（材料学专业论文）弹性橡胶混凝土抗裂性及疲劳特性研究.pdf

摘要 中文摘要 水泥混凝十路面存在刚度大，行车舒适性差，早期由于收缩而易开裂，且由于其高弹性 模量及低的粘性阻尼而存在噪声污染等缺点。随着橡胶工业及汽车工业的发展，大量的废旧 轮胎、橡胶制品及其边角废料不断增多，已给环境造成危害。其利用问题已引起人们广泛的 关注。将粉碎后的废橡胶颗粒应用于水泥混凝土中可降低材料脆性，提高其韧性及变形能力， 且有助于消除“黑色污染”。本文主要结合弹性混凝土在路面面层的应用开展研究，研究对 象为基准混凝士、弹性橡胶混凝土及橡胶纤维混凝土，对比研究了三种混凝士的静态力学性 能、约束状态下混凝十板内不同位置的收缩应力、动态弯曲疲劳特性及疲劳损伤性能。 静态力学性能研究得到单轴受压应力一应变全曲线、分段式全曲线方程及抗弯荷载一挠度 曲线。结果表明：橡胶及纤维掺入明显降低了普通水泥混凝士的脆性，提高了混凝土的韧性。 橡胶及橡胶纤维混凝士单轴受压峰值应变分别是基准混凝土的1 7 4 和1 9 2 倍，弯拉荷载作 用r 极限挠度分别达到0 6 6 r a m 和0 8 0 m m ，折压比分别是普通混凝土的1 4 5 和1 6 4 倍。 设计了一种测试混凝土在约束状态下收缩性能的新方法，此方法能够从混凝土浇筑后开 始测试并计算出收缩应力，对收缩性能进行定量研究。室内和室外试验结果均表明：普通混 凝士收缩应力大于橡胶混凝土，弹性橡胶颗粒的掺入，有效地缓解了混凝十收缩受到约束时 产生的应力，抑制了应力的发展。室外试验结果表明，板边缘应力达到1 m p a ，中心应力仅 为0 1 - 0 2 m p a ，板纵向应力大于横向应力，板内最大拉应力产生在板的纵向边缘位置。温度 和湿度的显著变化引起混凝土内部应力的起伏。 动态弯曲疲劳特性研究采用等幅应力控制加载方式，对比不同应力比条件下三种混凝土 的疲劳性能，并对实测疲劳寿命结果进行了概率统计分析。通过双对数及单对数应力比( s ) - 疲劳寿命( n ) 关系建立弹性混凝十弯曲疲劳方程。结果表明：橡胶粉和纤维在混凝土中共 同作用，改善了应力集中现象，有效地降低了疲劳裂纹扩展速率，延长了混凝土的疲劳寿命。 各应力水平下三种混凝土的疲劳寿命均服从两参数威布尔分布。 采用声发射技术对混凝土的疲劳过程进行了实时监测，利用参数分析法对混凝十进行了 疲劳损伤研究。结果表明：疲劳循环加载过程中的声发射信号实时强度及活度，基准混凝土 最大，橡胶混凝土次之，橡胶纤维混凝士最小。应力水平分别为0 6 、0 7 、0 8 时，基准混 凝土声发射信号撞击总数分别是橡胶混凝土的4 、5 和2 3 倍。不同应力水平条件下，基准混 凝土撞击总数随时间变化均呈现线性增长趋势或接近线性增长，幅度随时间变化分布紧密， 声发射信号连续发生，损伤程度持续增加，而橡胶及橡胶纤维混凝土撞击总数随时间变化发 展平缓，曲线中间有一平台，幅度随时间变化分布松散，曲线明显分为裂纹引发、稳定扩展、 失稳扩展三个阶段。对橡胶混凝土来说，n n 在o - 4 ) 2 5 时为裂纹引发阶段，n n 在约0 2 5 - 4 ) 8 7 时为裂纹稳定扩展阶段，n n 在0 8 7 l 时为裂缝失稳扩展阶段。 关键词：橡胶混凝土；应力应变全曲线；荷载挠度曲线；全曲线方程；约束；收缩应力； 疲劳方程；威布尔分布；声发射技术；疲劳损伤 a b s t r a c t n 嵋o r d i n a r yc o n c r e t ep a v e m e n tp r e s e n t sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，w h i c hi n c l u d eb i ga n g u l a r r i g i d i t y , d r i v i n gu n c o m f o r m e s s ，s h r i n k a g ec r a c k i n g ，a n dn o i s ep o l l u t i o nd u et oi t sh i g he l a s t i c m o d u l u sa n dl o wv i s c o u sd a m p i n g e ta 1 w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h er u b b e ra n da u t o m o b i l e i n d u s t r i e s ，t h eg r o w i n ga m o a n to f w a s t er u b b e r 、r u b b e rp r o d u c t sa n da n g l es c r a pp r o d u c e df r o m s c r a pt i r e sh a sr e s u l t e di ni n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h eu t i l i z a t i o no fs c r a p p e dr u b b e r t y r ei nc