作者简介:谢志红(1978—),女(汉族),广州航海学院副教授、博士. E-mail: hz.xzh@163.com
中文责编:坪 梓; 英文责编:之 聿
1)广州航海学院航务工程系, 广州 510725; 2)华南理工大学土木与交通学院,广州 510640; 3)广东工业大学土木与交通工程学院,广州 510006
Xie Zhihong1, Huang Peiyan2, Zhang Jianhong3, Xie Jianhe3, Guo Yongchang3, and Cen Yuqiao31)Department of Harbor Engineering, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510725, P.R.China2)School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P.R.China3)Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, P.R.China
solid mechanics; crumb rubber; recycled aggregate; fracture properties; steel fiber; concrete; green building materials
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.05521
以橡胶钢纤维再生骨料混凝土(crumb rubber and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete,RSRAC)为研究对象,探讨橡胶掺量对其断裂性能的影响. 设计了6组试件,包括5组不同配合比的RSRAC(橡胶体积分数分别为0、4%、8%、12%和16%)和1组不含橡胶的钢纤维原生骨料混凝土试件,每组含3个尺寸为100 mm×100 mm×515 mm带切口的小梁试件. 基于三点弯曲断裂试验,得到了RSRAC的荷载-挠度曲
This paper addresses the fracture behavior of crumb rubber and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete(RSRAC). An experimental study was conducted on the effects of rubber content on the fracture behaviors of RSRAC. 6 specimens of 150 mm×150 mm×515 mm were cast, including five RSRAC groups with different ratio of rubber content(rubber content being respectively 0, 4%, 8%, 12% and 16% by volume substitution of sand)and one group nature aggregate concrete(NAC)without rubber. Each group contained three specimens. Based on a three-point bending test, the curves of load-deflection and load-crack mouth opening displacement were obtained, and both the fracture toughness and fracture energy were calculated. The results indicate that both the fracture toughness and fracture energy firstly increases and then decreases with the increase of the rubber content, and the rubber content is recommended to be 8% to provide the better fracture behavior for RSRAC.
以固体建筑废弃物作为粗骨料的再生混凝土,不仅可以把固体建筑废渣作为资源重新利用,又可以降低建筑成本,有利于社会经济的可持续性发展,是目前环保建筑材料领域的一个研究热点[1]. 近年来,各国学者对再生混凝土的基本力学性能进行了许多研究, 结果表明,与天然混凝土相比,普通再生混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量都随着再生骨料取代率的增大而下降[2-5]. 为了改善其性能,许多研究人员在再生混凝土加入了钢纤维,当掺入钢纤维的体积分数为0.5%~2.0%时,混凝土的抗折强度和弹性模量有较大程度的提高,可以有效地限制裂缝的扩展[6-8]. 文献[8]指出,改善混凝土性能的最佳钢纤维掺入体积分数是1.0%~1.5%. 然而,钢纤维虽能有效地限制裂缝的扩展,但不能抑制混凝土初始裂缝的萌生[9],而且钢纤维混凝土造价贵也限制了它的发展与利用.
另一方面,废旧橡胶作为细骨料近年来也被应用于混凝土中. 大量研究表明,将废旧橡胶轮胎破碎后掺入到混凝土中,不但能增加混凝土的延性和韧性,还能解决大量废旧橡胶的回收利用问题[10-14]. 文献[14]指出,橡胶混凝土进入破坏阶段时,橡胶颗粒会像小弹簧分布在裂缝面上,阻止裂缝的扩展,使橡胶混凝土表现出明显的塑性变形. 然而,仅仅用橡胶替代部分细骨料,会导致混凝土抗压、抗折强度及弹性模量等性能指标明显降低[15]. 因此,如何有效改善再生混凝土性能指标成为该类技术亟待解决的关键问题.
为了经济有效地增强再生混凝土的基本力学性能,本研究结合钢纤维抗拉强度高和橡胶弹性模量小等特性,将橡胶颗粒和钢纤维同时掺入再生混凝土,生成一种新型的环保建筑复合材料——橡胶钢纤维再生骨料混凝土(crumb rubber and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete,RSRAC). 制作6组不同橡胶掺量RSRAC带切口的小梁试件,通过实施三点弯曲断裂试验,探讨橡胶掺量对RSRAC断裂性能的影响规律,为推广该类新型环保建筑材料提供依据.
