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三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能

刘妙燕 陆俊 明攀

刘妙燕,陆俊,明攀. 三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能[J]. 水利水运工程学报,2021(3):31-40. doi:  10.12170/20200411001
引用本文: 刘妙燕,陆俊,明攀. 三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能[J]. 水利水运工程学报,2021(3):31-40. doi:  10.12170/20200411001
(LIU Miaoyan, LU Jun, MING Pan. Fracture properties of rubber concrete under three-point bending[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(3): 31-40. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200411001
Citation: (LIU Miaoyan, LU Jun, MING Pan. Fracture properties of rubber concrete under three-point bending[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(3): 31-40. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200411001

三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能

doi: 10.12170/20200411001
基金项目: 中组部特殊人才支持计划资助项目(Go419001)
详细信息
    作者简介:

    刘妙燕(1995—),女,江苏盐城人,硕士研究生,主要从事混凝土损伤断裂研究。E-mail:13876426033@163.com

    通讯作者:

    陆 俊(E-mail:lujun@nhri.cn

  • 中图分类号: TU501

Fracture properties of rubber concrete under three-point bending

  • 摘要: 通过橡胶混凝土三点弯曲梁断裂试验,测取橡胶混凝土的荷载、挠度和裂缝开口位移值,并绘制荷载-挠度曲线和荷载-裂缝开口位移曲线;根据《水工混凝土断裂试验规程》和ASTM规范计算断裂韧度与断裂能,研究不同橡胶掺量对混凝土断裂性能的影响,以及声发射累积能量和断裂能之间的关系,并对比分析两部规范中给出的不同断裂韧度计算公式的计算结果。研究表明:掺入橡胶后混凝土能承受的最大荷载降低,起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、断裂韧度、断裂能和声发射累积能量均降低;混凝土梁的有效裂缝长度和最大挠度在橡胶掺量为10%时最小,在橡胶掺量为20%和30%时增大;延性指数随橡胶掺量的增加逐渐增大,最大提高了41%;通过拟合混凝土的断裂能和声发射累积能量曲线,可得出$y=a+b{{\rm{e}}}^{cx}$形式的经验式。掺入橡胶后混凝土韧性和变形能力提高,脆性得到了改善,并可利用经验式推断达到某一声发射能量值时混凝土的破坏程度。
  • 图  1  橡胶掺量 20% 的三点弯曲试件断面

    Figure  1.  Cross section of three-point bending specimen with 20% rubber content

    图  2  荷载P-裂缝口张开位移dCMOD

    Figure  2.  Curves of force P and crack mouth opening displacement dCMOD

    图  3  荷载P-挠度δ

    Figure  3.  Curves of force P and deflection

    图  4  橡胶掺量对混凝土断裂韧度和有效裂缝长度的影响

    Figure  4.  Effect of rubber content on fracture toughness and effective crack length of concrete

    图  5  橡胶掺量对挠度和延性指数的影响

    Figure  5.  Effect of rubber content on deflection and ductility index

    图  6  橡胶掺量对声发射累积能量的影响

    Figure  6.  Cumulative energy of acoustic emission under different rubber contents

    图  7  声发射累积能量-断裂能曲线

    Figure  7.  Cumulative energy of acoustic emission-fracture energy

    图  8  不同橡胶掺量下断裂能-声发射累积能量

    Figure  8.  Fracture energy-acoustic emission cumulative energy at different rubber contents

    表  1  每立方米混凝土材料组成

    Table  1.   Material composition per cubic metre of concrete

    橡胶替代比例/%水泥/kg粉煤灰/kg硅灰/kg水/kg减水剂/kg橡胶+砂(总质量1 018 kg)石/kg
    0385139262007.5橡胶0+砂100%800
    10385139262007.5橡胶10%+砂90%800
    20385139262007.5橡胶20%+砂80%800
    30385139262007.5橡胶30%+砂70%800
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    表  2  橡胶混凝土断裂参数