o n c r e t eh a sa t t r a c t e da t t e n t i o nw i t hb o t he n e r g yc r i s i sa n dt h er i s eo fe l l v i r o n m e n t a l c o n s c i o u s n e s s t h ei n c l u s i o no fr u b b e rp a r t i c l ei n t oc o n c r e t ec a nd e c r e a s eb r i t t l e n e s so fm a t e r i a l ， i m p r o v et o u g h n e s sa n dd e f o r m a b i l i t y , a n da l s oh e l pt oe l i m i n a t e “b l a c kp o l l u l i o n ”i nt h i st h e s i s ， t h es t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、s h r i n k a g es t r e s si nd i f f e r e n tp l a c eo fs l a bu n d e rr e s t r a i n t c o n d i t i o n s 、f l e x u r a lf a t i g u ep r o p e r t i e sa n df a t i g u ed a m a g ea r es t u d i e d t h es t r e s s s t r a i nc u r v e su n d e rt m i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt h el o a d - d e f l e c t i o nc u r v eu n d e r f o u r - p o i mf l e x u r a ll o a da r eo b t a i n e d ：t h ec o m p l e t es t r s s s t r n i ne q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 山em i xo f r u b b e ra n df i b e rh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h et o u g h n e s sa n d d e f o r m a b i l i t yo ft h eo r d i n a r yc o n c r e t e t h es t r a i nc o r r e s p o n d i n gt op e a ks t r e s su n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i o no fr u b b e rc o n c r e t ea n dr u b b e rf i b e rc o n c r e t ei s1 7 4a n d1 ，9 2t i m e so ft h ec o n t r o l c o n c r e t e ，r e s p e c t i v e l y t h eu l t i m a t ed e f l e c t i o no fr u b b e rc o n c r e t ea n dr u b b e rf i b e rc o n c r e t ei s 0 6 6 m ma n d0 8 0 m m ，r e s p e c t i v e l y t h er a t i oo ff l e x u r a ls t r e n g t ht oc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f r u b b e rc o n c r e t ea n dr u b b e rf i b e rc o n c r e t ei s1 4 5a n d1 6 4t i m e so ft h ec o n t r o lc o n c r e t e r e s p e c t i v e l y an e wm e t h o df o rt e s t i n gt h es h r i n k a g es t r e s so fc o n c r e t eu n d e rr e s t r a i n e dc o n d i t i o ni s d e s i g n e d ，b yw h i c ht h es h r i n k a g es t r e s sd e v e l o p e di n s i d e c o n c r e t ef r o mi t s c a s t i n gc a l lb e m o