根据材料配合比的不同,本试验总共设计了6组试件,其中,5组为RSRAC试件(橡胶的体积分数分别为0、4%、8%、12%和16% ),1组为不含橡胶的钢纤维原生骨料混凝土试件,每组均有3个尺寸为100 mm×100 mm×515 mm(高×宽×长)的带切口小梁试件.
试件采用的胶凝材料为普通波特兰水泥,细骨料采用密度为2.69 g/cm3、细度模数为2.52、吸水率为0.8%(质量分数)的中粗河砂,原生粗骨料采用最大粒径均为12.5 mm的石灰石,再生粗骨料采用经破碎、清洗的废旧混凝土. 经试验测定,原生粗骨料及再生粗骨料的吸水率分别是0.76%和3.82%,其密度分别为2.65和2.43 g/cm3. 试验所采用的橡胶颗粒是废旧轮胎经破碎及清洗后得到的. 钢纤维采用剪切波浪型钢纤维,长度为32 mm,长径比为45,抗拉强度为600 MPa. 另外,采用含固率为30%,减水率为20%的萘系高效减水剂作为混凝土外加剂. 图1分别给出了再生骨料、橡胶颗粒和钢纤维的外观形态.
各组混合物的再生骨料是以体积相等的方式来取代原生骨料的. 橡胶颗粒掺量是以等体积取代砂的方式确定,其取代率分别为0、4%、8%、12%和16%. 为便于试验数据的比较和分析,6组混凝土混合物均采用0.35的水灰比. 另外,考虑到再生骨料吸水率较大的特点,含再生骨料的5组配合比均增加了再生骨料质量3.82%的附加水. 表1给出了上述混凝土混合物的相应编号及其配合比情况.
表1 材料配合比
Table 1 Mix proportions单位:kg/m3
图2 三点弯曲断裂测试示意图(单位: mm)
Fig.2 (Color online)Schematic illustration of three-point bending fracture tests(unit: mm)
根据国际材料与结构实验室联合会混凝土断裂力学委员会推荐测定混凝土断裂性能的方法[15],设计试件的尺寸为100 mm×100 mm×515 mm(高×宽×长),测量跨距为400 mm,相对切口深度a0/h=0.3(a0为切口深度),如图2,其中, h、 t和s分别为试件的高度、宽度和跨度. 试验加载采用吨位为500 kN的闭路液压伺服控制试验机,采用位移控制加载模式. 试验机的荷载传感器量程为50 kN,精度为其量程的0.002%. 挠度测量传感器采用量程为50 mm、精度为0.01 mm的位移计. 采用量程为7 mm、精度为0.001 mm的夹式引伸计测量预设裂缝口的张开位移(crack mouth open displacement, CMOD). 所有应变数据均采用日本东京测器TDS-530高速静态应变采集系统同步采集. 在断裂试验中,以切口梁中部的挠度作为试验控制参数,其恒定位移控制速率为0.05 mm/min,持续施加荷载直至试件被破坏.
图3为切口梁断面的破坏形态. 通过对比发现,含有再生骨料的混凝土试件主要表现为骨料本身的剪切破坏,而原生骨料混凝土试件则呈现为骨料界面的剥离破坏. 这主要是因为,对于不含橡胶原生骨料的混凝土试件,当裂纹扩展遇到原生粗集料受阻时,裂纹没法穿过集料,只能绕行,沿界面扩展,造成骨料界面的剥离破坏. 对于含有再生骨料和橡胶的混凝土试件,橡胶颗粒的弹性作用一定程度上缓解了混凝土凝结初期的收缩应力和温度应力,从而减少了混凝土内部的初始缺陷,减小了微裂纹的数量和尺寸. 但由于再生骨料和橡胶的强度较低,当宏观裂缝形成并扩展时,直接穿过再生骨料和橡胶,转而由横跨于裂缝之间的钢纤维来抵抗荷载. 因此,钢纤维和橡胶颗粒在混凝土中能发挥各自的优势,极大地提高混凝土的延性.
