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        基于楔入劈拉試驗(yàn)的橡膠混凝土斷裂能研究 *

        2020-09-23 08:34:28衣笑薛剛
        關(guān)鍵詞:傳力橡膠試件

        衣笑,薛剛

        (內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

        為了改善混凝土材料的脆性并提高其抗裂性能,學(xué)者們嘗試在普通混凝土基體中加入橡膠摻合料.橡膠顆粒在混凝土內(nèi)部起著類似彈性纖維的作用,抑制裂縫的擴(kuò)展,并在斷裂過程中耗散能量,提高混凝土的抗裂性能[1-3].

        斷裂能是研究混凝土類材料的重要參數(shù),楔入劈拉試驗(yàn)是現(xiàn)今較為標(biāo)準(zhǔn)的測定材料斷裂能的方法.目前,部分學(xué)者使用楔入劈拉試驗(yàn)對混凝土的抗裂性能進(jìn)行了研究[4-6],但缺少影響因素的機(jī)理分析,而基于楔入劈拉試驗(yàn)對橡膠混凝土斷裂能的研究更是鮮有報(bào)道.

        因此,基于楔入劈拉試驗(yàn)測定橡膠混凝土的斷裂能,探討橡膠顆粒的粒徑與摻量對其影響的規(guī)律及其機(jī)理,對廢舊橡膠在土木工程中的應(yīng)用和混凝土抗裂性能的提高具有巨大意義.

        1 試驗(yàn)概況

        采用5%,10%,15%,20%的30目和50目摻量橡膠集料等體積代替砂,摻入到強(qiáng)度等級為C30的基準(zhǔn)混凝土中.對橡膠混凝土試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn),并計(jì)算各組試件的斷裂能.

        1.1 原材料

        采用P·O42.5R水泥,普通連續(xù)級配河砂,細(xì)度模數(shù)為2.60;連續(xù)級配碎石,粒徑為5~25 mm;30目和50目的橡膠顆粒,橡膠粉的表觀密度為1 050 kg/m3;砂表觀密度為1 450 kg/m3.

        基準(zhǔn)混凝土配合比為:水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水=1∶2.63∶3.8∶0.13∶0.513,橡膠顆粒等體積代替砂.具體配合比詳見表1.

        表1 基準(zhǔn)配合比 (kg)

        1.2 試驗(yàn)裝置

        楔入劈拉試驗(yàn)裝置如圖1所示,試件長寬高分別為200,200,230 mm.在試件頂面設(shè)有方形槽,槽中間留有預(yù)制裂縫.試件實(shí)物如圖2所示.試驗(yàn)采用雙線鋼軸對稱支承,為了消除豎向力對斷裂能的影響,支承位置一般選取在試件寬度的1/4處.試件上方放置2個(gè)配有滾軸的傳力板來減小摩擦力,提高測試結(jié)果的可靠性.為了方便安裝夾式引伸儀,需要在兩個(gè)傳力板中間位置制作預(yù)留槽來保證有充足的操作空間,以便測出裂縫張口位移CMOD(Crack Mouth Opening Displacement).具體操作程序可參照文獻(xiàn)[4].楔形加載架將豎向的作用力傳遞到傳力板的滾軸上,使傳力板向水平方向兩側(cè)移動(dòng),從而向試件施加一對大小相等方向相反的水平力,實(shí)現(xiàn)豎向作用力與水平作用力的轉(zhuǎn)化.

        1.3 試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)前測量每個(gè)試件的尺寸,齡期和初始裂縫長度.利用10 kN荷載傳感器記錄試驗(yàn)過程的荷載大小,用YYJ-4/10夾式引申計(jì)測量裂縫口張開位移,并記錄試件破壞時(shí)的最大荷載和裂縫口臨界張開位移,繪制荷載與裂縫張開口位移曲線.裂縫尖端處應(yīng)變用電阻應(yīng)變片來記錄.

        試件安裝完畢后使用10 kN油壓千斤頂以低速率開始加載,在加載裝置,荷載傳感器與試件接觸過程中,調(diào)整各個(gè)裝置的位置避免對試件造成沖擊.完全接觸后,調(diào)節(jié)加載速率,加載速率控制在20~40 N/s.加載過程中觀察試件的裂縫起裂和擴(kuò)展,記錄裂縫的擴(kuò)展長度及對應(yīng)的荷載值.實(shí)際加載裝置如圖3所示.

        2 斷裂能的確定

        2.1 斷裂能計(jì)算基本原理

        裂縫的擴(kuò)展過程十分復(fù)雜,難以細(xì)致地研究擴(kuò)展歷史路徑以及相關(guān)位置的應(yīng)力場情況,因此裂縫尖端能量平衡觀點(diǎn)則成為對裂縫擴(kuò)展研究的重要切入點(diǎn),這一觀點(diǎn)認(rèn)為裂縫擴(kuò)展的動(dòng)力是可以由擴(kuò)展過程中所釋放出的能量來衡量的,由此建立的脆性斷裂準(zhǔn)則稱為G準(zhǔn)則.斷裂能定義為單位面積產(chǎn)生裂縫時(shí)所需消耗的平均能量,并將裂縫面積定義為平行于主裂縫方向的平面中的投影面積.斷裂能是衡量混凝土材料抗裂性能和延性的重要指標(biāo),一般來說,斷裂能越大表示材料的抗裂性能與延性越好.斷裂能GF可按式(1)計(jì)算:

        (1)

        式中:W為總外力功;W0為試驗(yàn)機(jī)所提供的豎向荷載所作外力功,大小等于P-CMOD曲線的包絡(luò)面積;δ0為最終破壞的加載點(diǎn)的裂縫口張開位移;Alig為韌帶面積;B為試件厚度;D為試件高度;a0為試件預(yù)制縫長度;P為試件所受豎向荷載;mg為傳力裝置的自重(物理量單位詳見表2,下同).

