橡胶混凝土冲击与疲劳性能的研究进展

建筑技术ArchitectureTechnology第42卷第2期2011年2月

Vol．42No．2Feb．2011

收稿日期：2011-01-18基金项目：广东省自然科学基金重点资助项目(07117419)；国家自然科学基金资助项目(10872052)作者简介：陈贵炫（1985－），男，广东珠海人，主要研究方向为新型建筑材料及其应用，e－mail：whirlychen＠163．com.

橡胶混凝土是以混凝土为基材，掺入胶粉（包括粒径较大的胶粒）制成的土木工程复合材料，胶粉主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，不改变混凝土中各种材料的化学性能[1]。自20世纪90年代初美国北卡罗来纳州立大学土木工程学院Shuaid.Ahmad教授将废旧轮胎磨碎制得胶粉，继而与混凝土混合制成橡胶混凝土以来，国内外研究人员已经对橡胶混凝土的各种性能进行了广泛研究。研究表明，与传统普通混凝土相比，橡胶混凝土重量轻，具有良好的抗裂性能、耐磨性能和变形性能，抗老化、抗渗透和抗冻性能优越，高温抗爆裂性能明显提高。但是，目前对橡胶混凝土动力性能的研究尚不多见，本文从抗冲击性能、疲劳性能、阻尼性能等方面总结橡胶混凝土动力性能在国内外的研究进展，指出需进一步深入研究的方向，以推动橡胶混凝土这种新型土木工程材料的广泛应用。1抗冲击性能混凝土抗冲击性能是评价混凝土动力性能的一个重要方面。在机场跑道、公路路面、桥面甚至抗冲、抗爆、抗地震的现代防护结构工程中，对混凝土的抗冲击性能提出了更高的要求。目前普遍研究混凝土冲击性能的试验方法主要有落锤法和霍普金森压杆（Split-HopkinsonPressureBar，SHPB）法两种。TopcuandAvcular采用粒径为1.7mm和2.2mm的

橡胶颗粒，等体积取代粗集料的15%，30%和45%制成覫150×300的橡胶混凝土试件，进行落锤试验，发现掺

橡胶有利于提高混凝土的抗冲击性能，尤其是掺入较大的橡胶颗粒，对混凝土抗冲击性能提高更多[2]。橡胶混凝土抗冲击性能提高的原因在于材料吸收能量的能力提高。文献3~7也有类似的结论。赵志远等人利用橡胶颗粒（粒径2~3mm）等体积取代25%的细集料，制成覫150×60的橡胶混凝土试件进行ACI-544推荐的落锤试验，发现虽然混凝土抗压强度下降了34%，但其抗冲击次数却提高了6.2倍；除此之外，还发现复合掺加橡胶颗粒和1kg/m3

的高弹性模量聚乙烯醇（PVA）纤维后，橡胶混凝土抗冲击次数是素混凝土的8.3倍，为单掺橡胶粉的1.3倍，表明通过掺加橡胶颗粒和纤维共同改性的混凝土具有更佳的抗冲击性能，同时指出橡胶混凝土在冲击破坏过程中，橡胶颗粒既缓解了裂纹尖端的应力集中又发挥了耗能的作用，而纤维发挥了阻裂、耗能的作用[8]。黄政宇等人采用平均粒度为120，220，830μm的橡胶粉，等体积取代细集料的3%，5%，10%，15%，20%和25%制成覫70×35的橡胶混凝土试件，

橡胶混凝土冲击与疲劳性能的研究进展陈贵炫，刘锋，李丽娟，曾广尚（广东工业大学土木与交通工程学院,510006，广州）摘要：将废弃轮胎橡胶应用于混凝土极具环保意义，通过抗冲击性能、疲劳特性和阻尼特性等了解橡胶混凝土动力性能，以拓展橡胶混凝土这种新型土木工程材料的工程应用。关键词：橡胶混凝土；动力性能；抗冲击；疲劳特性；阻尼特性中图分类号：TU528.7文献标识码：A文章编号：1000-4726（2011）02-0169－03

RESEARCHDEVELOPMENTOFDYNAMICPROPERTIESOFRUBBERIZEDCONCRETECHENGui-xuan,LIUFeng,LILi-juan,ZENGGuang-shang（FacultyofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,510006,Guangzhou,China)

