（材料学专业论文）弹性橡胶混凝土的疲劳损伤特性研究.pdf

摘要 摘要 本文结合橡胶水泥混凝土的路用性能，对橡胶混凝土静态力学性能和机械荷载作用下的 疲劳特性、损伤规律进行研究，并与素混凝土和掺入聚丙烯纤维的橡胶纤维混凝土进行对比 分析，为橡胶混凝土路面设计提供依据。 橡胶混凝土静态力学性能主要研究了立方体抗压强度和轴向拉伸性能，实验结果表明： 相比素混凝土，橡胶混凝土和纤维橡胶混凝土的抗压强度降低，抗拉强度和弹性模量降低， 峰值荷载时拉伸应变提高。说明橡胶和纤维的掺入有效降低了普通水泥混凝土的脆性，提高 了混凝士的韧性。 采用等幅应力控制加载方式进行弯曲疲劳实验，对比研究不同应力水平条件下素混凝 土、橡胶混凝土和橡胶纤维混凝土的疲劳性能，并对实测疲劳寿命结果进行了概率统计分析。 建立了三种混凝土弯曲疲劳方程。结果表明：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。橡胶粉和聚丙烯纤维在混凝土中共同作用，延长了混凝土的疲劳寿命。 应用动态数字采集系统采集素混凝土、橡胶混凝土以及橡胶纤维混凝土疲劳试验过程中 试件底部受拉区最大、最小拉伸应变，发现最大、最小拉伸应变均呈三个阶段的变化趋势， 应变增长速率先减小后增大。用最小拉伸应变作为残余应变来定义损伤变量，并引入简化疲 劳损伤模型对损伤变量进行同归分析，建立了三种混凝土的弯曲疲劳损伤演化方程。 应用声发射技术实时跟踪监测素混凝土、橡胶混凝土及橡胶纤维混凝土疲劳损伤过程， 通过声发射信号的强度和活度等相关参数分析疲劳损伤过程。结果表明：橡胶混凝土和橡胶 纤维混凝士声发射的活度和强度均小于素混凝士。说明橡胶和聚丙烯纤维降低了混凝土的疲 劳损伤演变速率和损伤程度，改善了混凝土的疲劳性能。 关键词：橡胶混凝土；轴向拉伸；疲劳方程；拉伸应变；损伤演化方程；声发射 东南人学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft h er o a du s e dr u b b e r i z e dc o n c r e t e ，t h es t a t i ca n df a t i g u ep r o p e r t y a n dt h ed a m a g el a wo fr u b b e r i z e dc o n c r e t ea r es t u d i e d i ti sc o m p a r e dw i t ht h ep l a i nc o n c r e t ea n d t h er u b b e r i z e df i b e rc o n c r e t e ，a n dp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ed e s i g no fp a v e m e n tu s i n gr u b b e r i z e d c o n c r e t e t h es t a t i cp e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e db yc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n da x i a lt e n s i o nt e s t t h e r e s e a r c hs h o w st h a t ：c o m p a r e dt ot h ep l a i nc o n c r e t e ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fr u b b e r i z e d c o n c r e t ei sl o w e r t h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fr u b b e r i z e dc o n c r e t em i x e d w i t hp o l y p r o p y l e n ef i b e ri sl i t t l e t h em i x i n go fr u b b e rp o w d e rd e c r e a s e dt e n s i l es t r e n g t ha n d e l a s t i cm o d u l u s ，a n di n c r e a s e dt h et e n s i l es t r a i na tt h ep e a kl o a d i ts u g g e s t st h a tt h eu s eo fr u b b e r a n df i b e rc a nd e c r e a s et h eb r i t t l e n e s s ，a n di m p r o v et h ec o n c r e t et o u g h n e s s t h ef 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 