n i t o r e da n dc a l c u l a t e d n l ee x p e r i m e n ti no u t d o o ra n di n d o o re n v i r o n m e n ts h o v c st h a t c o m p a r e dt oc o n t r o lc o h e r e t e ，t h es t r e s so fe l a s t i cr u b b e r i z e dc o n c r e t ei sl o w e r w i t ht h ea d d i t i o n o fr u b b e r , t h es h r i n k a g eo fc o n c r e t er e d u c e s ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nr e l i e v e se f f i c i e n t l ya n dt h e s t r e s sd e c r e a s e s t h ee x p e r i m e n ti no u t d o o re n v i r o n m e n ts h o wt h a tt h es t r e s sr e a c h e sl m p ai nt h e e d g eo fs l a b w h i l eo n l y0 1 0 2 m p ai nt h ec e n t e r ，a n dt h el o n g i t u d i n a ls t r e s si sh i g h e rt h a nt h e l a t e r a ls t r e s s t h em a x i m u mt e n s i l es t r e s sa p p e a r si nt h ei o n g i t a d i n a ld i r e c t i o no fs l a be d 空e b e s i d e s ，t h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t es h r i n k a g es t r e s si ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h eo b v i o u s c h a n g eo f t h et e m p e r a t u r ea n dt e l a t i v eh u m i d i t yo f o u t d o o re n v i r o n m e n t f a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h r e et y p e so fc o n c r e t eu n d e rc o n s t a n ta m p l i t u d ef l e x u r a lc y c l i c l c a d i n gi ss t u d i e d 1 1 1 ef a t i g u e1 i f ei sa l s oa n a l v z e du s i n gs t a t i s t i c st h e o r y t h ef a t i g u ee q u a t i o n si n b o t l lt h es i n g l el o g a r i t h ma n dd o u b l e 1 0 9 a r i t h mf o r m sa r ee s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f a t i g u el i f ep r o l o n g sw i mi n c l u s i o no fr u b b e ra n df i b e r , t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sr e l i e v e d t h e f a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ed e c r e a s e se f n c i e n t l y i ti sf o u n dt h a tt h ef a t i g u e1 i r eo ft h r e et y p e so f c o n e r e t ei ss u i t e dt ot h ew e i b u l ld i s l r i b u t i o nw i t ht w op a r a m e t e r s t h ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s so fc o n c r c t ei sr e a l t h n em o n i t o r e db yu s i n