重复冲击下高温后橡胶自密实混凝土动态力学性能.pdf
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1、土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202200027重复冲击下高温后橡胶自密实混凝土动态力学性能刘志恒1,陈徐东1*,胡良鹏1,宁英杰2(1.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098;2.浙江交工集团股份有限公司,浙江 杭州 310051)摘要:混凝土结构在服役期间经常因承受多次冲击荷载作用而发生破坏,基于此,针对橡胶自密实混凝土(RSCC),采用霍普金森压杆装置(SHPB)开展重复冲击压缩试验,研究在重复冲击作用下RSCC的动态力学特性演化。本试验准备橡胶掺量为10%、20%和30%的RSCC试样各1组,准备1组普通自密实混凝土(NSCC)试样作为对照组,研究橡胶
2、掺量和高温作用对RSCC重复冲击性能的影响机制。结果表明:150 高温作用对NSCC和RSCC重复冲击性能影响小,重复冲击性能与常温试样具有一致性。橡胶的掺入有效改善了NSCC的脆性,减小了冲击荷载在试样内部产生的应力,重复冲击次数随着橡胶掺量的增加呈上升趋势,RSCC重复冲击性能优于NSCC。300 高温作用后,NSCC承载能力增加,但仍表现出脆性破坏特征;而RSCC重复冲击性能显著退化,峰值应力下降,抵抗冲击荷载重复作用次数减少,且橡胶掺量越大,性能衰退越明显。此外,在常温及150 高温作用下,RSCC比NSCC吸收能量能力更强;而300 高温作用后,RSCC能量吸收性能衰退,比NSCC累
3、计单位体积吸收能量低。关键词:橡胶自密实混凝土;高温;重复冲击;能量吸收中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)04-0169-10Investigation on the Dynamic Mechanical Properties of Thermally Treated RubberizedSelf-compacting Concrete Under Repeated ImpactLIU Zhiheng1,CHEN Xudong1*,HU Liangpeng1,NING Yingjie2(1.College of Civil and Transporta
4、tion Eng.,Hohai Univ.,Nanjing 210098,China;2.Communications Construction Group Co.Ltd.,Hangzhou 310051,China)Abstract:Concrete structures often fail under multiple impacts in their service life.Therefore,the repeated impacts test was conducted by splitHopkinson pressure bar(SHPB)to investigated the
5、dynamic behavior of RSCC under the repeated impacts.RSCC with three different rubber con-tent,respectively 10%,20%,and 30%,was prepared to investigate the effects of rubber content and high temperature.A group of NSCC was pre-pared as the control group.The experimental results demonstrate that the t
6、hermal treatment of 150 has a little effect on the repeated impacts be-havior.A similar behavior of RSCC to NSCC is noted.The incorporation of rubber modifies the brittleness of NSCC.It decreases the peak stressgenerated in the specimen.With the increase of rubber content,an increasing trend in the