o a d i n gi ss t u d i e d t h ef a t i g u el i f ei sa l s oa n a l y z e du s i n gs t a t i s t i c st h e o r y 1 1 1 ef l e x u r a lf a t i g u e f u n c t i o n sa r ee s t a b l i s h e df o rc o m m o nc e m e n tc o n c r e t e ，r u b b e r i z e dc o n c r e t ea n dr u b b e r i z e df i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef a t i g u el i f eo f t h r e et y p e so f c o n c r e t ei ss u i t e dt ot h e w e i b u l ld i s t 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 el i f ei sp r o l o n g e dd u et ot h ea d d i t i o no f r u b b e ra n df i b e r d y n a m i cd i g i t a lc o l l e c t i o ns y s t e mi su s e dt oc o l l e c tt h em a x i m u ma n dm i n i m u m s t r a i no nt h e b o t t o mo ft h ec o m m o nc e m e n tc o n c r e t e ，r u b b e r i z e dc o n c r e t ea n dr u b b e r i z e df i b e rr e i n f o r e e d c o n c r e t e i ts h o w st h a tt h et r e n do ft h em a x i m u ma n dt h em i n i m u ms t r a i nd i v i d e si n t o3s t a g e s t h er a t eo fs t r a i ng r o w t hd e c r e a s e sf i r s t ，a n dg o e su pt h e n u s i n gt h em i n i m u mt e n s i o ns t r a i na s t h er e s i d u a ls t r a i nt od e f i n et h ed a m a g ep a r a m e t e r ，a n dr e g r e s s i n gt h ed a m a g ep a r a m e t e rw i t ht h e m o d e lo ff a t i g u ed a m a g es i m p l i f i e db yl ih a o ，t h ed a m a g ef u n c t i o n so ft h e3t y p e so fc o n c r e t e a r ep u tf o r w a r d a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) t e c h n i q u ei su s e dt om o n i t o rt h ef a t i g u ep r o c e s so fc o m m o nc e m e n t c o n c r e t e ，r u b b e r i z e dc o n c r e t ea n dr u b b e r i z e df i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e t h ef a t i g u ed a m a g e p r o c e s si sa n a l y z e df r o ma ep a r a m e t e r so fa c t i v i t ya n di n t e n s i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a t ，b o t ht h ea c t i v i t ya n di n t e n s i t yo fa es i g n a l si nr u b b e r i z e dc e m e n tc o n c r e t ea n dr u b b e r i z e d f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r el o w e rt h a ni nc o