ga c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n i q u e ( a e ) t h ef a t i g u ed a m a g eo ft h r e et y p e so fc o n c r e t ei si n v e s t i g a t e db ya n a l y t i c a l m e t h o do f a ep a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a l t i m ea es i g n a l si n t e n s i t ya n da c t i v i t vo f c o n t r o lc o n c r e t ei sm a x i m a l ，t h er u b b e rc o n c r e t et a k e ss e c o n dp l a c e , a n dt h er u b b e rf i b e rc o n c r e t e i sm i n i m a l t h et o t a lh i 衄n u m b e ro f c o n t r o lc o h e r e t ei s4 、5 、2 3t i m e so f r u b b e rc o n c r e t eu n d e r 山e s t r e s sl e v e lo f 0 6 、0 7 、0 8 r e s p e c t i v e l v 皿et o t a lh i t sn u m b e rr i s ea l m o s t1 i n e a r l yw i t ht h et i m e c h a n g i n g ，t h ea m p l i t u d ea n da es i g n a l sa r ec o n t i n u o u s ，w h i c hi l l u m i n a t et h a tt h ed e g r e eo f d a m a g ei n c r e a s e sg r a d u a l l y w 1 l i l et l l eh i t sn u m b e ro fr u b b e rc o n c r e t ea n dr u b b e rf i b e rc o n c r e t e d e v e l o ps t a b l ya n ds l o w l y , a ea m p l i t u d e sa r en o tc o n t i n u o u s b u tv e r yl o o s e t h ea e r e s u l t ss h o w t h a tt h r e ed a m a g es t a g e s ，i n i t i a t i o n ，s t a b l ep r o p a g a t i o na n du n s t a b l ep r o p a g a r t i o no fc r a c k s ，a l e o b v i o u s l yd i s t i n g u i s h e di nr u b b e ra n dr u b b e rf i b e l c o n c r e t e f o rr u b b e rc o n e r e t e ，n nn u m e r i c a l i n t e r v a l sa r eo o 2 5 0 2 5 o 8 7 。0 8 7 - 1 ，c o r r e s p o n d e dt ot h es t a g eo f i n i t i a t i o n ，s t a b l ep r o p a g a t i o n a n du n s t a b l ep r o p a g a r t i o no f c r a c k s ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：r u b b e ri n c l u d e dc o n c r e t e ；s t r e s s - s t r a i nc u r v e , l o a d - d e f l e c t i o n ；c o m p l e t es t r e s s - s t r a i n e q u a t i o n ；r e s t r a i n t ；s h r i n k a g es t r e s s ；f a t i g u ee q u a t i o n ；w e i b u l ld i s t r i b u t i o n ；a c u s t i ce m i s s i o n ； f a t i g u ed a m a g e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至盔二 日期：塑墨：兰：型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 公路概况 改革开放以来，我国道路事业得到了空前的发展。