不同冲击气压下橡胶混凝土力学性能研究_颜剑秋.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督理论研究DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.038不同冲击气压下橡胶混凝土力学性能研究颜剑秋(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)摘要:将废旧橡胶颗粒掺入混凝土中制成橡胶混凝土，能让废旧橡胶回收再利用。为了解橡胶混凝土力学性能，文章开展了素混凝土和橡胶混凝土在不同气压作用下的冲击试验，结果表明:橡胶混凝土的延性、抗冲击性能及抗变形能力、韧性、耐久性明显高于素混凝土，可有效防止混凝土脆性破坏;且橡胶混凝土的单位吸能密度较高，抗震和减震性能好，可见橡胶混凝土具有一定的推广价值。研究结果为橡胶混凝土的使用及推广提供参考。关键词:橡胶混凝土;抗冲击性能;韧性;吸能密度中图分类号:TV431文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0146-03收稿日期:2022-10-18作者简介:颜剑秋(1975 年)，男，高级工程师。E-mail:废旧橡胶的产生既占用了大量的土地资源，也造成了环境污染，为将废旧橡胶制成橡胶混凝土进行回收再利用，学者们对此进行了多方面研究。胡仁桂1 对橡胶混凝土单轴压缩应力应变全曲线数学进行了研究，结果表明随着橡胶掺量增大，轴向应变增长，在外部荷载下易产生延性破坏;龙一飞等2 对冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验进行了研究，结果表明素混凝土中适量掺入橡胶颗粒，其韧性及吸能效果明显增加;李龙梓等3 进行了大掺量废旧轮胎橡胶粉对混凝土性能的研究，结果表明混凝土中适量的掺入橡胶粉，能有效提高混凝土的耐磨性能以及抗冻性能;杨春峰等4 对橡胶混凝土单轴受压下的应力 应变关系进行了研究，结果表明橡胶混凝土较素混凝土应力应变平缓，力学性能降低;郑邦容等5 对橡胶混凝土力学性能与耐久性能进行了研究，结果表明掺入橡胶颗粒后，混凝土的力学性能降低，而耐久性和抗压能力有显著增强;赵行之等6 对冲击荷载作用下橡胶混凝土动态力学性能进行了研究，结果表明动态荷载作用下，橡胶混凝土的破坏程度小于素混凝土，橡胶掺量为 3%的混凝土吸能效果最佳;付毓等7 对橡胶混凝土受压破坏机理的余能基面力元进行了分析，结果表明随着橡胶掺量的增加，抗压性能明显降低，其中分散均匀的橡胶颗粒能有效防止混凝土局部破坏;付乾等8 对基于正交试验的橡胶混凝土单轴受压应力 应变全曲线进行了研究，结果表明相较于素混凝土，橡胶混凝土中橡胶颗粒的掺入，使混凝土的强度有所降低，但提高了混凝土的延性、韧性和耗能能力。对于不同冲击气压下橡胶混凝土的力学性能，以上研究并没有系统分析。针对此问题，本文进行了素混凝土和橡胶混凝土在不同气压作用下的冲击试验，对素混凝土和橡胶混凝土的力学性能、韧性和单位吸能进行了分析。1工程概况本项目为某水电站配套项目，建设大型停车场工程，拟采用橡胶混凝土建造大型停车场。该停车场停车数量较多，车辆出入频繁，因此停车场所用的橡胶混凝土对抗压强度、吸能、减震和降噪有较高的要求，为保证停车场使用年限不少于 30a，须对所采用的橡胶混凝土进行力学性能试验。2试验材料与方案2.1试验材料本试验所采用的材料分别为 P.O42.5 水泥、天然河砂、碎石、橡胶颗粒及减水剂，水泥为普通硅酸盐水泥，河砂为粒径 0.35 0.5mm 优质中砂，碎石为 6 18mm 天然花岗石，橡胶颗粒为 0.8 3.2mm 的不规则颗粒，其宏观形态如图 1(a)所示，其微观形态如图 1(b)所示。641理论研究水利技术监督2023 年第 2 期图 1橡胶颗粒首先制备橡胶混凝土试件，试件中橡胶的掺量为总 体 积 的 10%。设 置 基 准 素 混 凝 土 强 度 为40MPa，在素混凝土中掺入 10%的橡胶颗粒代替河砂，橡胶混凝土质量配合比见表 1。表 1橡胶混凝土质量配合比单位:kg/m3水泥砂子碎石橡胶水减水剂4185851085341784.38制备的试件为圆柱体，直径为 74mm，高度为37mm，以此规格试件作为标准试件，将制备完成的试件分为 6 组，每组 3 个，全部放入相对湿度大于 95%、温度为 20 3 的条件下进行标准养护，养护龄期不小于 28d。