m m o nc e m e n tc o n c r e t e ，s ol e s sd a m a g ei sd e t e c t e d a n db e t t e rf a t i g u ep e r f o r m a n c ei sa c h i e v e di nr u b b e r i z e dc e m e n tc o n c r e t ea n dr u b b e r i z e df i b e r r e i n f o r e e dc o n c r e t e k e yw o r d s ：r u b b e r i z e dc o n c r e t e ；a x i a lt e n s i o n ；f a t i g u ee q u a t i o n ；t e n s i l es t r a i n ；d a m a g ee v o l u t i o n e q u a t i o n ；a c o u s t i ce m i s s i o n i i 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。 研究生躲王趁塾嗍 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：之丝丝导师 1 ，节 岁矽、 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 我国公路发展概况 从上世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，尤其是1 9 9 8 年中国实施积 极的财政政策以来，中国公路建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。从1 9 9 0 年至u 2 0 0 3 年的1 4 年间，中国公路建设累计投资近2 万亿元，其中仅2 0 0 3 年就达3 7 1 5 亿元，创历史新高。 n 2 0 0 5 底，中国公路通车总里程达1 8 1 万公里，居世界第三位。2 0 0 6 年1 月至9 月，中国公路 建设完成投资比2 0 0 5 年同期又增长了2 6 6 。截至2 0 0 6 年底，全国公路总里程达3 4 5 7 0 万公 里。 1 1 2 水泥混凝土路面的发展 水泥混凝土作为一种筑路材料用于铺筑路面最早是在英国。1 8 2 8 年在伦敦郊外，英国 用水泥混凝土铺筑了道路基层。1 8 5 8 年，法国巴黎，用水泥混凝土铺筑薄层沥青路面的基 层。1 8 8 8 年，美国纽约也用水泥混凝土铺筑基层。直到1 9 1 2 年美国威斯康星州和加利福尼 亚州把水泥混凝土用于铺筑标准的面层。第一次世界大战后( 1 9 1 4 年) ，水泥混凝土路面得 到广泛的应用。2 0 世纪3 0 年4 0 年代，水泥混凝土路面由于它具有高强、耐久、行车性能 好等一系列优点，在欧美各国发展很快。1 9 3 3 年开始德国大规模采用机械化施工，每年投 入使用的水泥混凝土路面超过1 0 0 0 k m 。而战前修建的水泥路面，直到2 0 世纪5 0 年代末期， 除了少数路段，因战乱破坏之外，大部分路面在极少养路费用的情况下，都使用2 0 年以上。 2 0 世纪6 0 年代，美国、欧洲、日本小汽车工业飞速发展，发达国家争相修建高速公路， 水泥混凝土路面有一定的发展，但是沥青路面的发展更快。这主要是因为沥青路面的使用性 能，特别是平整度、抗滑、防噪的性能，远远超过了水泥混凝土路面。因此，各国的高速公 路中，沥青路面占了很高的比例。 我国水泥混凝土路面起步较晚，至1 9 7 0 年，全国公路水泥混凝土路面的里程仅为2 0 0 k m ， 占高级和次高级路面总里程的0 8 7 ；至1 9 8 0 年，混凝土路面的里程为1 6 0 0 k m ，约占高级 和次高级路面里程的1 0 1 。随着高等级公路的发展，水泥混凝土路面也得到了相应的发 展；至1 9 9 0 年，水泥混凝士路面总里程增加到11 7 7 3 k m ，占高级与次高级路面总里程的4 3 7 ；至2 0 0 0 年，水泥混凝土路面总路程达到1 11 5 7 4 k m ，约占高级和次高级路面总里程的6 4 9 。3 0 年来，水泥混凝土路面所占百分比增长了7 4 倍。 近2 0 0 年来，水泥混凝土路面作为一种筑路技术，不断完善、不断改进，为世界各国的 交通运输作出了贡献。它之所以能经久不衰，主要决定于它本身的优势，但是它也存在着一 些并不那么容易克服的问题，有待于道路科技工作者不断地加以改进。 水泥混凝土路面的主要优势有： ( 1 ) 具有较高的抗压强度、抗弯拉强度，以及较强的抗磨耗能力； ( 2 ) 具有良好的稳定性，高温稳定性、低温稳定性和水稳定性均优良； ( 3 ) 具有较好的耐久性，其材料不易老化衰变，正确设计的水泥路面有优良的耐疲劳性 能，因此是长寿命路面的最佳选择； ( 4 ) 承载能力高，适用于重载交通、港口集装箱和大件运输，因此工矿道路、停车场、 机场跑道均优先选用水泥混凝土路面。 