    Table  2.   Fracture parameters of rubber concrete

    橡胶替代比例/%Pmax/kNE/GPaac/m${k_\beta } $${K}_{\mathrm{I}\mathrm{C} }^{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{i} }/(\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot {\mathrm{m} }^{\frac{1}{2}})$${K}_{\mathrm{I}\mathrm{C} }^{\mathrm{u}\mathrm{n} }/(\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot {\mathrm{m} }^{\frac{1}{2} })$${K}_{\mathrm{I}\mathrm{C} }/(\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot {\mathrm{m} }^{\frac{1}{2} })$
    0 6.932 38.81 0.038 0.991 0.312 1.925 0.869
    7.301 50.00 0.044 0.297 2.184 0.916
    7.160 48.01 0.046 0.304 2.179 0.898
    7.131* 45.60* 0.043* 0.304* 2.096* 0.894*
    10 6.084 30.22 0.042 0.991 0.274 1.770 0.763
    5.723 39.00 0.042 0.266 1.675 0.718
    5.780 42.24 0.040 0.235 1.636 0.725
    5.862* 37.15* 0.041* 0.258* 1.694* 0.735*
    20 4.889 24.81 0.041 0.991 0.188 1.417 0.613
    4.556 27.50 0.043 0.227 1.339 0.571
    4.965 30.98 0.041 0.257 1.432 0.623
    4.803* 27.76* 0.042* 0.224* 1.396* 0.602*
    30 4.321 25.15 0.045 0.991 0.185 1.31 0.542
    3.975 26.02 0.050 0.183 1.263 0.499
    4.284 30.66 0.048 0.173 1.335 0.537
    4.193* 27.27* 0.048* 0.180* 1.303* 0.526*
      注:带*的数值为对应组的平均值。
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    表  3  橡胶混凝土断裂能

