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道桥毕业设计外文翻译

再生橡胶颗粒改性混凝土的疲劳性能以及其在刚性路面的设计重的影响

作者：

F.Herna´ndez-Olivaresa,*,G.Barluengab,B.Parga-Landac,M.Bollatid,B.Witoszeke

译文来源：

ConstructionandBuildingMaterials

摘要：

本文展示了弯曲疲劳试验结果，把填充了不同体积分数（0%，3.5%和5%）橡胶的再生橡胶颗粒改性混凝土做成棱柱形样本，使其暴露在位于马德里（西班牙）的自然环境中长达一年的时间。

在这些实验结果中，众所周知的基于Westergaard的经典方程分析模型，被开发用于计算刚性路面在高交通密度下的最小再生橡胶颗粒改性混凝土厚度，为了获得刚性路面在轴载为13吨（127kN）下经历

次循环的耐久性。

在本次调查中，刚性路面设计路基反应模量的任意值都已被考虑其中。

关键词：

机械性能疲劳再生橡胶颗粒改性混凝土刚性路面

1.前言

近年来，由于其良好的性能，并作为回收轮胎的替代品，再生橡胶颗粒改性混凝土成为了关注的热点。

这种新材料在静态和动态行为下提供了良好的机械性能并且正在应用于路面。

在过去的一项研究中，由粉碎的旧轮胎组成的再生橡胶颗粒改性混凝土，其静态和动态力学行为和性能得到了评估。

本文的主要结论是根据最佳胶粉纤维含量，相容性和水泥–橡胶界面的稳定性、动态能量耗散和更好的阻尼能力以及混凝土橡胶复合材料刚度折减，在类似的混凝土样品的关系没有橡胶。

也有人提出其他的建筑和建筑应用中的用途。

此外，它已被实验证明，粉碎的轮胎橡胶的添加在已被提高其防火抵抗力的结构高强度混凝土楼板中，能够降低楼板受到攻击的剥落程度。

本文介绍了疲劳试验结果，用从90×60×5cm板切断的，类似于参考文献【2,3】中所描述的橡胶混凝土棱柱形作为样本，使其经历长达一年的时间暴露在位于马德里（西班牙）的自然环境中。

从这些实验结果中，基于Westergaard众所周知的理论在平板上的弹性地基机械分析，被开发用于计算刚性路面在高交通密度下的最小再生橡胶颗粒改性混凝土厚度。

为了获得刚性路面在轴载为13吨（127kN）下经历

次循环的耐久性，根据基于AASHTO测试而普遍建立设计规则。

【6】

该Westergaard分析先前已经被一些作者成功地应用，这些作者将其与有限元方法和从刚性混凝土路面AASTHO道路试验数据来对比。

【7】

这里提出的结果仅限于N=

个周期，因为这是实验室测试达到限制的极限条件。

常规和多孔的混凝土刚性路面的疲劳表现已被广泛研究，主要是在断裂力学分析【8-10】。

尽管如此，再生橡胶颗粒改性混凝土不能简单归类为一种多孔混凝土，主要是由于先前研究得出它的耗散和阻尼性能。

【2】

2.材料和样品制备

一个没有轮胎橡胶粉的普通的混凝土已经做好作为设置控制对照板，这种混凝土标记为“参考或素混凝土”的组成表1给出（每立方米混凝土）。

这些聚集体灰度是不连续的，以便获得在混凝土空隙的便于混合安排屑轮胎橡胶颗粒，并且也取得了良好的排水和吸音混凝土路面。

聚丙烯（PP）纤维（0.1％体积分数）被加入并混合，以减少新鲜混凝土的早期开裂由于塑性收缩。

后来，越来越多的体积分数（VF），从0%到13%，纤维状的废轮胎橡胶中加入新鲜的混凝土与基准混凝土配合比制作。

然而，弯曲疲劳试验仅由含0%，3.5%和5%体积分数的碎轮胎橡胶混凝土样本完成。

PP纤维和碎屑的主要物理性质橡胶轮胎已经在参考文献【4】展示过。

该文章还包含一个对橡胶水泥浆体界面进行的扫描电子显微分析（SEM），分析显示这些组件之间的兼容性好。

卡车轮胎橡胶标称性能总结于表2中。

表1

每立方米参考混凝土组成

水泥CEMI-42.5R360kg

粗骨料，12–18mm1103kg

沙子，3-6mm699kg

水（水灰比0.4）147kg

减水剂（Sikament500）7.20kg

缓凝外加剂（Bettoretard）1.07kg

聚丙烯纤维网（0.1%vol）900g

表2

某一卡车轮胎橡胶标称性能（afterWaddellandEvans[14]）

杨氏模量（硫化特性）

@100%1.97MPa

@300%10MPa

@500%22.36MPa

抗拉强度28.1MPa

断裂伸长率590%

回弹性

@23℃44%

@75℃55%

图1:

再生橡胶颗粒改性混凝土板（90×60×5

）置入模型中，下面有一小风扇（风速3.5m/s），Kraai试验中（见文中）温度和湿度的数据记录器被放置在板上。

混凝土板被放在实验室进行混凝土开裂的Kraai测试，由于塑料收缩，所描述的Balaguru和Shah在参考文献【11】中描述。

每个90×60×5立方厘米板在24小时后被脱模。

在从设定的开始板坯的前8个小时，到它自己的模具在风室的温度和湿度条件下经受风在其自由表面的流动（分别22℃和62％相对湿度）。

风速是在板坯自由表面位置的由一个校准的风速计测得的平均值为3.5米/秒。

板坯的表面温度和湿度连续记录（图1）。

脱模后，每个板被存储在实验室28天，在外部条件下存储为11个月。

5×5×25立方厘米的棱柱形样本就是从这些做成的板上被切断来进行弯曲疲劳测试。

3.弯曲疲劳试验和结果

弯曲疲劳试验是在CEDEX（道路路研究中心）实验室（西班牙）的液压伺服动态测试设备MTS810上进行（图2）。

5×5×25立方厘米的棱柱形样本是从Kraai测试板坯切断得来（其中，回收轮胎橡胶的体积分数分别为0％，3.5％和5％），这些板暴露在自然环境下风化一年。

图2CEDEX实验室的动态MTS810设备（马德里）被用于疲劳弯曲实验。

三点弯曲RRFC样本（3.5%体积分数橡胶混凝土）置于上面。

支承跨度：

20cm。

三点弯曲疲劳试验在负荷控制下完成，支撑跨度为20厘米，和频率为10Hz的荷载。

为了避免轴承和负载头附近的应力集中，3个金属工件由低碳钢（2×2平方厘米,2毫米厚）的中空管切割为

环氧粘结到样本为了帮助载荷传递，如图3所示。

该图还示出了通过完全裂解失败后的标本。

图3疲劳弯曲测试应变控制之前和之后的RRFC样本（5×5××25

）。

金属环氧保税空心管2×2

方形截面，用软钢制成厚度为2mm。

由于再生橡胶颗粒改性混凝土的刚性行为（对于高模量沥青混合物），一个控制荷载的程序被应用在了试验中。

负载头纵向位移可以测定，一个50毫米长度的MTS引伸被放置在检体的下侧可以记录寄存器横向应变（主体试样纵向尺寸）。

在各被测试样的完整裂化后，各疲劳测试试验立即停止。

回收轮胎橡胶的体积分数组成分别为（0％，3.5％和5％）的三个系列的10个混凝土试样进行弯曲测试。

对每个样品的下表面疲劳应变进行测定，并记录；每十加载循环分别记录弯曲强度和杨氏模量。

每个批次样品，所得结果如下。

3.1无再生轮胎橡胶混凝土试件（0％VF）

图4描绘了故障挠曲之间的关系强度和无橡胶粉混凝土标本的负荷周期的数目（普通混凝土）。

实验测量结果的分散在其他研究者所得到的类似数据中通常也是这样。

（参见【10】，例如Lee和巴尔在研究普通和纤维结果钢筋混凝土时收集的数据）。

任何情况下，线性回归曲线图被包括进图4，对应于以下公式：

（1）

如果这个疲劳规律是严格适用，那么可以得到，普通混凝土能够抵抗大小为4.2MPa的弯曲应力进行

次加载。

必须指出的是，公式

（1）不能代表所有被测标本的机械疲劳行为，由于实验结果的分散性，这些数据从测试同一块板上切下的不同样本的下弯曲应力得到。

因为这些原因，公式

（1）描述普通混凝土的的疲劳行为是错误的。

为了确保普通混凝土的弯曲疲劳强度，一个置信百分比必须引入。

在这里，建议考虑95％的置信百分比，以这样的方式假设下，对普通混凝土的新的疲劳规律如下（见图4）：

（2）

然后它可以被认为是，以95％的置信区间,普通混凝土在加载

次循环情况下的弯曲破坏应力是3.9MPa。

弯曲应力

（循环周期）

图4.失效弯曲应力和在三点弯曲在普通混凝土样本疲劳试验中获得载荷循环的数量之间的关系。

（无橡胶添加剂）。

连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

（循环周期）

图5.动态杨氏模量和在普通混凝土试件在弯曲疲劳试验获得的载荷周期数的关系（无橡胶添加剂）。

连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的上限。

类似的分析应用到杨氏模量测量的三点弯曲疲劳的无再生橡胶混凝土（素混凝土）试样的测试，其被收集在图5。

平均值保持不变，并且不依赖于加载的次数。

尽管如此，线性回归表现出了一个非常低的值