东南大学硕士学位论文 水泥混凝土路面主要的不足之处： ( 1 ) 弹性模量大、变形小，混凝土易于开裂，路面需设置收缩缝； ( 2 ) 平整度不如沥青混凝土路面，特别是有接缝路面在高速行驶条件下，舒适感不佳； ( 3 ) 噪声大，轮胎与混凝土路面直接撞击发出的噪声大于沥青路面，特别是重车通行时 更为明显，因此，居民密集区通常不修水泥混凝土路面； ( 4 ) 抗滑性能较难恢复，混凝土材料抗滑性能主要取决于集料与硬化水泥浆表面抗滑能 力，一旦磨光之后，很难直接用薄层水泥浆来恢复。 从资源供给和经济的角度分析，我国修筑水泥混凝土路面具有十分积极的意义。我国 修筑水泥混凝土路面的所有原材料都自给有余，而且，我国还是水泥的生产和出口大国。然 而，我国高等级公路用重交通沥青相当匮乏，从交通部的统计看，我国每年缺口重交通沥青 1 0 0 多万吨，而且进口沥青价格相当昂贵，是水泥价格的7 8 倍。目前我国在高等级公路 上，使用水泥混凝土路面比沥青路面初期建设投资节省1 5 左右。 1 1 3 废旧轮胎橡胶给环境造成的负面影响及资源利用 随着国民经济的持续快速发展，交通运输事业日益发达，各类汽车的数量急剧增加。随 之而来的不仅是汽车尾气污染问题必须致力解决，如何处理每年产生的大量废旧轮胎业已成 为人类面临的又一大问题。大量的废旧轮胎若任意堆放，不仅影响景观，还会因积水而滋生 蚊虫和病菌，从而造成环境的严重污染。此外，大量堆放的旧轮胎，还是发生重大火灾的隐 患。随着清洁生产中对废弃物一放置错误的资源定义的重新认识，废旧橡胶作为可资源化 的高分子材料，其再利片j 愈来愈为各国绿色环保及再生资源化产业所重视。 据统计，美国每年约产生2 5 亿3 o 亿个废旧轮胎，日本每年也达1 亿多个。我国 每年也有50 万吨废旧轮胎亟待处理。2 0 0 4 年，中国轮胎产量达到2 3 9 亿条( 包括摩托车 和人力车胎) ，居世界第二，而当年产生的废旧轮胎已超过1 1 2 亿条，约3 2 0 万吨。据有 关方面测算，预计2 0 1 0 年我国汽车保有量将达到7 0 0 0 万辆，轮胎生产量将达到3 亿多条， 同时废旧轮胎产生量将超过2 亿条，总量将达到5 2 0 万吨。中国将成为轮胎第一生产大国， 废旧轮胎的产生量将位居世界第一 对于废旧轮胎的处理，从世界范围来看，自2 0 世纪9 0 年代初以来，主要是掩埋，堆放 或焚烧。但专家认为，这些方法无助于根治“黑色污染”。因为废旧轮胎即使掩埋1 0 0 年都不 会自然降解，长期露天堆放，不仅占用大量土地，而且极易滋生蚊虫传播疾病，还容易引起 火灾。焚烧会产生碳氢化合物和有毒气体，其火焰很难扑灭。更为严重的问题是废橡胶焚烧 给空气、水、土壤等人类生存环境带来二次污染。目前利用废旧轮胎有翻新利用、切碎做燃 料用于发电、化学裂解回收炭黑和燃料油、制成胶粒和细胶粉等几种途径。国际上越来越趋 向于利用废旧轮胎生产胶粉，因为这只是一个单纯的物理过程，不会造成二次污染。 废旧轮胎生产胶粉的方法心主要有：深冷工艺、准低温工艺、常温工艺、爆破法。 ( 1 ) 深冷工艺 用液氮将切割后的轮胎冷冻，使之成为脆性体，然后经破碎、去杂物工序回收橡胶。该 法的主要缺点是液氮价格昂贵，且液氮汽化后难以回收。然而粉碎橡胶的传统精细粉碎过程 需要的时间较长，在此过程中橡胶因摩擦等因素使其温度升高，由脆性体恢复为弹性体，因 此为得到1 2 0 目以下的细粉，需要使用功率更大的制冷设备。 ( 2 ) 准低温工艺 陈耀池等发明了一种废旧橡胶轮胎准低温粉碎工艺：空气压缩后进入储气罐并经过滤、 干燥、制冷，即得到一5 一3 5 的准低温空气；将8 1 2 目的胎面胶，经准低温空气冷却后， 送到料仓，在料仓内再经准低温空气冷却，经机械粉碎机粉碎即成。但该工艺制取的胶粉 1 0 0 目的仅有1 0 ，多数为8 0 目。 2 第一章绪论 ( 3 ) 常温工艺 在常温下利用机械剪切力对胶片进行切割、挤压，可选带花辊的开炼机、带锯齿状旋刀 的粉碎机进行粉碎。其优点是设备简单、处理量大，但是获得的胶粉粒径较大，团聚严重， 分散困难，应用受到一定限制。 ( 4 ) 爆破法 王耀华等将一个废旧轮胎放置在一密闭的爆炸仓中，然后将炸药设置在轮胎中，对轮胎 进行爆破，爆破后，对轮胎破碎后的物质进行分类回收。该爆炸仓为钢筋混凝土结构，由简 体和项盖构成，顶盖上还有卸荷孔。该技术适合废轮胎的粗碎。 公路建设原材料消耗量巨大，将废旧轮胎处理后得到的废橡胶合理地用于混凝土中，不 仅可以改善水泥混凝土的路用性能，还可以大量的消耗废旧轮胎，减少由于处理不当所产生 的环境压力。 1 2 国内外研究历史及现状 国外关于橡胶混凝土的研究始于2 0 世纪8 0 年代，国内最早是9 0 年代末。目前关于橡 胶混凝土的研究主要集中于强度，耐久性，抗冲击性能，变形性能等 1 2 1 强度 由于橡胶的低弹模特性，随着橡胶粉的加入，混凝土的强度会显著降低，许多学者研究 表明橡胶颗粒的形状，粒径大小，掺量以及对橡胶颗粒的表面进行处理都会影响其强度的变 化。 t o u t a n j iha 采用胶粉部分或全部替代骨料制备混凝土的研究表明3 ，粗骨料( 最大粒 径为1 2 7m i l l ) 全部被粒径相当的胶粉替代的混凝土抗压强度降低7 6 5 ，抗折强度降低 3 6 9 ；采用细胶粉替代骨料的混凝土强度降幅比采用粗胶粉替代骨料的混凝土小。 