm3，平均粒径0.30 mm；外加剂为高效聚羧酸减水剂。

混凝土试块的配合比设计见表1，RC表示橡胶混凝土，橡胶取代细集料的体积分数为40%，KB为普通混凝土空白对照组。

1.2    试件制作

1） 抗压、弹性模量试验试件

分别制作RC-40、KB两种试件，养护28 d。试件设计见表2。

2） 抗压疲劳试验试件

分别制作RC-40、KB两种试件，养护90 d。试件设计见表3。

1.3    试验方法

1）抗压、弹性模量试验：立方体抗压试验依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。弹性模量试验依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，所用弹性模量试验装置使用型号为YA-300电液式压力试验机；使用位移计，精确度为0.001 mm，试验装置如图1所示。图 1    弹性模量试验装置

2）低温试验：使用液氮在密闭低温实验箱内进行降温，使用PT-100低温电偶监测仪监测温度变化，TDS-530日本产静态数据采集仪采集温度。将养护28 d的试件放入实验箱中后，液氮降温至-40℃后保持1 h，回温至室温后取出进行抗压和弹性模量试验。

3）抗压疲劳试验：试验根据规范GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》开展，在电液伺服疲劳试验机上进行，加载频率为10 Hz，选择的应力水平分别为0.75、0.80、0.85。

2    试验结果分析

2.1    橡膠对混凝土抗压强度、弹性模量的影响

RC-40混凝土、KB混凝土28 d立方体抗压强度和弹性模量试验结果分别见表4、表5，混凝土抗压强度、弹性模量试验结果见图2。

从表4中可知，RC-40混凝土的立方体抗压强度下降34.64%。橡胶混凝土抗压强度的降低是由于橡胶本身的强度较小，将40%体积掺量的橡胶掺入混凝土试块中，混凝土试块内的受力承载面减少，直接导致试件抗压能力的下降。橡胶表面的硬脂酸钠等物质的疏水性产生引气效果，使橡胶和水泥基材料之间出现相容性差的问题，两者无法产生足够强度的粘结，界面之间会出现更多微缝隙。当橡胶混凝土试件受到荷载时，上述两个原因相互影响，由于承载面减少和集料间的应力集中作用，橡胶和水泥基材料间的微缝隙会进一步的发展和扩张，直到贯穿整个试件，致使试块的整体强度出现大幅度下降，导致试件加速破坏。

由表5可知，RC-40混凝土28 d弹性模量降低28.84%。由于橡胶是一种低弹性模量的高分子有机物，弹性模量远小于水泥基中各种材料的弹性模量，在受到荷载时橡胶会吸收一部分能量，橡胶的使用可以改进混凝土的变形协调能力[13-14]。相比于KB混凝土，RC-40混凝土内部的应力发展速度更加缓慢[8]，橡胶的掺入会在橡胶混凝土内部产生应力重新分布的效果，受到荷载后橡胶混凝土试块内部应力松弛，导致混凝土试件的弹性模量出现大幅度降低，试验试件破坏形态如图3、4所示。

2.2    低温对橡胶混凝土抗压强度、弹性模量的影响

RC-40混凝土、KB混凝土在-40℃低温后抗压强度、弹性模量试验结果分别见表6、表7，低温后混凝土抗压强度、弹性模量试验结果见图5。

由表6可知，RC-40混凝土立方体低温后抗压强度提高3.53%，KB混凝土低温后立方体抗压强度提高1.66%。在-40℃低温下，混凝土内部存在的自由水会发生凝结，结晶成为更坚固的固体状态[2]，固态的冰硬度上升，试件的抗压强度会出现小幅度上升。在橡胶混凝土中，橡胶粉的比表面积较大，其表面由于疏水性附着的水膜也更多，在低温下，橡胶也会随着其表面的水膜状态的改变提高了硬度，成为基体内受力承载的一部分，试件内部的应力分布情况开始改变，橡胶混凝土的抗压强度呈现上升趋势。

表7    低温后混凝土弹性模量试验结果试件编号弹性模量/（N·mm2）123均值/（N·mm2）

KB3.72×1043.66×1043.72×1043.70×104

RC-403.50×1043.26×1043.74×1043.50×104

由表7可知在，RC-40混凝土在低温后弹性模量提高16.28%；KB混凝土低温后弹性模量则降低12.53%。在-40℃的低温环境时，混凝土内孔隙中的自由水凝结成冰晶，水形态体积的变化对孔隙的内壁产生冻胀力[2]，破坏混凝土内部存在的孔隙结构，毛细孔隙之间出现联结发展成微裂缝，导致混凝土内部出现更多缺陷，KB混凝土的弹性模量出现下降。在RC-40混凝土中，橡胶的掺入可以吸收一部分冰晶带来的冻胀应力，但橡胶粉的小体积颗粒更容易受到温度变化带来的影响，大量的橡胶粉的弹性变形能力受到低温影响出现收缩，在恢复室温后，应对相同荷载环境时橡胶粉会表现得更加迟钝，橡胶粉的性能经过改变后其无法在试件内微裂缝拓展和延伸时及时吸收荷载能量[3]，从而导致在低温环境后橡胶混凝土的弹性模量升高，但其弹性模量仍低于KB混凝土。

2.3    橡胶粉对混凝土疲劳寿命的影响

不同应力水平下RC-40混凝土抗压疲劳寿命结果见表8，KB混凝土抗压疲劳寿命结果见表9。

由表8～9可知，随着试验应力水平的不断增加，所有试块的抗压疲劳寿命次数都出现大幅度降低。在应力水平0.75、0.80、0.85下，RC-40混凝土试块的抗压疲劳寿命次数均多于KB混凝土。RC-40混凝土试块在应力水平为0.80和0.85时的疲劳寿命次数比0.75时分别降低71.48%和98.00%；KB混凝土试块在应力水平为0.80和0.85时的疲劳寿命次数比0.75时分别降低69.89%和97.20%。相比普通混凝土，0.75、0.80、0.85水平应力下RC-40混凝土的疲劳寿命次数分别提高了83.39%、73.71%、31.11%。