    Table  3.   Fracture energy of rubber concrete

    橡胶替代
    比例/%
    试件重量/
    kN
    Pmax/
    kN
    δmax/
    mm
    断裂能/
    (N·m−1)
    延性指数/
    m−1
    0 0.088 2 6.932 0.508 147.8 0.018 8
    7.301 0.479 171.8 0.023 5
    7.160 0.625 209.9 0.029 3
    7.131* 0.537* 176.6* 0.023 9*
    10 0.087 2 6.084 0.645 185.8 0.035 7
    5.723 0.430 131.3 0.025 2
    5.780 0.456 125.3 0.024 7
    5.862* 0.510* 147.5* 0.028 5*
    20 0.853 0 4.889 0.553 131.4 0.031 2
    4.556 0.621 117.9 0.031 3
    4.965 0.522 121.8 0.029 0
    4.803* 0.562* 123.7* 0.030 5*
    30 0.081 3 4.321 0.569 115.9 0.031 8
    3.975 0.696 129.3 0.040 0
    4.284 0.544 104.2 0.029 4
    4.193* 0.603* 143.3* 0.033 7*
      注:带*的数值为对应组的平均值。
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  • [1] HAN Q H, YANG G, XU J. Experimental study on the relationship between acoustic emission energy and fracture energy of crumb rubber concrete[J]. Structural Control & Health Monitoring, 2018, 25(10): e2240.
    [2] KHALIL E, ABD-ELMOHSEN M, ANWAR A M. Impact resistance of rubberized self-compacting concrete[J]. Water Science, 2015, 29(1): 45-53. doi:  10.1016/j.wsj.2014.12.002
    [3] 马一平, 刘晓勇, 谈至明, 等. 改性橡胶混凝土的物理力学性能[J]. 建筑材料学报,2009,12(4):379-383. (MA Yiping, LIU Xiaoyong, TAN Zhiming, et al. Research on physical and mechanical properties of cement concrete mixed with modified rubber particles[J]. Journal of Building Materials, 2009, 12(4): 379-383. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-9629.2009.04.001
    [4] YUNG W H, YUNG L C, HUA L H. A study of the durability properties of waste tire rubber applied to self-compacting concrete[J]. Construction and Building Materials, 2013, 41: 665-672. doi:  10.1016/j.conbuildmat.2012.11.019
    [5] 曹国瑞, 王娟, 卿龙邦, 等. 橡胶混凝土断裂性能试验研究[J]. 土木建筑与环境工程,2018,40(6):91-97. (CAO Guorui, WANG Juan, QING Longbang, et al. Experimental study on the fracture characteristics of crumb rubber concrete[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2018, 40(6): 91-97. (in Chinese)
    [6] 罗素蓉, 陈伟妹, 王雪芳. 橡胶自密实混凝土断裂性能试验研究[J]. 水利学报,2015,46(2):217-222. (LUO Surong, CHEN Weimei, WANG Xuefang. Fracture properties of rubberized self-compacting concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2015, 46(2): 217-222. (in Chinese)
    [7] WANG C, ZHANG Y M, MA A B. Investigation into the fatigue damage process of rubberized concrete and plain concrete by AE analysis[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2011, 23(7): 953-960. doi:  10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000257
    [8] CARPINTERI A, LACIDOGNA G, PUZZI S. From criticality to final collapse: evolution of the “b-value” from 1.5 to 1.0[J]. Chaos, Solitons & Fractals, 2009, 41(2): 843-853.
    [9] LANDIS E N, BAILLON L. Experiments to relate acoustic emission energy to fracture energy of concrete[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2002, 128(6): 698-702. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9399(2002)128:6(698)
    [10] XU J, FU Z W, HAN Q H, et al. Fracture monitoring and damage pattern recognition for carbon nanotube-crumb rubber mortar using acoustic emission techniques[J]. Structural Control & Health Monitoring, 2019, 26(10): e2422.
    [11] JENQ Y, SHAH S P. Two parameter fracture model for concrete[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1985, 111(10): 1227-1241. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9399(1985)111:10(1227)
    [12] BAŽANT Z P, KAZEMI M T. Determination of fracture energy, process zone longth and brittleness number from size effect, with application to rock and conerete[J]. International Journal of Fracture, 1990, 44(2): 111-131. doi:  10.1007/BF00047063
    [13] HILLERBORG A, MODÉER M, PETERSSON P E. Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements[J]. Cement and Concrete Research, 1976, 6(6): 773-781. doi:  10.1016/0008-8846(76)90007-7
    [14] 徐世烺, 赵艳华, 吴智敏, 等. 楔入劈拉法研究混凝土断裂能[J]. 水力发电学报,2003(4):15-22. (XU Shilang, ZHAO Yanhua, WU Zhimin, et al. The experimental study on the fracture energy of concrete using wedge splitting specimens[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2003(4): 15-22. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1003-1243.2003.04.003
    [15] 赵艳华, 徐世烺, 吴智敏. 混凝土结构裂缝扩展的双G准则[J]. 土木工程学报,2004,37(10):13-18, 51, 91. (ZHAO Yanhua, XU Shilang, WU Zhimin. A dual-G criterion for crack propagation in concrete structures[J]. China Civil Engineering Journal, 2004, 37(10): 13-18, 51, 91. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-131X.2004.10.002
    [16] CARPINTERI A, LACIDOGNA G, CORRADO M, et al. Cracking and crackling in concrete-like materials: a dynamic energy balance[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2016, 155: 130-144. doi:  10.1016/j.engfracmech.2016.01.013
    [17] 马海峰, 袁江, 韩云阁, 等. 废旧橡胶改性水泥基材料的研究进展[J]. 混凝土与水泥制品,2012(3):71-75. (MA Haifeng, YUAN Jiang, HAN Yunge, et al. Research development of cement-based materials containing scrap rubber[J]. China Concerete and Cement Products, 2012(3): 71-75. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-4637.2012.03.019
    [18] 杨春峰, 杨敏, 叶文超. 改性方式对橡胶混凝土力学性能的影响[J]. 沈阳大学学报(自然科学版),2012,24(3):78-81. (YANG Chunfeng, YANG Min, YE Wenchao. Influence of modification to mechanical properties of waste rubber concrete[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2012, 24(3): 78-81. (in Chinese)
    [19] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 水工混凝土断裂试验规程: DL/T 5332―2005[S]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