a 1 ina 等的研究结果1 却是采用细胶粉替代骨料的混凝土强度降幅比采用粗胶粉替代 骨料的混凝土大。 i i k e rb e k i rt o p o e u 研究t 橡胶颗粒粒径和用量对混凝土力学性能的影响渖。混凝土中掺 入细橡胶颗粒圆柱体和立方体试件的抗压强度降低5 0 9 6 ，拉伸强度降低6 4 ，而掺入粗橡胶颗 粒圆柱体抗压强度下降6 0 ，立方体抗压强度下降8 0 ，抗拉强度下降7 4 。说明粗橡胶颗粒 对混凝士强度的影响更大。 同济大学熊杰研究废轮胎橡胶粉碎料作为一种添加成分取代部分粗骨料的混凝土的抗 压强度怕。试件中采用的橡胶分别为橡胶粉和橡胶块，掺量为粗骨料体积的1 5 ，3 0 ，4 5 。 由实验得出的结论是：橡胶混凝土的抗压强度均随橡胶掺量增加而降低，橡胶颗粒种类对橡 胶混凝土抗压强度影响较大，但是结果表明并不是颗粒越大，强度降低越多。 有研究表明，如果橡胶颗粒比较粗糙或进行过预处理，则橡胶和基体之间的界面粘结会 得到增强和改善，进而能够提高混凝土的抗压强度。 在n s e g r e 的研究中，考察了不同试剂处理后的橡胶粉对混凝土性能的影响情况，结 果发现，在所有试剂处理过的橡胶粉中，以n a o h 溶液浸泡2 0 分钟后橡胶颗粒的效果最佳，抗 折强度和断裂能等力学性能都有所提高，但抗压强度还是降低了3 3 。 h r o s t a m i 扭，用水、四氯化碳溶液、乳液等分别处理橡胶颗粒，研究表明，水清洗过的 橡胶混凝土强度比未清洗过的橡胶混凝土强度提高了1 6 ，用四氯化碳清洗橡胶颗粒，强度 可以提高5 7 9 6 。 1 2 2 变形性能 i b t o p c u 采用粒径小于1 咖和粒径为1 4 嗍的胶粉分别替代细骨料和粗骨料制备橡 3 东南大学硕士学位论文 胶混凝土旧，试验结果表明，用胶粉部分替代骨料后，混凝土的弹性降低，塑性增加，这说 明胶粉的加入提高了混凝土的变形能力和断裂能。 刘刚等探讨了高强混凝土的增韧措施h ，试验结果表明，掺入砂体积8 的胶粉( 粒径为 1 - - 2 舢) ，高强混凝士的断裂能提高4 9 1 7 。 a t u r a t s i n z e 用粒径小于4 m 以下的橡胶颗粒等体积取代砂( 取代量为2 0 和3 0 ) ，结 果表明1 混凝土的弹性模量有了明显的下降，通过拉伸实验的荷载一挠度线得出的结论是： 相对于空白混凝土而言，橡胶混凝土峰值荷载所对应的应变值提高了，即在试件出现宏观裂 纹损坏之前橡胶混凝土显示了较大的变形性能。 刘春生研究了橡胶细集料水泥砂浆试件抗折状态下的应变问题引，数据显示极限拉应变 可达( 1 2 0 0 4 6 0 0 ) 1 0 。6 ，是普通水泥砂浆或混凝土的4 1 5 倍。 1 2 3 耐久性 橡胶粉掺量和颗粒尺寸显著影响橡胶混凝土的抗冻性。 p a i n ekh 等对掺用不同粒径胶粉的混凝土抗冻融性能进行了研究”“，试验结果表明， 胶粉能大幅度提高混凝土的抗冻融性能，掺入胶粉的混凝土抗冻融性能与掺入引气剂的混凝 土相当。 李悦比较了普通混凝土和橡胶混凝土的抗冻性| 1 引，结果表明：对于改善混凝土抗冻性的 效果，1 4 0u9 1 橡胶粉好于引气剂，3 4 咖橡胶颗粒与引气剂效果相当。 陈波将水泥重量的1 0 、1 5 、2 0 和3 0 的橡胶颗粒( 2 - - 一6 m ) 掺入混凝土中u5 1 ，结果表 明：掺加1 0 和1 5 的橡胶混凝土的耐久性系数在3 0 0 个冻融循环后比空白混凝土提高了6 0 ， 但当橡胶掺量为2 0 和3 0 时，耐久性不能满足a s t m 标准要求。 b z s a v a s 将粒径为2 6 咖的胶粉掺入混凝土中h ，实验结果表明橡胶混凝土的抗冻性 好于空白混凝土，与掺入引气剂的混凝土相当。所以，橡胶粉可以作为固体引气剂而存在， 且能够保证其在混凝土中分布的稳定性及均匀性，从而提高了混凝土抗冻性。 1 2 4 抗冲击性和阻尼特陛 许多研究都报道了橡胶混凝土的抗冲击性能增加，认为主要原因是材料吸收能量的能力 提高。 d g g o u l i a s 认为随着橡胶掺量的增加，混凝土的阻尼比、动弹模和刚度降低h 。 陈振富的研究却发现引，橡胶粉提高混凝土的阻尼比效果明显，与基准混凝土相比，橡 胶粉重量掺量在0 5 2 5 时，混凝土阻尼系数可提高5 0 - 6 0 ，但是提高幅度随橡胶掺量 变化不大；当橡胶粉掺量超过2 5 后，混凝土阻尼系数随橡胶粉掺量增大而快速增大，提高 了1 3 2 3 倍，适用于振动的环境中。 许静等的研究表明。引，掺入的胶粉( 粒径为l - - 2 m 1 ) 质量为粗骨料质量的1 2 时，橡胶混 凝土构件的阻尼比较普通混凝土明显提高，原因是胶粉的填充行为和弹性行为使混凝土的损 耗模量增大，从而提高混凝土的减震( 降噪) 性能。 赵志远研究表明 如1 ，混凝士中掺入橡胶颗粒可以显著提高混凝土的抗冲击性能，掺2 5 ( 代砂体积率) 橡胶颗粒的混凝土的冲击能为素混凝土的6 2 倍。 