Abstract:Itisworthwhiletousedisusedtiresonconcrete，throughunderstandingthedynamicperformanceoftherubberconcrete，suchasshockresistance,fatigueproperty，dampingcharacteristics,andsoon.Keywords:rubberizedconcrete;dynamicproperties;impactresistance;fatigueperformance;dampingproperties

·169·建筑技术第42卷第2期在3种加载波（平均应变率在33~43/s之间、平均应变率在50~63/s之间和平均应变率在72~86/s之间的加载波）下进行SHPB试验发现：（1）橡胶混凝土与普通混凝土相似，具有应变率效应；（2）在橡胶粉掺量相同时，对于一定的应变率，橡胶粉越细动态抗压强度越高；（3）应变率一定时，随着橡胶粉掺量增加，动态抗压强度不断降低，而动力增长系数增大；（4）掺入级配橡胶粉与其他单掺橡胶粉的橡胶混凝土相比，橡胶混凝土的抗冲击性能变化不大[9]。与此相类似，王瑞等人利用SHPB试验技术对橡胶水泥混凝土进行了抗冲击压缩性能研究，发现：（1）橡胶粉掺量和应变率一定时，试件的韧性指数随橡胶粉粒径的增大而增大（近似线性），较基准混凝土显著提高；（2）橡胶粉掺量一定时，橡胶混凝土韧性指数随应变率的增大而减小，韧性降低；（3）橡胶粉的掺入改变了混凝土的破坏形式，提高了混凝土的抗冲击性能，应变率一定时，随着橡胶粉掺量和粒径的增大，橡胶混凝土的韧性不断提高，其峰值应力减小，峰值应变增大，应力-应变曲线有右移的趋势，且下降段曲线趋于平缓[10]。Atahan和Sevim采用粒径11~22mm的橡胶颗粒，等体积替代粗骨料的20%，40%，60%，80%和100%制成NewJersey型混凝土护栏进行现场动态冲击试验（模拟真实的汽车与护栏的碰撞试验），结果显示，随着橡胶掺量的增加，碰撞后汽车所受的减速力峰值越低，因而损伤程度也越低，而且认为20%~40%的橡胶掺量能表现出良好的抗冲击性能而不至于明显降低混凝土的强度。建议大掺量的橡胶混凝土可应用于以混凝土断裂方式耗能的公路方面。2疲劳特性混凝土是一种脆性材料，其延性、抗疲劳性能较差，有效提高其韧性和抗疲劳性能是目前混凝土材料研究领域的一个重要方面。废轮胎橡胶颗粒作为良好的弹性材料添加到混凝土中能解决上述问题。李悦等人通过超声波检测和疲劳试验后混凝土的残留强度测试，发现：（1）疲劳试验前，橡胶混凝土的超声波声速和抗压强度都低于普通混凝土。试验后，普通混凝土超声波声速降低了6.15%，而橡胶混凝土的声速仅降低了不到1.65%（硅烷改性）和1.72%（PVA改性）；（2）普通混凝土的强度降低了4.18%，大大高于其他两组橡胶混凝土（硅烷和PVA改性两组）强度降低幅度，表明橡胶混凝土有明显优于普通混凝土的抗疲劳性能[11]。Olivares等人研究了小体积掺量（5%）的橡胶混凝土棱柱体试件弯曲疲劳试验，并提出了一个基于经典Westergaard方程的解析模型，进而利用该模型计算出

在重交通荷载条件下橡胶混凝土刚性路面板的最小厚度[12]。王立燕等人借助声发射技术对普通混凝土及橡胶混凝土的疲劳过程进行实时监测，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，得出普通混凝土的疲劳损伤过程是一个持续的损伤累计增长过程，而橡胶混凝土则呈现典型的裂纹引发、稳定扩张和失稳扩张三个阶段。由于在疲劳循环加载过程中橡胶的能量耗散和良好的吸声性能，橡胶混凝土声发射信号产生的强度和活度普遍低于同应力水平下的普通混凝土，损伤演化速度缓慢，损伤程度较低，表明橡胶混凝土的疲劳性能比普通混凝土更优异[13]。虽然再生沥青改性后的混凝土疲劳寿命会有所下降，但是添加橡胶粉（无论橡胶粉的大小和种类）能明显改善其抗疲劳性能；随着所掺橡胶粉粒径的增加，再生沥青橡胶混凝土的抗疲劳性能是轻微递增的。