        在計(jì)算材料斷裂能的過程中,需要考慮試驗(yàn)夾具和傳力裝置自重對計(jì)算結(jié)果的影響,試件在從開裂到斷裂破壞的過程中裂縫擴(kuò)展所消耗的平均能量即為斷裂能.

        采用分段的方法計(jì)算斷裂能的方法[4]:

        (2)

        式中:A=B(D-a0)為韌帶面積;W0+W1+W2+W3是所有外力所做的總功;W0=WV0/(2tgθ)是試驗(yàn)采集到的荷載與位移曲線的包絡(luò)面積;WV0可以通過繪圖軟件算得.W1與W2的和為試驗(yàn)裝置自重所做的功.由于試驗(yàn)條件所限,試驗(yàn)加載結(jié)束點(diǎn)后的尾部曲線無法測出,必須擬合出一種比較接近混凝土實(shí)際情況的尾部曲線.多數(shù)試驗(yàn)表明,P-CMOD曲線下降段反彎點(diǎn)之后的部分呈一定的規(guī)律性,因此可采用擬合尾部曲線的方法來計(jì)算曲線P-CMOD尾部面積.斷裂能分段計(jì)算示意圖如圖4所示.

        對于曲線尾部下降段,采用指數(shù)函數(shù)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合:

        P=me-nδ.

        (3)

        為簡便起見,以δ表示CMOD

        (4)

        為得到更好的擬合效果,在實(shí)際采集到的試件P-CMOD曲線上,選取曲線下降段峰值荷載值1/3處到靠近尾部較為分散的8~10個(gè)點(diǎn),有針對性地進(jìn)行擬合,以便得到更具有說服力的斷裂能數(shù)值.

        將選取的各點(diǎn)坐標(biāo)分別輸入繪圖軟件中,可擬合出每組試件的尾部曲線方程,并將參數(shù)代入公式(4)中,即可得到的計(jì)算結(jié)果.

        2.2 斷裂能計(jì)算結(jié)果

        各摻量30目和50目的橡膠混凝土荷載-位移曲線如圖5和圖6所示.

        分段計(jì)算后斷裂能計(jì)算結(jié)果如表2所示.

        表2 橡膠混凝土試件斷裂能計(jì)算結(jié)果

        由表2可知,除20%橡膠摻量的橡膠混凝土外,其他摻量的橡膠混凝土試件的斷裂能均明顯高于基準(zhǔn)混凝土,當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí),橡膠混凝土試件的斷裂能達(dá)到最大值.摻量為15%時(shí),2種粒徑的橡膠混凝土斷裂能均有明顯下降.斷裂能在橡膠摻量小于10%時(shí)隨摻量增大而增大,當(dāng)超過10%時(shí)則隨摻量增大而減小.50目橡膠集料對混凝土斷裂能的提升要比30目的更顯著.原因在于,在相同摻量下,50目橡膠混凝土中的橡膠顆粒數(shù)量更多,在破壞過程中會產(chǎn)生更大的變形并耗散更多能量.從圖5,6中也能看出50目橡膠混凝土的裂縫口張開位移隨著荷載的變化更明顯.

        橡膠顆粒表面粗糙,透水性低且富有彈性,當(dāng)材料受力變形時(shí)能在試件內(nèi)部形成分布較為均勻的可伸縮顆粒群,降低混凝土的彈性模量,提高變形能力[7].橡膠顆粒發(fā)揮彈性變形能力的同時(shí)加大了與砂漿的摩阻力和粘結(jié)力,使材料在斷裂過程中產(chǎn)生更大的變形和位移,并使裂縫尖端處的粘聚效應(yīng)變大,耗散更多能量.當(dāng)橡膠摻量超過一定量時(shí),雖然材料的變形能力更強(qiáng),但是材料內(nèi)應(yīng)力水平下降明顯,造成斷裂能變小.

        3 結(jié)論

        通過楔入劈拉試驗(yàn)的方法測定了不同摻量、粒徑的橡膠混凝土的斷裂能,研究了橡膠集料摻量和粒徑對斷裂能的影響,得出以下結(jié)論:

        (1)橡膠混凝土的斷裂能隨摻量的增加先增大再減小,當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)斷裂能達(dá)到最大值.橡膠摻量到達(dá)20%后斷裂能反而低于基準(zhǔn)混凝土.

        (2)相同橡膠摻量下,50目橡膠混凝土中的橡膠顆粒數(shù)量更多,在破壞過程中變形更大耗能更多,因此50目橡膠混凝土的斷裂能大于30目橡膠混凝土.

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