1 3 课题研究意义及内容 1 3 1 课题研究意义 橡胶混凝土应用于路面不但使废旧轮胎橡胶得到了合理的利用，减轻了环境压力，节约 了资源，而且改善了了水泥混凝土路面的路用性能。水泥混凝土路面虽然具有较高的抗压、 4 第一章绪论 抗弯拉强度，较强的抗磨耗能力，良好的稳定性，较好的耐久性和承载能力高等优点，但与 沥青路面相比，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，进而提高水泥混凝土路面的行车舒适性，降低噪音。因而，橡胶混 凝土用于路面具有非常广阔的前景。 路面材料在服役过程中主要经受行驶车辆反复循环动荷载及由于季节变化和昼夜更替 引起的温度荷载的联合作用，其破坏过程是一个损伤累积的过程，由于疲劳裂缝的不断发展， 最终导致路面的破坏。因此，橡胶混凝土的疲劳性能成为影响路面服役寿命的关键。目前关 于橡胶混凝土的疲劳性能研究方面的公开报道极少。国内对橡胶混凝土的疲劳性能研究尚未 见公开报道。 本课题将对橡胶混凝土在机械荷载作用下的疲劳特性、损伤规律进行研究，为橡胶混凝 土路面设计提供依据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 机械荷载作用下橡胶混凝士的疲劳性能 路面所承受的机械荷载主要是弯拉疲劳荷载，本文将研究橡胶混凝土在弯曲疲劳荷载下 的动态响应过程。 ( 2 ) 橡胶混凝土疲劳方程的建立 依据不同应力水平下橡胶混凝土的疲劳寿命建立经验的疲劳方程，并对疲劳寿命进行概 率分布统计，建立与失效概率相关的疲劳方程。 ( 3 ) 橡胶混凝士疲劳损伤规律研究 借助动态数字采集系统和声发射仪对橡胶混凝土在疲劳的不同阶段的应变和声发射信 号进行采集，以评估损伤程度和损伤发展速率，研究橡胶混凝土的疲劳损伤演化规律，建立 疲劳损伤演化方程。 东南大学硕士学位论文 2 1 原材料 第二章橡胶混凝土静态力学性能 2 1 1 水泥 本文采用南京江南水泥厂生产的“金宁羊”牌4 2 5 rp i i 硅酸盐水泥，其组成及物理 性能见表2 1 - 2 3 。 表2 1 金宁羊4 2 5 rp i i 水泥熟料的矿物组成 表2 3 金宁羊4 2 5 rp i i 水泥的主要物理力学性能 2 1 2 集料 砂：普通黄砂，细度模数为2 7 ，属于中砂。 石子：粒径为5 , - - 一2 0 m m 连续级配的石灰石碎石，来自南京黄山采石场。砂和石子的主要物理 性能见表2 4 。 表2 4 砂和石子的性能 6 第= 章橡腔混凝土静态力学性能 213 橡胶颗粒 采用南通新升橡胶制品科技有限公司生产的8 1 2 目( 14 0 23 6 圳) 废齐轮胎橡胶颗粒， 橡脞颗粒形貌如图21 。硫化胶的化学物理性能指标见表25 ，本文中使用的橡胶颗粒符台 指标要求。 图2 】橡胶颗粒 表25 硫化橡胶的化学物理性能指标 214 纤维 采江苏省建科院提供的聚内烯纤维( p p f ) ，咀1 0 0 纯罪丙烯为主要原料，加以特殊 的添加剂，在制造过程中，通过特殊的静电及抗紫外线处理，并进行表面处理制成的高强低 弹束状单丝纤维，在混凝土砂浆中不结团且均匀分布，井且有抗紫外线老化的特祉，蚍保证 在混凝十、保温砂浆中能长期发挥功效，且n 有强度高与水泥握裹力强等特点。聚丙烯纤 维化学性质的异常稳定，不吸收其它物质与其发生化学反应，以政变混凝土、砂浆的物理性 质为主，对水泥粗细基料及其它外加剂且有皇好相容性。主要的物理性能见袁2 6 。 表26 聚w 烯纤维的性能 215 外加剂 i = 苏省建科院生产的j m - p c a 高效聚羧酸减水剂。具有太减水、高保坍、岛增强等功能 特别适h jr 配制高耐久、高流志、高保坍、高强以及对外观质量要求高的渑凝土工程。 216 水 普通 】米水。 东南大学硕士学位论文 2 2 配合比 试验以设计强度为c 5 0 的素混凝土配合比作为基准配合比，同时配制了橡胶混凝土和 橡胶纤维混凝土。橡胶混凝土是以素混凝土为基准，用8 1 2 目的橡胶颗粒等体积取代细集 料砂，体积取代量为2 5 。橡胶纤维混凝土是在橡胶混凝土中加入i k g m 3 的聚丙烯纤维配制 而成。混凝土中加入了适量的j m p c a 减水剂改善新拌混凝土流动性，混凝土的坍落度控制 在1 6 0 m m 到2 0 0 r a m 之间。 三种混凝土的配合比如表2 7 所示。其中基准配合比为c ：w ：s ：g = l ：0 3 6 ：1 2 6 ：2 7 3 ，基 准混凝土水灰比为0 3 6 ，砂率为31 5 表2 7 混凝十配合比k g m 3 其中，k b 表示基准混凝土，r c 表示橡胶颗粒以2 5 0 f 参量等体积取代砂，r f 表示在橡胶混凝土基础上掺 入p p f 纤维本文均用此代号代表三种混凝土本文中所有试验均采用该配合比 2 3 橡胶混凝土立方体抗压强度 2 3 1 试验步骤 本试验采用l o o m m l o o m m 1 0 0m m 立方体试件，每组配合比成型三个试件，成型时 采用以插捣为主，震动为辅，避免橡胶颗粒上浮造成分布不均匀( 本文中所有试件均采用此 成型工艺) 。