7、repeated impact number is observed.RSCC shows bet-ter resistance to the repeated impacts than NSCC.After the thermal treatment of 300,the peak stress of NSCC increases,but NSCC still showsa brittle failure mode.However,the peak stress and the total repeated impact number of RSCC decreases.RSCC shows
8、 a deteriorating resistanceto the repeated impacts with the increase of the temperature and deteriorates a lot with the increase of rubber content.Furthermore,at room tem-perature and the temperature of 150,RSCC shows a higher total specific energy absorption(SEA)than NSCC,but NSCC shows a higher to
9、talSEA than RSCC at 300.Key words:RSCC;thermal treatment;repeated impacts;energy absorption收稿日期:2022 01 09基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB2600200);国家自然科学基金项目(51979090);国家重点实验室开放基金项目(2019CEM002)作者简介:刘志恒(1996),男,博士生.研究方向:混凝土动态力学特性及损伤机理.E-mail:*通信作者:陈徐东,教授,E-mail:网络出版时间:2023 01 04 16:37:45 网络出版地址:https:/ http:/
10、http:/ 第 55 卷 第 4 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.42023 年 7 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESJuly 2023 自密实混凝土(SCC)自被提出以来引起了广泛的关注12。SCC是一种无需振捣,可在自重作用下密实的高性能混凝土材料,其具有良好的流动性和抗离析性,可以很好地填充钢筋间隙与模具角落,在混凝土结构领域被大范围使用3。硬化后的SCC具有密实的内部结构、良好的抗压强度,但其变形能力较差,破坏时表现出明显的脆性特征4,是限制其工程应用的一个重要因素。随着汽车工业的快速发展,废弃轮胎的数量与日俱增,造成了严重的环境污染与资源
11、浪费57。面对废弃轮胎回收利用的重要需求,有学者提出将废弃轮胎橡胶掺入混凝土中,利用橡胶本身良好的弹性改善混凝土的脆性特征810。研究表明,将废弃轮胎橡胶制成不同形状、大小、级配的骨料掺入混凝土中,可以有效地改善混凝土的脆性,提高其变形能力、抗冲击性能11。Topu12以等体积取代的方法,分别使用粒径01 mm的橡胶片取代细骨料、粒径14 mm的橡胶片取代粗骨料制得橡胶混凝土(RC),发现橡胶的掺入减小了混凝土的弹性能,提高了混凝土的塑性能,改善了混凝土的变形能力。Gupta等13通过落锤试验、弯曲试验及回弹试验研究,证明了橡胶纤维的掺入有效地提高了混凝土的抗冲击性能和延性。橡胶颗粒良好的弹性
12、可以改善SCC的脆性特征;SCC在浇筑过程中无需振捣,有利于橡胶颗粒均匀分布于混凝土中。因此,废弃轮胎橡胶颗粒与SCC的结合引起了众多学者的关注。目前,针对橡胶自密实混凝土(RSCC)工作性能与静态力学性能已有广泛的研究1416;已有研究重点关注RSCC的动态抗压强度和应变率效应1718,忽略了在工程实际中混凝土结构通常需承受多次冲击荷载的作用19。此外,橡胶颗粒性能易受温度影响,对高温下RSCC动态特性的研究具有重要意义20。基于此,本文采用霍普金森压杆装置(SHPB)对10%、20%及30%3种不同橡胶掺量的RSCC进行重复冲击试验,并设置1组NSCC试样作为参照组。试验设计室温、150