近年来在高速度、大流量、重荷载交 通的要求r ，我国开始大力建设高等级公路。我国2 0 0 5 年公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里， 到2 0 1 0 年扩大至2 7 4 万公里，高速公路4 1 万公里，到2 0 1 0 年扩大至6 5 万公里。美国公 路总里程达到6 3 9 8 万公里，居世界第一位，高速公路里程达到9 4 万公里，也居世界第一 位。法国的公路网在欧盟国家中是最密集和最长的，总长度为9 5 2 3 2 1 公里，其中高速公路 9 8 2 1 公里，国家级公路2 7 5 0 0 公里i i j 。 1 1 2 水泥混凝土路面 路面是公路造价和公路使用质量的决定性因素之一，由于沥青材料的数量、质量及价格 等不能满足高等级公路建设之需，而我国水泥资源丰富，遍布全国，因此，发展水泥混凝土 路面成为当前我国高等级公路建设的重要方向。水泥混凝土路面刚度大，扩散荷载能力强， 稳定性好，耐疲劳，抗冲击，抗滑，环境适应性好而且具有使用时间长，养护费用低，材料 质量和来源易保证，能量总消耗小等优点，自2 0 0 3 年交通部颁发公路水泥混凝十路面施 工技术规范以来，我国公路水泥混凝土路面从2 0 0 2 年的1 6 7 万公里猛增到2 0 0 5 年底的 3 6 7 万公里【2 】。 由于水泥混凝土的脆性性质和体积敏感性，因而这种路面需设置各种接缝，其行车舒适 性不及沥青路面，普通水泥混凝土面层由纵向和横向接缝分为矩形板块，纵缝的位置通常按 路面宽度设定，其间距变动在3 0 4 5 m 范围内；横缝间距一般采用4 6 m ；板的长宽比不宜 超过1 2 5 ；板块的平面尺寸通常不宜超过2 5m 2 。横缝内设置传力杆以传递荷载；纵缝内设 置拉杆以约束板的横向1 1 ) = 移【j j 。 1 1 1 3 橡胶 废旧橡胶是同体工业废弃物的一种，见图1 1 a 。随着橡胶工业及汽车工业的发展，大量 的废旧轮胎、橡胶制品及其边角废料不断增多，已给环境造成危害。主要是橡胶材料不能用 热塑性加工方法回收，也不能在自然界中自行降解。废轮胎等橡胶具有很强的抗热、抗机械 和抗降解性，数十年都不会自然消除，占用大量土地，而且容易滋生蚊虫，传染疾病，还容 易引起火灾，见图1 1 b 。 2 0 0 5 年我国产生废轮胎大约为1 2 5 亿条，约合3 5 0 万吨。2 0 0 6 年中国轮胎产量较2 0 0 5 年增长1 5 ，至4 3 3 1 9 亿条。1 2 月轮胎产量较上年同期增长3 ，至3 ，8 1 5 万条。预计到 2 0 1 0 年，我国废轮胎的生产量将达到2 亿多条。2 0 0 6 年我国轮胎翻新量达到9 5 0 万9 6 0 万条年，但轮胎翻新总量只占新轮胎总产营的4 以下，新胎与翻新胎的比例仅2 9 ：1 ，远 远低下1 0 ：1 的世界平均水平。2 0 0 5 年我国再生胶和胶粉总产量为1 6 7 万吨，其中再生胶1 4 5 万吨，胶粉2 2 万吨。2 0 0 6 年我国再生胶产量已经突破1 6 0 万吨。全国废橡胶资源利用率在 6 5 左右，与美、日等发达国家达到8 0 相比还有一定差距。这些轮胎不仅对环境造成了巨 大的威胁，而且是一种严重的资源浪费，因此废旧轮胎的处理已经成为严重的社会问题1 4 】p j 。 目前世界上将废旧轮胎作为资源回收再利用的主要途径有：原形改制、热能利用、热分 解、轮胎翻新、生产再生胶和用于上木工程建设等。我国对废旧轮胎的主要处理方式包括轮 胎翻新、生产再生胶、生产胶粉三种。此外，热裂解作为从最终途径上完成轮胎资源的循环 利用方式，已经在我国局部地区开始应用。 胶粉按生产方法可分为常温粉碎法、低温粉碎法和溶液粉碎法【6 】。若按加t 时胶粉状态 分，可分为干法和湿法；按粉碎设备则可分为棍扎法、磨盘法、螺杆挤出法、锤击法、切削 法和打磨法等。在胶粉上业化生产中，常温粉碎法占主导地位。 东南大学硕士学位论文 图1 1 ( a ) 废弃轮胎( b ) 废弃轮胎引起的火灾 常温粉碎法是指在常温下对废旧橡胶用辊筒或其他设备的剪切作用进行粉碎的一种方 法。常温粉碎法的生产工序主要为粗碎与细碎。一般分三个阶段：首先将大块废旧橡胶破碎 成5 0 m m 大小的胶块；第二步是在粗碎机将上述胶块再粉碎成2 0 m m 的胶粒，然后将粗胶 粒送入金属分离机中分离出金属杂质，再送入风选机中除去废纤维；第三步是用细碎机将上 述胶粒进一步磨碎后，经筛选分级最后得到粒径4 0 2 0 0 i m l 的胶粉。 低温粉碎法是废橡胶在经低温作用脆化后而采用机械进行粉碎的一种方法。该方法可比 常温粉碎法制得粒径更小的胶粉。低温粉碎的基本原理就是利用冷冻使得橡胶分子链段不能 运动而脆化，而易于粉碎。如轮胎在8 0 时像土豆片一样脆，在锤磨机中，轮胎的各部分 很容易分离低温粉碎法主要分为两种工艺，一种是低温粉碎工艺，另一种是低温和常温并用 的粉碎工艺。 溶液粉碎法生产胶粉最具代表性的是英国橡胶与塑料研究协会( r a p r a ) 开发的称之 为r a p r a 法的生产胶粉新工艺。