养护结束后，将试件表面打磨，使两端面保持水平，水平误差保持在 0.05mm以下，单面平整度保持在 0.02mm 以下。2.2试验方案本试验采用 74mm 变截面 SHPB 试验设备对橡胶混凝土试件进行动态压缩，试验中设置 4 种冲击气压对试件进行冲击压缩，4 种气压强度分别为0.25、0.35、0.45、0.55MPa。将试件放入试验设备中，平行于设备的入射杆和透射杆，子弹在冲击气压下获取速度撞击入射杆，在子弹撞入试件顶端的瞬间产生脉冲，形成入射波，一部分入射波透过试件传递到另一端的透射杆，形成透射波，另一部分入射波从试件顶端接触面反射回入射杆，形成反射波。施加的脉冲信号被入射杆和透射杆上的电阻应变片收集，收集的脉冲信号通过示波器进行显示，其显示的波形如图 2 所示。图 2脉冲信号波形图由图 2 可知，试件在子弹的冲击下，入射波信号先快速增大再减小，在 240s 时，入射信号达到峰值，随着时间的增加，在 380s 时入射波信号转换成两部分，一部分形成透射波，另一部分形成反射波。转换后的透射波和反射波均先增大再减小，直至受力消失。为保证冲击试验的有效性，根据冲击试验所得数据，对试件进行应力平衡检测，得出应力平衡曲线，如图 3 所示。在 50s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为 40、32、8、9MPa;在 100s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为 48、24、24、24.5MPa;在 150s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为49、38、18、19MPa;在 200s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为50、39、10、12MPa;在 250s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为图 3应力平衡曲线7412023 年第 2 期水利技术监督理论研究38、20、16、17MPa;在 300s 时，入射应力、反射应力、入射+反射平均应力和透射应力分别为0、7、10、11MPa。由此可知，随着时间的增加，入射应力、反射应力和透射应力沿波传播方向先增加再逐渐衰减，在传播过程中，应力在试件内部发生多次反射，两端应力差逐渐减少直至消失9-10。3试验结果与分析3.1混凝土的力学性能分析对相同配合比的素混凝土和橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，得出不同应变率下的应力应变曲线，如图 4 所示。图 4混凝土应力应变曲线由图 4(a)可知，在强度为 0.25、0.35、0.45、0.55MPa 气压冲击下，当应变率为 0.005 时，素混凝土的应力分别为 30、43、60、70MPa;当应变率为 0.010 时，素混凝土的应力为 40、45.5、50、67MPa;当应变率为 0.014 时，素混凝土的应力为3、21、10、73MPa;当应变率为0.015 时，强度为0.25MPa 气压冲击下素混凝土试件的应力已消失，强度为0.35、0.45、0.55MPa 气压冲击下素混凝土试件的应力分别为 12、2.5、74MPa。由此可知，不同气压冲击下，素混凝土的应力先增大再减小，在 0.55MPa 气压冲击下，素混凝土应力最大，在0.25MPa 气压冲击下，素混凝土应力最小。由图 4(b)可知，在强度为 0.25、0.35、0.45、0.55MPa 气压冲击下，当应变率为 0.005 时，橡胶混凝土的应力分别为 30、40、50、70MPa;当应变率为 0.010 时，橡胶混凝土的应力为 37、44、56、57MPa;当应变率为 0.015 时，橡胶混凝土的应力为 38、41、48、60MPa;当应变率为 0.020 时，强度为 0.25MPa 气压冲击下橡胶混凝土试件的应力已消失，强度为0.35、0.45、0.55MPa 气压冲击下橡胶混凝土试件的应力分别为 20、32、54MPa。