成型2 4 小时后拆模，在标养室( 养护温度2 0 3 ，湿度大于9 0 9 6 ) 中养护2 8 天后测其抗压强度。 抗压强度试验设备为n y l - - 2 0 0 0 d 型压力试验机。测试前将试件表面和上下承压面擦 拭干净，将试件安放在试验机的下压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。试件中心 应与下压板中心对准，开动试验机。试验过程中，连续均匀加载，加载速度为每秒钟0 5 m p a ， 当试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机油门，直至破坏，记录破坏荷载。 2 3 2 试验结果及分析 1 立方体抗压强度计算 混凝土试件立方体抗压强度应按下式计算： 无= 丢川3 l c 一混凝土立方体试件抗压强度( m p a ) ； f 一试件破坏荷载( k n ) ； 彳一试件承压面积( r a m 2 ) 8 第= 橡脞混凝十静态力学性能 取三个试什测值的算术平均值作为该组试件的强度值( 精确至0l l l p a ) ：三个测值中的最 大值或最小值中如有一个与中问值的差值超过中间值的1 5 时，则把最大及晟小值一并舍除， 取中间值作为该组试件的抗压强度值；如簸大值和最小值与中间值的差值均超过中问值的 1 5 ，则该组试件的试验结果无效。对于本试验j j 到的l o o mxl o o u x l o o m t 标准试件测 得的强度值均庙乘以尺寸换算系数09 5 。 2 抗压强度结果及分析 a l 得素混凝土橡胶混凝土及橡胶纤维混凝十的2 8 天抗压强度值如表2 8 和图2 2 所示 表2 8 混凝土2 8 d 抗压强度( m p a ) 图2 2 掘凝十2 8 天抗压强度 从图中可以看出掺入橡胶颗粒后，混凝土的抗压强度明显降低，降幅选到2 5i 。这是 由于橡胶颗粒的弹性模量远小于水泥浆体和粗、细集料，其分布在砂袋中，相当丁混凝士内 部分布着盼封闭气孔承受荷载能力很差，且橡脞颗粒与砂浆之间的界面是橡胶混凝土中的 薄弱环节，微裂纹容易在界面产生和扩展，因而税凝土中加入橡胶颗粒会导致强度r 降。 聚丙烯纤维对下改善橡胶混凝十的抗压强度也起到了一定的作片j 但是效果_ j l i = 显著。相 对于未加纤维的橡胶溜凝土，橡胶纤维税凝土的强度只提高了57 。 3 破坏形态分析 素混撮土、橡胶混凝十、橡胶纤维混凝十受压破坏后的表面形态如刚23 25 所示。 - 一，。r 翌 、j “ 圈t 幽 嘲2 , 3 素混凝十受力破坏形态 图2 4 橡胶混凝士受力破土f ：形态 ； 受专世盏崔s 自大 硕学位论女 目2 5 橡胶纤维泄凝土受力破坏艏态 试验中发现，素混凝土、橡胶混凝土和橡胶纤维混凝土受压破坏形态有一定区别，见图 2 3 嗤2 5 ，泰混凝十在受压破坏时属于脆性破坏，试件表层完全剥落发生贯穿破坏，试 件的一部分彻底粉碎破坏后试块完全分散开来。而橡胶混凝土则是在试什的表面出现细小 的贯穿裂缝，没有一条明显的主裂缝，而且外形上也保持得较完整，没有出现扮碎性破坏和 表层剥落的现豫。橡胶纤维混凝土相比较而言，破坏情况更不明显，只在表面边侧出现少蕈 的微细裂纹，没有贯穿裂纹，生。说明橡胶和纤维明显降低了混凝十的脆性性能t 提高了其 韧性。 2 4 橡胶混凝土轴向拉伸性能 241 试验原材料及配合比 轴向拉伸试验所用f l 于是粒径为5 2 0 m m 连续级配的玄武岩碎4 i ，其他原料及配合比 同立方体抗压强度试验。 242 试验设备 试验采用美国产m t s 8 1 0 闭环回路电液伺服万能试验机( 2 5 t ) 作为加载设备( 如翻26 ) ， 试验机刚度足够太展大加载值为2 5 0 k n ，试验机配备载荷和位移传感器米测试试件加载过 程中的受力和变形值的人小，井通过x y 函数记录仪绘制荷载娈形曲线。 试验灾具为自行设计，夹具实物圜如图2 6 所示，其刚度值大于试件的剐度，与试验机 的整体刚度值远人丁试什受拉荷载与变形f 降段曲线的绝对值刚度，从而确保当试件受 立超 过撮人艰载能力后，小会山现因弹性势能的迅速释放撕导致试什突然拉断。夹具上侧为活动 连接杆，试验时同定在试验机的l 下夹头上可在一定的范国内偏转，f j r 调整试件的儿 口f 对中和力学对。 ，下侧轴心部f t 钻 内螺纹孔，与试什预埋的螺纹连接杆连接。 第二章橡胶凝静态力学性能 243 试件设计和制作 圉2 6 拉伸试验装置及加载实物图 参考河海大学拉伸试件的制作模型，本文自行最计的试件外形取】尺0 如图27 所示。试 验采用变截面棱柱体试什，两端截面为l o o m m l o o m m ，中间部分截面减小，甚试件的外 形设计使得断裂茇生扯中部的概率增加，但试件中变截血处会产生应力集中更易断裂，凼此 两部分之间圆弧过渡，控制试件破坏部位在中间量测区域，以获得稳定的应力应变全曲线。 试什两侧预埋入长l5 0 r a m 直径为2 4 m m 的螺拴作为连接杆，埋入深度为i o o r a m 。中间 试验标段k 度为2 3 5 m m ，截面为1 0 0m m x 6 0m m 的矩形截面。