根据断裂力学理论可知,断裂能GF是指形成单位断裂面所需消耗的能量,是表征混凝土断裂性能和脆性的主要参数. 三点弯曲梁的断裂能GF可以表示为
GF=(W0+W1+W2+W3)/(Alig)(1)
其中,W0为外力P所做的功,即系统可以采集到的荷载与位移曲线下的包络面积; W1为施加外力P之前试件自重所做的功,考虑到其值非常小,可忽略不计; W2为加载过程中试件自重所做的功; W3为加载过程,试件自重所做的附加功,采用文献[16]建议的方法计算; Alig为韧带面积,即Alig=t(h-a0). 需注意的是,荷载-挠度曲线之后的尾部曲线是无法在试验中测得的,本研究采用文献[16]所提出的计算方法,将试验所测得数据拟合出合理的尾部曲线后,再积分算出W3的数值.
图4为试验测得6组试件荷载-挠度(P-δ)曲线. 从图4可以发现,与不含橡胶颗粒的普通钢纤维混凝土(NC-R0)和钢纤维再生混凝土(RC-R0)相比,含有橡胶颗粒的RSRAC混合物(RC-R4、RC-R8、RC-R12 、 RC-R16)拥有更为平缓的P-δ下降段曲线和更大的极限挠度位移值. 由此可见,橡胶颗粒增强混凝土基体韧性的效果是比较显著的. 表2给出了各种含不同橡胶掺量的RSRAC以及NC-R0混凝土断裂能的计算结果. 值得提出的是,钢纤维在断裂截面上分布的形式和数量存在一定随机性和不确定性,导致在个别试验组中至多有1条试验曲线因存在较大的离散性而被事先剔除.
图5是各试件断裂能随橡胶掺量的变化规律. 由图5可见,再生粗骨料完全取代自然粗骨料成为钢纤维再生混凝土,断裂能有较大幅度的降低,下降了46.78%. 这主要是因为再生骨料混凝土耗能的能力远小于普通骨料混凝土. 对于橡胶钢纤维再生混凝土,断裂能随着橡胶颗粒掺量的增加是先提高后降低. 当橡胶颗粒体积分数为4%时,RC-R4的断裂能比RC-R0增加了86.89%. 在橡胶颗粒体积分数为8%时,RC-R8断裂能达到最大值,较RC-R0增加了1.74倍,此时的RSRAC混合物拥有最佳的延展性. 但当橡胶颗粒体积分数分别增加至12%和16%时,RSRAC的断裂能呈渐降趋势,RC-R12和RC-R16的断裂能较RC-R8分别降低了43.20%和58.32%. 这主要是因为,橡胶可以提高RSRAC的弹性,也会降低RSRAC的强度. 橡胶掺量较小时,橡胶的优点占主导作用,但当橡胶掺量较大时,橡胶掺入的缺点占主导作用. 因此,RSRAC断裂能是随着橡胶颗粒掺量的增加先提高后降低. 从本试验结果可知,RSRAC的断裂能在橡胶颗粒体积分数为8%时最优.
混凝土断裂韧度是描述混凝土断裂性能的重要参数,用以反映混凝土材料抵抗裂纹扩展的能力,即抵抗脆断的能力. 本研究根据美国材料试验协会在E399-74中提供的公式计算RSRAC的断裂韧度KIC[17],
KIC=((Pmax+mg)s)/(4th3/2)f((a0)/h)(2)
其中, Pmax为峰值荷载; mg为试件支点间的重量; f((a0)/h)为几何形状因子.