，其中显示了杨氏模量的对测试的不同试样的分散性。

因此，对于普通混凝土，这里建议不考虑杨模量E的线性回归方程，也就是说，

（3）

但是，下面的公式（4），其包括一个95％的置信区间：

（4）

由于加劲混凝土传输更大的弯拉应力。

因此，刚性路面设计中必须考虑普通混凝土的杨氏模量必须通过有95%置信区间的上限方程来定义。

该标准对应于最差情况。

必须注意到，该弯曲破坏应力值由95%置信区间的下限方程决定。

图6描绘了失效挠曲应变和从普通混凝土样本经过疲劳弯曲测试得到的负荷周期数之间的关系。

每一个最大应变值表示普通混凝土对应于负载次数的最大允许弯曲应变。

线性回归方程式如下：

（5）

另外，收集的数据的分散性，设计应变建议使用95％的为置信区间。

下面的等式表示最大弯曲应变与负载相应的循环数的下限（参照图6）：

（6）

根据这一标准，普通混凝土弯曲破坏应变为

次循环的负荷是169

。

弯曲应力

（循环周期）

图6.失效弯曲应变和弯曲的素混凝土试件的疲劳试验获得负载循环次数的关系（不

橡胶添加）.连续线是线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

3.2含有3.5%体积分数回收轮胎橡胶的混凝土试件

在上面的推理可以在这里重复用以研究橡胶混凝土试件的疲劳性能。

这个新批样品中获得的特定值只是在这里显示，省略各段中相似的部分。

图7描绘了RRFC标本（3.5％VF）破坏应力和弯曲疲劳试验中获得的周期数之间的关系。

连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

如对于参考具体结果，对于含有3.5%体积分数橡胶粉的再生轮胎橡胶颗粒混凝土的弯曲强度的疲劳规律能够用线性回归拟合的95％置信区间的下限方程式更好地描述。

（7）

根据这个公式，弯曲破坏应力为

次循环的负荷是3.8兆帕，这个值比用于无橡胶的素混凝土所获得的值稍低。

弯曲应力

（循环周期）

图7描绘了RRFC标本（3.5％VF）破坏应力和弯曲疲劳试验中获得的周期数之间的关系。

连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

图8描绘了从所获得的杨氏模量的结果，该结果从用含有3.5%体积分数回收橡胶的混凝土样本所做的疲劳弯曲实验获得。

另外，在杨氏模量考虑了刚性路面设计由线性回归拟合的95％置信区间的上限方程定义，如上所述

（8）

因此，杨氏模量为

次循环的负荷是27.4GPa。

该值和

在60℃下在压缩动态测试中获得的动态杨氏模量值吻合。

【4】

（循环周期）

图8描绘了RRFC标本（3.5％VF）动态杨氏模量和弯曲疲劳试验中获得的周期数之间的关系。

该连续线表示的线性回归和虚线示出了对于95％的置信区间的上限。

在疲劳测量的最大弯曲应变如图9所示，该结果从含有3.5%回收橡胶的混凝土样本的疲劳弯曲实验中测得。

这是考虑95％置信区间的下限方程，也就是说，公式如下：

（9）

根据这一标准，3.5％体积分数橡胶混凝土弯曲破坏应变

个周期负荷是146

def。

弯曲应力

（循环周期）

图9.失效张力应变和在上RRFC试样（3.5％VF）弯曲疲劳试验中获得的周期数之间的关系。

该连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

3.3含有5％体积分数再生轮胎橡胶粉混凝土试件

按照同样的方案的疲劳行为5％体积分数橡胶混凝土试件的介绍如下。

图10描绘的是含有3.5％体积分数再生轮胎橡胶粉混凝土试件疲劳弯曲应力测试结果。

相比普通混凝土和3.5％的橡胶混凝土的实验结果，含有5%橡胶粉的再生橡胶颗粒混凝土的弯曲强度的疲劳规律，使用线性回归拟合的95％置信区间的下限方程式更好地描述。

（10）

根据这个公式，弯曲破坏应力为

次循环的负荷是3.0兆帕，这个值比用于无橡胶的素混凝土（3.9MPa）和含有3.5%体积分数橡胶粉的再生橡胶颗粒混凝土（3.8MPa）所获得的值低得多。

弯曲应力

（循环周期）

图10.失效张力应力和RRFC试样（5％VF）在弯曲疲劳试验中获得的周期数之间的关系。

该连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