由此可知，不同气压冲击下，橡胶混凝土的应力先增大再减小，在 0.55MPa 气压冲击下，橡胶混凝土应力最大，在 0.25MPa 气压冲击下，橡胶混凝土应力最小。综上所述，通过对素混凝土和橡胶混凝土的应力应变对比，素混凝土的峰值应力整体上明显高于橡胶混凝土，橡胶混凝土的应变延性高于素混凝土，其变形能力较素混凝土明显增强。3.2混凝土的韧性及吸能分析通过对素混凝土和橡胶混凝土进行不同气压的冲击试验，得出混凝土的韧性和吸能密度曲线，如图 5 所示。由图 5(a)可知，在强度为 0.25MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为 0.42、0.6;在强度为 0.35MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为 0.62、0.79;在强度为0.45MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为 0.78、1.02;在强度为 0.55MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性分别为 1.18、1.33。由此可知，随着冲击气压的增大，素混凝土和橡胶混凝土的韧性明显增大，在相同的冲击气压下，橡胶混凝土的韧性明显高于素混凝土，在外力荷载作用下，能够有效的防止混凝土的脆性破坏。由图 5(b)可知，在强度为 0.25MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.12、0.16J/m3;在强度为 0.35MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.17、0.23J/m3;在强度为 0.45MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.23、0.33J/m3;在强度为 0.55MPa 气压冲击下，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度分别为0.29、0.38J/m3。由此可知，随着(下转第 172 页)8412023 年第 2 期水利技术监督理论研究参考文献 1王彦平，龚卓，王起才 风沙环境下混凝土桥梁墩身固体颗粒冲蚀磨损及防护材料试验研究J 硅酸盐通报，2015，34(7):1941-1946 2王彦平，王起才，居春常 混凝土表面增强处理对抗冲蚀磨损性能的影响J 混凝土，2013(3):37-40 3胡金勇 基于 BIM 技术的大坝碾压混凝土施工质量安全监测 J 水利技术监督，2021(4):15-19，141 4白建旺 大坝碾压混凝土施工技术优化研究J 水利技术监督，2021(7):178-181，225 5赵多明 LEAC 丙烯酸聚合物水泥在北疆供水渠道防渗中的应用 J 工程建设与设计，2022(12):153-155 6赵多明 丙烯酸水泥防水涂料在北疆主渠道渗漏修复的应用与探讨J 江苏建筑，2022(2):139-141 7梁志远，牛云辉，吕淑珍，等 丙烯酸乳液改性玻化微珠保温砂浆性能与孔结构研究J 新型建筑材料，2022，49(6):46-50，55 8赵杨，孙海燕，王福来，等 PVA 纤维对水工混凝土抗冲磨性的影响试验研究J 长江科学院院报，2022，39(6):127-132(上接第 148 页)图 5混凝土韧性和吸能密度曲线冲击气压的增大，素混凝土和橡胶混凝土的单位吸能密度明显增大，在相同的冲击气压下，橡胶混凝土的单位吸能密度明显高于素混凝土，因此素混凝土中掺入适量的橡胶能增加混凝土的吸能效果。综上所述，在不同气压冲击作用下，素混凝土和橡胶混凝土的韧性和单位吸能密度均明显增大，其中橡胶混凝土较素混凝土增大明显。在相同的气压冲击作用下，橡胶混凝土的的韧性和单位吸能密度明显高于素混凝土，因此橡胶混凝土较素混凝土有较好的减震性能和抗冲击性能，素混凝土中适量掺入橡胶能提高混凝土耐久性，防止混凝土脆性破坏。4结论本文通过素混凝土和橡胶混凝土在不同气压作用下的冲击试验，对橡胶混凝土的力学性能、韧性和单位吸能进行了研究，结果显示橡胶混凝土的延性及抗冲击性能好，韧性及抗冲击性能及耐久性较素混凝土显著增加，可有效避免混凝土的脆性破坏;橡胶混凝土的单位吸能密度明显高于素混凝土，其抗震和减震性