在荷载作用下,混凝土切口梁试件预制裂缝前端形成断裂过程区,同时在沿裂缝尖端会形成一条亚临界裂缝. 钢纤维的掺入使得断裂过程区除了有混凝土的黏聚力外,还有钢纤维与混凝土之间形成的黏结锚固力作用,两者的共同作用使钢纤维混凝土断裂过程区的范围较普通混凝土的大. 考虑到美国材料试验协会推荐的断裂韧度计算公式是基于普通混凝土材料导得,并未考虑钢纤维掺入后对混凝土断裂过程区的影响,因此,本研究根据文献[16]建议,采用式(3)的有效裂缝长度ac来取代a, 对式(2)进行修正,
ac=2/(π)(h+h0)×
arctan((tE(CMOD)c)/(32.6Pmax)-0.113 5)1/2-h0(3)
其中, h0为夹式引伸计刀口薄钢板厚度;(CMOD)c为裂缝口张开位移临界值; E为弹性模量,
E=1/(tci)[3.70+32.60tan2((π)/2(a0+h0)/(h+h0))](4)
其中,ci=((CMOD)i)/(Pi), 为试件荷载-裂缝口张开位移曲线上升段的斜率.
图6为6组试件荷载-裂缝展开位移(P-CMOD)曲线. 根据图6所示的P-CMOD曲线,利用式(2)计算得到含不同橡胶颗粒掺量试件的断裂韧度KIC. 图7是试件断裂韧度随橡胶掺量的变化曲线.
表3为各试件断裂韧度计算参数及断裂韧度值. 从表3和图7可以看出,再生骨料完全取代原生骨料后,RC-R0混凝土断裂韧度得到了大幅提高,断裂韧度较NC-R0混凝土提高了64.62%. 这主要是由于再生骨料与水泥基体拥有更好的黏结性能. 另一方面,橡胶颗粒的掺入也使RSRAC混凝土的断裂韧度得到不同程度的增强. 随着橡胶颗粒掺量的增加,RSRAC混凝土的断裂韧度变化不太明显,但其变化趋势与断裂能是一致的. RC-R4混凝土的断裂韧度比RC-R0增加了13.94%. 在橡胶颗粒取代率为8%时,RC-R8试件的断裂韧度达最大值,且较RC-R0增长了17.34%,此时的RSRAC拥有最大的抵抗裂纹失稳扩展的能力. 较大的橡胶颗粒掺量使RSRAC混凝土的断裂韧度受到削弱,RC-R12和RC-R16混凝土的断裂韧度较RC-R8混凝土分别降低了12.72%和22.34%,如图7. 尽管橡胶的掺入对RSRAC混凝土断裂韧度的改善程度不及其对断裂能作用显著,但总体上说,RSRAC混凝土的断裂韧度均比NC-R0混凝土高,并在橡胶颗粒体积分数为8%时达到最大值.
本研究基于三点弯曲断裂试验,探讨了橡胶掺量对RSRAC断裂性能的影响:
1)与不含橡胶的天然骨料混凝土(NC-R0)相比,经再生骨料完全取代后的RC-R0断裂能下降了46.78%. 这证明不含橡胶的再生骨料混凝土较普通混凝土具有更为显著的脆性.
2)当橡胶颗粒体积分数为4%时, RSRAC的断裂能比RC-R0增加了86.89%,与NC-R0的断裂能相当. 当橡胶颗粒体积分数为8%(RC-R8)时,RSRAC的断裂能达到最大值,分别是RC-R0和NC-R0的2.74倍和1.46倍.
3)当橡胶颗粒体积分数分别增至12%和16%后,RSRAC的断裂能较RC-R8分别降低了43.0%和58.32%,RSRAC混合物的断裂能呈快速下降趋势,但仍比RC-R0的断裂能大.
4)RC-R0试件由于再生骨料较大的吸水性造就了其与水泥砂浆较好的黏结性能,获得了比NC-R0试件高出64.48%的断裂韧度. 随着橡胶颗粒的加入,RSRAC材料的断裂韧度呈现出与其断裂能一致的先增后减的变化趋势.
5)在橡胶颗粒体积分数为8%时,RSRAC拥有最优的断裂韧度,且较RC-R0增加了17.34%. 继续增大橡胶颗粒的掺量,RSRAC材料的断裂韧度反而会受到削弱,当橡胶颗粒体积分数分别增至12%和16%后,RSRAC的断裂韧度较RC-R8试件分别降低了12.88%和22.52%.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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