13、和300 3种温度工况,以分析不同高温作用对NSCC与RSCC重复冲击性能的影响。1 试验设计 1.1 原材料RSCC原材料主要包括:普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、碎石、天然河砂、橡胶颗粒、水及减水剂。其中硅酸盐水泥强度等级为42.5 MPa;粉煤灰为级灰,密度为2 250 kg/m3;硅灰密度为2 100 kg/m3。采用碎石作为粗骨料,最大粒径为15 mm;采用天然河砂、橡胶颗粒作为细骨料,表观密度为 1 060 kg/m3,橡胶颗粒粒径为15 mm,粒径分布如图1所示。1.2 试样制备试验所用配合比见表1。橡胶颗粒通过等体积取代天然河砂的方式掺入自密实混凝土中,掺量为0、10%、20%及
14、30%分别对应表1中NSCC、RSCC10、RSCC20及RSCC30。橡胶自密实混凝土拌合物坍落度和J环扩展度测试结果见表2。混凝土浇筑于550 mm550 mm220 mm的木模具中,并覆盖土工布洒水养护。养护龄期达到28 d后,使用钻孔取芯机钻取直径为74 mm的芯样,并通过切割制得直径74 mm、厚37 mm的重复冲击压缩试样。1.3 高温试验使用高温节箱立式箱式炉进行高温试验。高温试验前,使用电热鼓风干燥箱对试样进行干燥处理;试样完全干燥后,放入高温炉中,进行高温试验。试验设置150 和300 两种温度,设置1组常温存放试样作为对照组。升温速度为10/min,当温度升至设定温度后,保
15、持炉内恒温2 h。试验完成后,试样放置于炉内自然冷却,待试样温度冷却至室温后即可 表 1NSCC与RSCC配合比Tab.1 Mix properties of NSCC and RSCC kg/m3试件编号 水泥 粉煤灰 硅灰 水 减水剂 橡胶颗粒砂碎石NSCC385139262007.501 018.0 800RSCC10385139262007.541.5916.2800RSCC20385139262007.583.0814.4800RSCC30385139262007.5124.5712.6800 表 2NSCC与RSCC自密实性能Tab.2 Fresh properties of NS
16、CC and RSCC mm试件编号坍落扩展度J环扩展度坍落扩展度与J环扩展度差值NSCC70569015RSCC1069567322RSCC2068666323RSCC3068365231 0.1110020406080100通过率/%粒径/mm图 1橡胶颗粒粒径分布Fig.1Size distribution curve of rubber aggregate 170工程科学与技术第 55 卷进行冲击试验。1.4 重复冲击试验使用SHPB进行重复冲击试验,试验装置如图2所示。分别对经高温作用后的NSCC与RSCC进行重复冲击试验,设计冲击速度为5.00 m/s,研究在重复冲击荷载作用下高温
17、对橡胶自密实混凝土的动态力学特性。针对高温作用后的RSCC10和RSCC30试样进行不同冲击速度的重复冲击试验。重复冲击试验通过调节撞击杆位于炮管中的相对位置,实现冲击速度的调节。试验过程中,需严格控制撞击杆相对于炮管口的距离,以获得稳定的冲击速度。基于预试验结果,试验设计了3.50、5.00及6.50 m/s 3种冲击速度。2 试验结果高温处理后不同橡胶掺量的RSCC试样如图3所示。NSCC与RSCC试样经高温试验后发生的变化主要体现如下:1)不同高温处理后,NSCC和RSCC试样表面颜色发生了变化。未经高温作用试样表面呈现灰色;经150 高温作用后,试样颜色变浅,呈浅灰色;经300 高温作
18、用后,试样整体颜色发黄,RSCC试样局部出现焦色。2)对于未掺入橡胶的NSCC试样,经150 和300 高温处理后,试样表面未发现混凝土开裂或剥落现象。3)在150 高温作用下,RSCC试样表面未见混凝土开裂或剥落;分布于试件表面的废弃轮胎橡胶颗粒边缘颜色加深,这是由于在150 高温作用下,橡胶颗粒开始软化,有向黏液化转变趋势,经冷却后,颜色加深。4)300 高温作用后,RSCC试样表面有明显的开裂现象。RSCC10、RSCC20和RSCC30的开裂现象如图4所示。由图4可以看出:橡胶掺量显著影响试样在300 高温作用后的开裂行为。随着橡胶掺量的增加,试样表面开裂情况越发严重,主要表现在两个方
19、面:裂缝长度随掺量增加逐渐增长;裂缝数量随掺量增加逐渐增多。此外,混凝土开裂现象主要出现在巴西圆盘试样的外圈。1.发射装置;2.炮管;3.炮管支座;4.测速仪;5.调整底座;6.入射杆;7.巴西圆盘试样;8.中心支架;9.透射杆;10.导轨;11.吸收杆;12.钢结构底座;13.缓冲器。12345678910111213 图 2SHPB装置示意图Fig.2Schematic diagram of SHPB (a)NSCC室温150 C300 C(c)RSCC20室温150 C300 C(b)RSCC10室温150 C300 C(d)RSCC30室温150 C300 C 图 3高温处理后试样Fi