    National Development and Reform Commission. Norm for fracture test of hydraulic concrete: DL/T 5332―2005[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2006. (in Chinese)
    [20] GUINEA G V, PASTOR J Y, PLANAS J, et al. Stress intensity factor, compliance and CMOD for a general three-point-bend beam[J]. International Journal of Fracture, 1998, 89(2): 103-116. doi:  10.1023/A:1007498132504
    [21] RILEM. FMC 1 Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three-point bend tests on notched beams[J]. Materials and Structures, 1985, 18: 287-290. doi:  https://doi.org/10.1007/BF02472918
    [22] SAGAR R V, PRASAD B K R. A review of recent developments in parametric based acoustic emission techniques applied to concrete structures[J]. Nondestructive Testing and Evaluation, 2012, 27(1): 47-68. doi:  10.1080/10589759.2011.589029
    [23] 范向前, 胡少伟, 陆俊. 基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象[J]. 水利水运工程学报,2014(3):26-31. (FAN Xiangqian, HU Shaowei, LU Jun. Experimental analysis of abnormal phenomena in concrete fracture process based on acoustic emission signals characterization[J]. Hydro-Science and Engineering, 2014(3): 26-31. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2014.03.004
    [24] 胡少伟, 陆俊, 范向前. 混凝土断裂试验中的声发射特性研究[J]. 水力发电学报,2011,30(6):16-19, 29. (HU Shaowei, LU Jun, FAN Xiangqian. Study on acoustic emission technique for normal concrete fracture test[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2011, 30(6): 16-19, 29. (in Chinese)
    [25] LU Y Y, LI Z J. Study of the relationship between concrete fracture energy and AE signal energy under uniaxial compression[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(5): 538-547. doi:  10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000418
    [26] LACIDOGNA G, PIANA G, CARPINTERI A. Acoustic emission and modal frequency variation in concrete specimens under four-point bending[J]. Applied Sciences, 2017, 7(4): 339. doi:  10.3390/app7040339
  • [1] 胡浩然, 周海孝, 张玉柱, 李冬冬, 张宸.  大型船闸开挖预裂爆破累积损伤特性及隔振效果分析 . 水利水运工程学报, 2023, (1): 104-111. doi: 10.12170/20211118003
    [2] 胡少伟, 娄本星, 尹阳阳, 叶宇霄.  蒸养混凝土早期断裂性能研究 . 水利水运工程学报, 2020, (4): 88-95. doi: 10.12170/20191226004
    [3] 巩妮娜, 胡少伟, 范向前, 蔡小宁.  配筋率对混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂过程声发射特征的影响 . 水利水运工程学报, 2020, (6): 55-63. doi: 10.12170/20191225002
    [4] 王思瑶, 胡少伟.  内部裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响 . 水利水运工程学报, 2020, (5): 96-102. doi: 10.12170/20190923001
    [5] 胡钰泉, 胡少伟, 黄逸群.  带裂缝混凝土轴拉力学性能及Kaiser效应试验研究 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 67-75. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.009
    [6] 姚吉康, 王志亮, 何爱林, 郝士云.  循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征 . 水利水运工程学报, 2018, (2): 74-81. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.010
    [7] 胡少伟, 王阳.  不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验 . 水利水运工程学报, 2018, (2): 90-96. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.012
    [8] 王孝政, 彭刚, 罗曦, 肖杰.  混凝土单轴循环加卸载试验及声发射特性 . 水利水运工程学报, 2016, (4): 92-97.
    [9] 胡少伟, 米正祥.  钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程模拟 . 水利水运工程学报, 2015, (3): 9-17.
    [10] 胡骏峰.  击实黏土剪切断裂韧度的试验研究 . 水利水运工程学报, 2015, (4): 56-60.
    [11] 范向前, 胡少伟, 陆俊.  基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象 . 水利水运工程学报, 2014, (3): 26-31.
    [12] 陆银军,曹邱林,张扬,陈蕾,马永法.  泵站进水流道混凝土施工期温控防裂研究 . 水利水运工程学报, 2012, (6): 71-74.
    [13] 张燕迟,欧阳幼玲.  利用真空脱水工艺提高水工混凝土抗裂性 . 水利水运工程学报, 2012, (3): 32-36.
    [14] 邓文杰,王俊杰,张慧萍.  土体Ⅱ型断裂韧度测试方法研究 . 水利水运工程学报, 2012, (3): 64-69.
    [15] 郑丹,李文伟.  不同级配混凝土拉压多轴强度的断裂力学分析 . 水利水运工程学报, 2010, (4): -.
    [16] 柯敏勇,屠清奎,刘海祥,叶小强,龙志勇.  某水闸交通桥断裂和破损成因分析 . 水利水运工程学报, 2009, (3): -.
    [17] 欧阳幼玲,陈迅捷,方璟,张燕驰.  纤维增强水泥复合材料断裂韧性研究 . 水利水运工程学报, 2006, (2): 56-59.
    [18] 2001—结构断裂与修补国际会议 . 水利水运工程学报, 2000, (2): -.
    [19] 鹿立云,胡玉初.  青岛港八号码头空心方块断裂缝水下修补试验研究 . 水利水运工程学报, 1998, (1): 9-18.
    [20] 张国新,刘光廷.  含有绝热裂缝的有限自由板在稳定温度场作用下的断裂分析 . 水利水运工程学报, 1989, (1): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-11
  • 网络出版日期:  2021-05-10
  • 刊出日期:  2021-06-15

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