3阻尼特性

混凝土材料的阻尼比是衡量其本身消能减振性能的主要指标。Goulias和Ali的研究认为：随着橡胶掺量的增加，混凝土的阻尼性能、动弹性模量不断降低[14]。Topcu和Avcular提出橡胶混凝土应用于有减震需

求的环境是有利的[2]，Fattuhi和Clark[3]、袁兵等人[15]的研究也有同样的结论。陈振富等人采用自由振动法测量了橡胶混凝土的阻尼比，结果表明橡胶可明显提高橡胶混凝土的阻尼比。橡胶掺量为0.5%~2.5%时，橡胶混凝土的阻尼比较普通混凝土提高50%~60%；当橡胶掺量超过2.5%后，阻尼比随橡胶粉掺量增大而快速增大，阻尼比提高1.3~2.3倍[16]。

许静等人采用自由衰减法对橡胶混凝土及普通混凝土小型悬臂梁的阻尼比进行测定，结果显示橡胶粉掺量为粗骨料质量的12%，橡胶混凝土构件的阻尼比较普通混凝土明显提高，他们认为橡胶粉的填充作用和弹性行为使混凝土损耗模量增大，从而提高混凝土的减震（降噪）性能[17]。L.Zheng等人采用自由振动法对混凝土简支梁

进行试验，以测量小变形情况下不同橡胶掺量（15%，

·170·2011年2月

陈贵炫，等：橡胶混凝土冲击与疲劳性能的研究进展

30%和45%,等体积取代粗骨料）和橡胶粒径（2.62mm和15.00~40.00mm）对橡胶混凝土阻尼比的影响：（1）橡胶混凝土的动弹性模量随橡胶掺量的增加明显降低，橡胶块对弹性模量的影响大于橡胶粉；（2）相比普通混凝土，橡胶粉和橡胶块的掺入都可显著提高混凝土的阻尼比，掺入橡胶块比掺入橡胶粉对混凝土阻尼比的提高更有效；（3）随橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的阻尼比增加。然而，阻尼比的增加量与橡胶掺量并非呈线性关系，综合考虑橡胶混凝土的力学性能和阻尼特性，建议橡胶掺量不高于30%[18]。Skripkiunas等人通过掺不同粒径和不同掺量橡胶颗粒的橡胶混凝土进行阻尼性能的试验研究发现：（1）随橡胶掺量的增加,橡胶混凝土的动弹性模量不断降低，橡胶掺量为20%时，动弹性模量降低了约50%，且相对橡胶颗粒的大小来说，橡胶颗粒的掺量对橡胶混凝土动弹性模量的影响更显著；（2）随橡胶掺量的增加,橡胶混凝土的Q因子不断降低，橡胶掺量为20%时，Q因子降低了约20%，但阻尼衰减率却提高了约37.5，与对动弹性模量的影响一样，相对橡胶颗粒的大小来说，橡胶颗粒的掺量对橡胶混凝土Q因子的影响更显著[19]，随着橡胶掺量的增加，动弹性模量不断降低，阻尼衰减系数不断加大。4结语将废轮胎橡胶粉添加到混凝土中，不仅可实现废轮胎的无污染化处理和循环利用，而且可提高混凝土的某些专项性能。总的来说，橡胶混凝土的贡献主要有两个方面：（1）橡胶粉作为细骨料，对于混凝土的初始孔隙缺陷可起到一定程度的填充作用；（2）橡胶粉作为弹性体，在混凝土受力过程中形成结构变形中心吸收应变能消耗能量。目前对橡胶混凝土的动力性能的研究并不多，为拓展橡胶混凝土在实际工程的应用，如公路路面、高速路面防护栏、飞机跑道等，有必要更深入地进行橡胶混凝土在抗冲击、疲劳和阻尼性能方面的试验研究。基于本文所述，可得出以下建议：（1）更多的研究需致力于优化设计橡胶颗粒大小和掺量，利用化学或矿物添加剂、橡胶粉和纤维混掺等方式，提高橡胶混凝土的动力性能；（2）为满足实际工程的需要，可将橡胶掺量进一步扩大，对橡胶混凝土动力性能进行系统的研究；（3）目前对橡胶混凝土的研究主要集中在掺橡胶