该法分三步进行，第一步是废橡胶粗碎，第二步是使用 化学药品或水对粗胶粉进行前预处理，第三步将预处理后的胶粉投入圆盘胶体磨粉碎成超细 胶粉。 除上述三种主要方法外，近年来还出现了一些特殊的粉碎方法。如俄罗斯罗伊工艺实验 室开发的利用臭氧处理回收废旧轮胎。此外，还有高压爆破法和定向爆破法【7 j 。 1 2 弹性橡胶混凝土的发展与研究现状概述 1 2 1 弹性橡胶混凝土发展概况 弹性橡胶混凝土是一种把橡胶颗粒作为水泥混凝土的组成材料配制而成的新型混凝土。 研究始于2 0 世纪8 0 年代末期。随着高强、超高强混凝+ 的实践和应用，人们发现混凝十在 满足强度要求的情况下，仍然发生混凝土结构破坏，而且属于低应力的脆断m j 。因此，混凝 土的脆性越来越受重视。实际上，混凝土本质上是属脆性材料，只是随着混凝十强度的不断 提高，其固有的脆性问题才愈显突出。混凝土的高强化与高脆性化的矛盾限制了混凝十的发 展与应用。为了解决上述问题，人们直努力探索通过混凝土材料改性来降低混凝土的脆性、 提高延性p 1 “。 研究发现，在混凝土中掺加橡胶粉可以解决上述问题，弹性橡胶混凝土的工程性能介于 普通水泥混凝土( 刚性) 和沥青混凝土( 柔性) 之间，它集合了橡胶和水泥混凝土的特点。 比起普通水泥混凝土，弹性混凝十抗裂性能好、能量吸收多、韧性高，其变形能力大大高于 普通水泥混凝土；弹性模量低，是普通水泥混凝土的几分之一甚至几十分之一；其他特点包 括质轻、干收缩小、热膨胀系数低和良好的隔热、隔音、减震性能i l “。 弹性混凝土可以厂泛应用于道路和桥梁路面、楼板和墙板、飞机跑道、地下壳体、房项、 水坝、运动场、网球场、畜牧场等等“。 目前国内外研究将橡胶粉应用于沥青混凝土的研究是非常成功的，橡胶沥青混凝土有较 好的抗滑性能，减少了道路的疲劳开裂。延长了使用寿命l l o ”14 j 。 2 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 国内对橡胶混凝十研究起步较晚，对橡胶混凝土基本的力学性能研究较多，这里不逐一 介绍，而关于应用方面研究较少。 陈振富“”等( 2 0 0 4 ) 、许静”等( 2 0 0 5 ) 研究了橡胶混凝土阻尼比，实验结果均为橡胶 粉掺入使阻尼比提高，减震性好。 张亚梅【i ”等( 2 0 0 5 ) 研究了橡胶混凝土在浸烘循环作用下其相对动弹性模量、抗压强 度、抗弯强度的变化以及混凝十中的氯离子浓度分布，分析了橡胶水泥混凝土性能劣化的机 理。结果表明在浸烘循环条件下其性能随循环次数增加而逐渐劣化。 欧兴进，朱涵i l 副( 2 0 0 6 ) 进行了橡胶混凝土的氯离子渗透实验，结果表明其有很低的 渗透系数。 亢景付”州等( 2 0 0 6 ) 进行了抗裂性能和弯曲变形性能研究，研究表明水泥净浆中掺入 橡胶颗粒可以显著延缓试件的开裂时间，提高抗裂性，试件为延性破坏，且砂浆试件和混凝 土试件破坏时的极限变形值均有大幅度提高。 朱涵削等( 2 0 0 7 ) 针对橡胶集料混凝十的抗压及抗弯性能，在5 1 5 橡胶集料体积掺 量下进行立方体抗压强度以及单轴受压应力一应变全曲线试验。试验结果表明，橡胶集料混 凝土的弹性模量较基准混凝土有大幅度的降低，掺入橡胶集料可有效地提高混凝土的韧性和 变形性能。 刘爱军，朱涵1 等( 2 0 0 7 ) 针对橡胶集料混凝土的可泵性进行了试验研究，试验结果 表明在本试验条件下，橡胶微粒掺量小于1 0 0k g m - 3 适宜泵送。同时还可改善混凝士的压 力泌水性能。 目前国内外主要研究的是将胶粉加入沥青中生产改性沥青，改善沥青的延性和耐久性， 减少疲劳开裂，延长使用寿命，同时降低成本。 1 2 3 国外研究现状 ( 1 ) 新拌混凝土 r a g h v a n i 2 l 等( 1 9 9 8 ) 等报道，掺有橡胶碎片的浆体或混凝十比没有加入橡胶碎片的工 作性有所提高，而且塑性收缩减少，裂缝长度、宽度及开裂时间取决于橡胶掺量，橡胶碎片 起到桥连作用，且抑制了裂缝扩展。 k h a f i b 和b a y o m y ”1 ( 1 9 9 9 ) 研究了橡胶混凝土的工作性，橡胶颗粒作为骨料的总量加 入混凝土，坍落度随着橡胶颗粒的增加而降低。他们注意到。当橡胶含量为4 0 时，坍落 度儿乎为零，掘凝土没有上作性。他们还发现用磨细的胶粉比粗颗粒具有更好的工作性。 f e d m 一1 4 等( 1 9 9 6 ) 报道了橡胶混凝土比普通的混凝土有更高的空气含量。k h a t i b 和 b a y o m y f ”1 ( 1 9 9 9 ) 也得到了相似的结果。这可能是因为橡胶可以没有极性它们趋向于在粗 糙的表面吸附空气造成的。当橡胶被加入混凝士中，在表面吸附空气的同时也排斥水。因此。 增加橡胶含量会有更高的含气量，减少了拌和物的单位重量。 ( 2 ) 硬化混凝土 e l d i n 和s e n o u c i 田1 ( 1 9 9 3 ) 报道了混凝土混合物掺和轮胎碎片和磨碎橡胶骨料和普通混 凝土相比有低的抗压强度和劈拉强度。当粗骨料全部被粗的橡胶碎片代替，抗压强度有将近 8 5 的降低，劈拉强度有5 0 的降低。