20、g.3Thermal treated specimens (a)RSCC10(b)RSCC20(c)RSCC30图 4300 高温作用后RSCC开裂现象Fig.4Cracking behavior of 300 treated RSCC 第 4 期刘志恒,等:重复冲击下高温后橡胶自密实混凝土动态力学性能1715)在300 高温作用后的RSCC试样表面可以观察到橡胶颗粒开始分解,部分橡胶丧失了良好的弹性。此时,主要是废弃轮胎橡胶颗粒中的天然橡胶成分分解21。此外,在橡胶颗粒表面可见粉状黑色颗粒,这是掺入废弃橡胶轮胎中的炭黑。与天然橡胶相比,炭黑具有良好的耐高温性能,不会在300 温度作用下分解,
21、从而从废弃轮胎橡胶颗粒中析出。3 重复冲击试验结果经统计,在重复冲击试验中,实际子弹冲击速度平均值分别为3.58、4.99和6.30 m/s,基本符合设计的冲击速度。图5统计了NSCC与RSCC试样抵抗重复冲击荷载作用的次数。由图5可见:在室温和150 高温下,RSCC抵抗重复冲击作用次数大于NSCC,且随着橡胶掺量的增加,抵抗重复冲击作用次数呈上升趋势,150 高温对NSCC与RSCC重复冲击性能影响较小;在300 高温下,NSCC抵抗重复冲击作用次数大于RSCC,RSCC重复冲击性能劣化,且随着橡胶掺量的增加,劣化程度加剧;随着冲击速度的增加,试样承受的冲击力变大,内部产生更多损伤,引起损
22、伤快速累积,重复冲击荷载作用次数减少。4 应力应变特性 4.1 橡胶掺量的影响经不同高温作用后,在4.99 m/s冲击速度下NSCC与RSCC的应力应变曲线如图6所示。由图6可看出,应力应变曲线随着温度、冲击次数的变化而变化。0100200300400500600012345678温度/C冲击速度 4.99 m/sNSCCRSCC10RSCC20RSCC30NSCC 平均值RSCC10 平均值RSCC20 平均值RSCC30 平均值冲击速度 3.58 m/sRSCC10RSCC20RSCC10 平均值RSCC20 平均值冲击速度 6.30 m/sRSCC10RSCC20RSCC10 平均值RS
23、CC20 平均值重复冲击次数图 5重复冲击次数随温度的变化Fig.5Variation of impact number with temperature 00.0050.0100.0150.0200.0250.0300102030405060应力/MPa应变NSCC(25)第 1 次 36.81 s1NSCC(150)第 1 次 33.07 s1第 2 次 44.64 s1NSCC(300)第 1 次 37.77 s1第 2 次 55.91 s1(a)NSCC00.0050.0100.0150.0200.0250.0300102030405060应力/MPa应变RSCC10(25)第 1 次
24、 30.10 s1第 2 次 40.40 s1RSCC10(150)第 1 次 30.84 s1第 2 次 38.20 s1RSCC10(300)第 1 次 41.60 s1第 2 次 52.89 s1(b)RSCC1000.005 0.010 0.015 0.020 0.0250.0350102030405060应力/MPa应变0.030(c)RSCC2000.005 0.010 0.015 0.020 0.0250.0350102030405060应力/MPa应变RSCC30(25)第 1 次 45.77 s1第 2 次 49.52 s1第 3 次 59.19 s1RSCC30(150)第
25、 1 次 46.98 s1第 2 次 49.44 s1第 3 次 55.91 s1RSCC30(300)第 1 次 47.91 s1RSCC(25)第 1 次 32.49 s1第 2 次 39.34 s1第 3 次 52.80 s1RSCC20(150)第 1 次 39.71 s1第 2 次 47.20 s1第 3 次 56.69 s1RSCC20(300)第 1 次 47.17 s1第 2 次 61.75 s10.030(d)RSCC30 图 64.99 m/s冲击速度下不同高温作用后NSCC和RSCC试样应力应变曲线Fig.6Stressstrain curves of thermally
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