试件两侧带螺纹的连接杆是 在试什成塑时预埋入的，靠模具两侧的端扳吲定，端扳中心预留与螺纹连接杆直径大小相同 的内螺纹 l ，通过螺纹的咬合可以确保埋杆与试件同轴心，另外埋杆与t 3 行设计的夹头 的预留内螺纹孔咬台相连，井由夹头另一端的活动连接杆连到 t s 试验机，此连接方法实现 了试件纵向轴线与受力方向重台排除了偏心受拉的可能性。 试什制作时混凝上采用机械搅拌，对每一组配台比的混凝t 一次拌成，每组成型_ 二三个试 仲。搅拌均匀后装入i o o m m l o o m m 5 1 5 m m 的试模，试模两端饭中心钻有直径为2 4 m m 内螺纹孔，试件中顶埋的螺纹连接杆通过端板孔固定，分三层装模，边装摸边用捣棒插捣， 装模完成后放在标准振动台上振实，试佴新拌混凝十的坍落度控制在1 6 0 m m 左右，2 4 小时 自然养护后脱模，送入标准荐护室养护，1 年后取出供试验用。 东南人学硕士学位论文 2 4 4 试验方法和步骤 图2 7 拉伸试件尺寸示意图 2 4 脯 ( 1 ) 将试件安装在上下夹具中固定，然后将其移置入试验机的上夹头中夹紧固定。 ( 2 ) 在试件中间段测量区内的两侧面对称安装两个轴向引伸计a ，b 测量伸长变形，位移 传感器的量测标距为l o o m m ，应变值是以变形量除以l o o m m 得出的，为两位移传感器实测 值的平均。 ( 3 ) 将荷载传感器和位移传感器的测量导线接入试验机的伺服控制器。 ( 4 ) 固定下夹头，同时调节试件进行几何对中，避免偏心拉伸造成实验误差。 ( 5 ) 开动试验机，测试仪器使其处于正常工作状态，然后将荷载、位移、应变值调零，正 式试验前先进行两次预拉，预拉荷载约相当于破坏荷载的1 0 左右。预拉时应测读应变值， 需要时调整荷载传递装置。 ( 6 ) 启动试验机开关，使试件缓慢均匀地受力变形直到试件断裂。采用应变控制加载方式， 加载速度为每分钟0 7 微应变。 2 4 5 试验结果与分析 1 橡胶混凝土轴向拉伸应力应变全曲线 轴向拉伸试验测得的橡胶混凝土应力和应变全曲线如图2 8 所示。图中的五个点0 ，a ， b ，c ，d 把全曲线分成四个特征段 2 1 - 2 2 ：线弹性阶段，非线性弹性阶段，下降软化阶段及断 裂阶段。 线弹性阶段：在试件受拉后的初期阶段，应力应变全曲线基本上为直线，应力与应变 成正比关系增长，此阶段( o a 段) 的变形为弹性变形： 非线性弹性阶段：当加载超过a 点后，即应力达到抗拉强度极限的6 0 7 0 时，应 变增长速度开始超过应力，应力与应变关系逐渐偏离直线，全曲线呈现上凸趋势，曲线的 切线斜率逐渐减小，混凝土在此阶段( a b 段) 出现了少量的塑性变形，反映出高度非线性 弹性特征。在拉应变e 为1 9 4 x1 0 由时，曲线的切线趋于水平，此点即为测得的峰值应力对 应点b ，因a b 段可称为非线性弹性阶段； 下降软化阶段：当荷载达到b 点后，随着试件应变值的增大应力开始下降，但是应力 下降的速度却逐渐降低，曲线切线斜率绝对值逐渐减小，曲线呈下凹形状，应变值约为3 5 0 1 0 西时曲线出现反弯点( c 点) ，此时出现了微裂缝，此阶段( b e 段) 为下降软化阶段； 裂缝贯通断裂阶段：当试件残余承载力约为最大承载力的4 5 时，即曲线超过c 点后， 其残余承载力下降较缓慢，曲线渐趋平缓，此时裂缝开始迅速扩展，随即沿截面四周贯通， 最后试件断裂为两段，此阶段( c d 段) 为裂缝贯通断裂阶段。直到试件断裂残余承载力尚 1 2 第二章橡胶混凝七静态力学性能 有最大承载力的2 0 左右。 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 7 0 0 s t r a i n * 1 矿 图2 8 橡胶混凝土拉伸应力应变全曲线 2 轴拉强度及变形分析 素混凝土、橡胶混凝土抗拉强度、极限拉伸应变和拉伸弹性模量实测结果列于表2 9 。 表2 9 混凝土轴拉试验结果 拉伸强度值的离散性较小，说明本文设计使用的夹具有效解决了轴向拉伸试验的偏心问 题，但是极限拉伸应变和弹性模量的离散性比较大，取平均值进行对比分析。 从试验结果表明，用橡胶颗粒等体积取代2 5 的砂后，混凝土的抗拉强度降低了3 6 5 ， 但是其峰值荷载时拉伸应变提高了2 2 4 ，弹性模量降低了3 2 4 ，说明橡胶颗粒有效改善 了混凝土的脆性性能，提高了混凝土的韧性和变形能力，这是由于橡胶作为细集料分布在混 凝土中，相对于取代的砂来说，弹性变形能力很大，当结构承受拉应力时，内部缺陷或薄弱 区产生应力集中促使原始微裂纹扩展及新裂纹的产生，橡胶微粒本身有很好的抗拉特性，吸 收了部分能量而阻碍了裂缝的进一步发展，因而延长了开裂时间，提高了结构的韧性和变形 能力。 3 轴拉破坏特征 大多数试件的断裂面靠近试件的中部，说明试件的设计方案较好的避免了在预埋杆和变 截面等应力集中区的断裂，达到了设计目的。 1 3 6 5 4 3 2 1 o 啊山：，窨s巴笛 东南大学硕上学位论文 试件拉伸主要产生的是i 型张开裂纹，裂纹一般先在一个周边产生，然后向其他面扩展， 扩展方向与加载方向垂直。断裂面凹凸不平，主要是水泥浆体的开裂，也有部分骨料被拉断。 素混凝土破坏时间较短。表现为明