当细骨料全部被代替的时候，抗压强度有将近6 5 的降低，抗拉强度降低5 0 以上。粗骨料比细骨料对强度的降低更大。这些试件证实了延 展性不好，但是能在受压和受拉的情况下吸收大最的能量。 f h c r n a n d e z - o f i v a r e s 口“等( 2 0 0 2 ) 做了小体积掺量( 3 5 ，5 ) 的橡胶混凝十的抗压， 间接张力，静态弯曲及动态抗压实验，动态实验结果用于计算复合体模量和这种材料在低频 动态行为下的弹性能释放。实验采用橡胶纤维，平均长度为1 2 5 c m ，表面粗糙。实验证明 小体积分数的短橡胶纤维的掺入对于动态抗压结果并没有很大的影响。动态压力荷载卜+ ，掺 量为5 比3 5 的释放能量更多，在所有的实验中，高的比释放能量使其成为在动态行为下 吸收一释放能量而不会发生破坏的最佳材料。由于材料的高硬度，缩小了在加载的瞬间，试 件做出应变反应的延迟，即材料的复合抗压模量与动态抗压模量相近。 ( 3 ) 橡胶的预处理 研究显示，如果橡胶颗粒有粗糙的表面或经过预处理，那么其和基材的粘接会增强，进 3 东南大学硕士学位论文 而提高抗压强度。预处理的方式很多，有水洗、等离子处理及使用偶联剂( n a i k 和s i n 窖l l ， 1 9 9 1 ) 。在酸性预处理中，用n a o h 泡5 分钟，再用清水清洗。这种处理方法通过很小程度的 增加了橡胶颗粒的表面纹理而提高了混凝十的强度。e l d i n 和s e n o u c i 口列( 1 9 9 3 ) 用水浸湿清 洗橡胶骨料，除去污物。r o s t a m i 等( 1 9 9 3 ) 用水，水和四氯化碳溶剂，水和乳胶的清洁剂。 结果显示包含用水清洗过的胶粉的混凝土强度比包含没有处理过的胶粉的混凝土强度提高 1 6 。而用四氯化碳处理过的橡胶混凝土强度提高了5 7 。n a d i as e g r e l 2 4 1 等( 2 0 0 2 ) 对用n a o h 处理过的橡胶粉进行了红外光谱分析、电位滴定及接触角的实验，实验表明橡胶粉f 至n a o h 处理后，改变了其表面化学，去除了表面的硬脂酸锌，使得橡胶粉与水泥浆之间有较好的粘 结。x c o l o m 2 5 1 等( 2 0 0 7 ) 用h 2 s 0 4 ，h n 0 3 和h c l o d 橡胶进行预处理，实验证明酸性处理 后橡胶表面孔隙率增大且更粗糙，其中h 2 s 0 4 效果最好。 ( 4 ) 理论模型 k h a f i b 和b a y o m y i ”1 ( 1 9 9 9 ) 提出橡胶波特兰水泥混凝土( r p c c ) 强度降低百分率与橡胶 掺量的关系，s r f = a + b ( 1 r ) “a + b = l ，s r f 为强度降低因数，定义为橡胶掺量为r 的波特 兰水泥混凝土强度与基准混凝- l ( r = 0 ) 强度的比值，r 为橡胶掺晕( 占骨料总体积的百分数) 8 ， b ，m 为参数。此公式对于7 d ，2 8 d 抗压强度，劈裂抗拉强度比较准确，但对，丁橡胶掺量较 小时的抗弯强度准确性较差。 b a o s h a nh u a n g ，g u o q i a n gl i 口”等( 2 0 0 4 ) 将橡胶混凝土看作是一种多相颗粒填充复合材 料，并基于过去普通混凝土的研究，提出一种修正的三层嵌入( 内置) 式复合模型。包括 两个基本结构，一是三层结构，指界面过渡区覆盖粗骨料分散在水泥浆基体中，二是两层结 构，指水泥浆基体覆盖橡胶颗粒。 a s h r a f m “等( 2 0 0 5 ) 对体积分数分别为5 ，1 0 ，1 5 的橡胶混凝土进行了抗压强度 实验，共做了1 8 0 个立方体试件，探讨了橡胶掺量及水灰比对抗压强度的影响，并得出了他 们2 间的关系，r c = o 0 1 2 5 ( r ) o ”，如果已知不掺橡胶的混凝士在相同水灰比、相同龄期时的 抗压应力，此公式可预测相同条件下的橡胶混凝土抗压应力。凡= o 0 1 3 6 ( r ) “”，如果已知不 掺橡胶的混凝士在相同水灰比、相同龄期时的抗压应强度，此公式可预测相同条件下的橡胶 混凝土抗压强度。 ( 5 ) 橡胶混凝土的应用 近几年，弹性橡胶混凝土应用于路面引起了越来越多研究者的兴趣， f h e m a n d e z - o l i v a r e s 等( 2 0 0 0 ) 报道在西班牙s a l a m a n c a 附近g u d i n o 的居民区，已经建成 小掺量的橡胶粉混凝土路面，在3 年的重载交通条件下，路面仍保持良好的性能。 fh e m a n d e z - o l i v a r e s 口”等( 2 0 0 6 ) 研究了小体积掺量( 0 ，3 5 ，5 ) 的橡胶混凝土 在妖时间( 1 年) 暴晒于自然天气后的棱柱体试件弯曲疲劳实验，分析这些实验数据，他们 提出了一个解析模型，这个模型基于经典w e s t e r g a a r d 方程，通过这个模型计算出了在重交通 荷载条件下再生橡胶混凝土刚性路面板的最小厚度。疲劳荷载条件下的实验结果及分析也表 明了这种水泥基复合材料做刚性路面( 弹性路基) 的可行性。 