在普通混凝土中掺入了强度更低、弹性模量更低的橡胶，导致试块内部的缺陷增多，橡胶混凝土强度下降，橡胶混凝土疲劳寿命次数却是增加的。由于橡胶本身的低弹性模量特性，橡胶混凝土对应力水平的改变更加敏感，疲劳寿命次数浮动范围更大[11]。在整个疲劳损伤的过程中，橡胶吸收能量后抵消了部分外加荷载对试块的损伤，使得橡胶混凝土试块拥有更好的抗变形能力，延长了RC-40混凝土在长期外加荷载下的抗压疲劳寿命。

2.4    S-N曲线

疲劳方程是描述疲劳性能最直观的方法之一，不同混凝土在不同应力水平条件下的疲劳特征需要选择适当的方式来描述。通常选用的S-N曲线需要的样本数量较少，可以较为精确的描述疲劳特性。疲劳方程由于使用的条件不同，也存在单对数、双对数两种形式，在N趋于无限大时使用双对数进行疲劳寿命的描述，本试验中疲劳破坏的次数相对较小，更适合使用单对数方程来进行寿命的描述，所以采用S=blgN+α描述橡胶混凝土的抗压疲劳寿命[15-16]。试验抗压疲劳数据分析结果见表10，根据抗压疲劳试验结果得到的不同试件压坏时的疲劳寿命次数，结合不同数据对应的应力水平，采用线性回归分析方法，对试验所得数据进行拟合，得到的抗压疲劳寿命曲线见图6～7。

分别以lgN为横坐标，应力水平S为纵坐标，做出相应试块的疲劳方程函数图像，结果如图6、图7所示。

从图6～7可知，S和lgN表现出较好的线性关系，验证了RC-40混凝土和普通混凝土的疲劳寿命的确服从单对数疲劳方程。结合整理试验数据，并将相关系数列出，进行线性回归分析，最终得出不同混凝土抗压疲劳方程分别为：

RC-40：S=－0.0564lgN+1.0417

KB：S=－0.0621lgN+1.0533

由图6～7可知，RC-40混凝土和KB混凝土试块的回归方程的相关系数分别为0.9589和0.9652，都接近于1，表明本试验中使用的单对数疲劳方程可以较好地拟合不同试块的疲劳寿命，反应不同混凝土的疲劳特性，可应用到橡胶混凝土疲劳寿命的预测中。

3    结论

本研究对掺入40%橡胶粉的混凝土进行了抗压强度、弹性模量试验，探究在低温-40℃环境对橡胶混凝土抗压强度、弹性模量的影响，并在不同应力水平0.75、0.80、0.85下分別进行的抗压疲劳试验，得出如下结论：

1）在掺入40%体积掺量的橡胶粉之后，RC-40混凝土的抗压强度下降34.64%，弹性模量降低28.84%。在低温后，RC-40混凝土抗压强度提高3.53%，KB混凝土抗压强度提高1.66%；RC-40混凝土弹性模量提高16.28%，KB混凝土弹性模量降低12.53%。掺入40%橡胶粉的RC-40混凝土试件的抗压强度、弹性模量均出现下降，但在经过低温之后，RC-40混凝土的抗压强度提高程度略高于空白组，弹性模量也出现提升。

2）在抗压疲劳试验中，不同应力水平下，RC-40混凝土压坏时的疲劳次数总是多于普通混凝土，且变化幅度更大。RC-40混凝土在0.75、0.80、0.85应力水平下疲劳寿命相比于KB混凝土分别提高83.39%、73.71%、31.11%。

3）通过疲劳试验，得出了混凝土的S-N曲线，拟合出了其对应的单对数疲劳方程，其相关系数都接近于1，可以较好的反映不同混凝土的疲劳特性。随着试验应力水平的提高，RC-40混凝土和普通混凝土试件可承受的疲劳寿命次数不断降低，其对数值也在不断减小，S-N曲线逐渐向上延伸。

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Mechanical and Fatigue Properties of Rubber Concrete

YAN Yan1， KONG Yu1， WANG Yingbin1， ZHAO Hang2， BAI Yinghua1

（1 School of Civil Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China；2 Engin. Agent Construction Management Office of Air Force Logistics Dep.， Xinjin 611430，China）

Abstract： In order to study the compressive strength and elastic modulus of 40% rubber concrete and the influence of low temperature environment on it， compressive and elastic modulus tests were carried out. Compressive fatigue tests were conducted on rubber concrete at different stress levels， and the compressive fatigue characteristics of different concrete were described by establishing fatigue equation. The results show that the compressive strength and modulus of elasticity of rubber concrete with 40% volume fraction are reduced by 34.64% and 28.84%.The compressive strength and elastic modulus of rubber concrete are increased by 3.53% and 16.28% at 40 C. The fatigue life times of rubber concrete at stress levels of 0.75， 0.80 and 0.85 are respectively increased by 83.39%， 73.71% and 31.11%.The single logarithmic fatigue equation is used to describe the fatigue characteristics of concrete， and the correlation coefficients of different concrete regression equations are close to 1， which can better reflect the fatigue characteristics of concrete and provide reference for the fatigue life prediction of rubber concrete under different stress levels.

Keywords： rubber concrete; low temperature; elastic modulus; compressive fatigue

［責任编校： 裴琴］