1 3 课题意义及研究内容 当今发展水泥混凝土路面成为我国高等级公路建设的重要方向，当务之急是解决水泥混 凝十路面上述不足以及改进和增强其性能。建设节约型社会，实现可持续发展是我国近年来 提出的一项重大基本国策。而废弃物的资源化是我国发展循环经济，走可持续发展道路的重 要举措。开发废旧橡胶在水泥混凝土材料中的应用具有重人的资源循环利用和环保意义。在 我国，弹性橡胶混凝土路面的研究及应用更有积极意义。 首先，对改善水泥混凝土材料的脆性、密度、吸声隔热性能、抗冲击性能和抗裂性能都 具有积极意义。水泥混凝土路面刚度大，行车舒适性差，早期由于收缩而易开裂，且由于其 高弹性模量及低的粘性阻尼而存在噪声污染等缺点，混凝土中掺入橡胶粉可降低材料脆性， 提高其韧性及变形能力，进而提高水泥混凝十路面的行车舒适性，降低噪音。 第二，有助于消除黑色污染。废轮胎属于生物不能降解的物资，即使深埋地下数百年也 仍然保持原样。胶粉掺入混凝土可促进废旧轮胎资源的有效利用，遏制废旧轮胎对土地的占 用和环境的污染有重要意义。 本文主要结合弹性混凝土在路面面层的应用，研究了以下内容： 4 第一章绪论 研究了静态条件下弹性橡胶混凝土基本力学性能，变形性能，包括基准混凝土及橡胶混 凝土、橡胶纤维混凝土的抗压、抗折应力应变全曲线。 采用了一种新方法测试了约束条件下混凝十板不同位置的早期收缩应力随龄期的发展 关系。针对弹性橡胶混凝士在路面的应用，设计了长宽比为3 的钢模具对混凝土板进行底部 和周边约束。并进行了室外自然环境f 及室内恒温恒湿环境卜的混凝土收缩性能研究。采用 预埋应变片的方法，利用低弹性模量的橡胶薄片为应力传递介质，计算出了在约束状态下混 凝土内部不同位置的收缩应力，量化了混凝士收缩性能，得到收缩应力随龄期变化关系。 弹性橡胶混凝土的动态弯曲疲劳特性研究，采用等幅应力加载方式，进行了三个应力比 的疲劳试验，建立弹性橡胶混凝土单对数及双对数疲劳方程。另外，由于混凝十材料的不均 质性及试验状况和弯拉强度值变异的影响，疲劳寿命测定结果的离散性很大，考虑这种离散 性对混凝十路面设计可靠度的影响，对基准混凝士、弹性橡胶混凝土及橡胶纤维混凝土疲劳 寿命进行概率分析，检验寿命是否符合双参数威布尔分布。 声发射技术应用于混凝土方面在国内外已有许多成功的研究和报告，但大多数局限于静 力荷载及工程结构健康监测等研究，应用于混凝土动态性能方面研究较少。本文对弹性混凝 土弯曲疲劳过程采用了声发射技术进行了实时监测，利用卢发射信号参数分析方法，对混凝 土疲劳损伤过程进行了分析。 5 第二章原材料及配合比 2 1 原材料 2 1 1水泥 本文采用南京 能见表2 1 2 3 。 第二章原材料及配合比 江南水泥厂生产的“金宁羊”牌p 1 1 4 2 5 r 硅酸盐水泥，其组成及物理性 表2 1 金宁羊p i i4 2 5 r 水泥熟料的矿物组成 2 1 2集料 砂：普通黄砂，中砂，最大粒径5 m m ，连续级配，细度模数2 6 。 石子：粒径为5 - 2 0 m m 连续级配的玄武岩。砂和石子主要性能指标如表2 4 所示。 表2 4 砂和石子的性能 名称 性能表观密度 ( 2 c m 3 ) 堆积密度 ( k m 3 ) 空隙率 ( ) 细度模数 乓襞尹 砂子 石子 2 6 1 2 8 4 1 4 5 0 1 5 6 0 4 426一 4 5 8 3 2 1 3橡胶颗粒 本试验采用南通某公司生产的1 2 1 5 目橡胶颗粒，生产方法为常温粉碎法，其密度为 1 _ 1 9 c m 3 ，平均粒径1 1 5 m m 。橡胶形态见图2 1 、2 2 。 6 东南大学硕士学位论文 图2 1 橡胶颗粒粒径示意图 图2 2 橡胶颗粒表面形貌 2 1 4纤维 本试验采用进口p v a 纤维。纤维性能见表2 5 。 表2 5p v a 纤维性能 2 1 5 外加剂 江苏省建科院生产的j m p c a 高效减水剂，系以羧酸类接枝聚合物为主体的复合添加 剂，具有大减水、高保坍、高增强等功能，特别适用于配制高耐久、高流态、高保坍、高强 以及对外观质量要求高的泄凝土工程。 2 1 6 水 普通自来水。 2 2 配合比 试验使用配合比见表2 6 ，其中基准配合比为c ：s ：g ：w = 1 ：1 2 8 ：2 7 3 ：0 3 6 ，基准混凝土 w c = 0 3 6 ，s p = 3 1 5 ，橡胶混凝土的橡胶颗粒取代砂的体积百分率为2 5 ，橡胶纤维混凝 7 第二章原材料及配合比 土在橡胶混凝十基础上掺入1k g m 3 的p v a 纤维，不论是基准混凝土或是橡胶及橡胶纤维混 凝土，p c a 掺量均为水泥质量的1 。 表2 6 混凝土配合比 其中，k b 表示基准混凝土，r c 表示橡胶颗粒以2 5 掺量等体积取代砂，r f c 表示在 橡胶混凝土基础上掺入p v a 纤维。本文均用此代号代表三种混凝土。 8 第三章弹性橡胶混凝土静态力学性能 3 1 引言 第三章弹性橡胶混凝土静态力学性能 混凝土单轴受压是混凝七材料晟基本的物理力学性能，是研究混凝士结构承载力和变形 的主要依据，是分析构什极限承载力和进行非线性全过程分析时必不可少的材料本构模型的 基础。水泥混凝士刚度大，属脆性材料，在压力、弯拉、