图11描绘了从所获得的杨氏模量的结果，该结果从用含有5%体积分数回收橡胶的混凝土样本所做的疲劳弯曲实验获得。

另外，杨氏模量考虑了刚性路面设计也由线性回归拟合的95％置信区间的上限方程定义

（11）

因此，杨氏模量为

次循环的负荷是21.6GPa。

该值显然低于

任何温度下在压缩动态测试中获得的动态杨氏模量值。

【4】

正如在图8中针对3.5%体积分数橡胶混凝土所描述的，杨氏模量增加伴随着加载次数增加。

图5,8还有11之间的比较表明，填充橡胶粒的混凝土在反复荷载作用下刚度增加。

参照混凝土（图5）也表明其刚度在反复荷载作用下没有增加。

（循环周期）

图11动态杨氏模量（E）在三点弯曲疲劳试验上用RRFC标本（5％VF）获得的周期数之间的关系。

连续线表示的线性回归和虚线示出了对于95％的置信区间的上限。

图12描绘出5%橡胶粉混凝土样本在疲劳弯曲试验中的最大弯曲应变。

它已被也被认为是95％置信区间的下限方程，即下面的等式：

（12）

根据这一标准，5％体积分数橡胶混凝土弯曲破坏应变

个周期负荷是155

def。

弯曲应力

（循环周期）

图12.失效应变和在RRFC标本（5％VF）的弯曲疲劳试验中获得的与周期数之间的关系。

该连续线表示的线性回归而虚线示出了对于95％的置信区间的下限。

4.对刚性路面设计的影响

为了确定再生橡胶颗粒改性混凝土对刚性路面设计的影响，由13吨的卡车（127kN）的简单轴产生的最大拉应力进行评价，考虑到最不利载荷位置。

刚性路面简化为一个弹性地基板，从从50至150兆帕/米中取几个值作为地基的弹性反应的弹性模量。

根据Westergaard方法，7巴（0.7兆帕）的轮胎压力被用来评估混凝土板上加载圆的半径。

比较加载点，该Westergaard理论公式[5]评估了该加载配置在混凝土路面板上产生的最大压应力

。

三种不同的情况下，可以被探讨[12]：

情况Ⅰ：

在板的中心加载

（13）

情况Ⅱ：

在板的边缘加载

（14）

情况Ⅲ：

在板的端点加载

（15）

其中，W是所施加的荷载，t是混凝土板的厚度，m的混凝土泊松比，

为特色长度，

是轮胎和路面之间的接触半径。

能用公式计算：

（16）

其中k是路基反应的模量，E是混凝土的杨氏模量，t是混凝土板厚度，m是混凝土泊松比。

可以从施加载荷W和轮胎压力来获得，

使用下一方程得到

（17）

但是，当考虑到aconcreterigidpavementmad，正如再生颗粒橡胶混凝土描述，

可以通过R来取代，通过下式：

（18）

由于前面的方程的结果，并根据与疲劳性能测试结果，关于不同厚度和不同地基弹性模量的再生橡胶颗粒混凝土板的最大拉应力的系统计算可以运行。

再生橡胶颗粒混凝土的最大张拉应力对应于上述情况Ⅱ（在板的边缘加载）。

因此，对应于情况Ⅱ系统计算的结果列在图13，对于含有三种体积分数橡胶颗粒和三个地基弹性模量值得再生橡胶颗粒混凝土已经被考虑进去。

图13描述了混凝土板的边缘上的最大拉应力（Westergaard方程，情况Ⅱ）和不同体积分数（0%，3.5%和5%）橡胶板的厚度还有不同地基弹性模量（分别为K=50，100和150MPa/m）之间的关系，上述结果对应于127kN的加载。

图13表明，路基反应模量对于最大张拉应力所需的板厚度有巨大影响。

路基反应的模量越低，就可以承受越大的张应力。

这个特点和再生橡胶颗粒混凝土的刚性行为一致。

弯曲应力

板厚（cm）

图13.混凝土板的边缘上的最大拉应力（Westergaard方程，情况Ⅱ）和不同体积分数（0%，3.5%和5%）橡胶板的厚度还有不同地基弹性模量（分别为K=50，100和150MPa/m）之间的关系，上述结果对应于127kN的加载。

还观察到橡胶颗粒每一体积分数的张拉应力和杨氏模量具有依赖性。

相同地基反映模量和板的厚度情况下，3.5%体积分数橡胶颗粒的再生橡胶颗粒混凝土有最大的张拉应力。

此值稍微高于参照混凝土的值。

有一点必须考虑进去，Westergaard方程中的杨氏模量必须对应于

次加载周期。

再生橡胶颗粒混凝土（3.5%体积分数）显示出了刚度增加的趋势（图8），这使得它对应于

加载周期的杨氏模量高于参照混凝土对应于

加载周期的杨氏模量，这一结果体现在图5中。

根据疲劳试验结果和研究分析得出，上述关系可以用来计算再生橡胶颗粒混凝土厚度的计算，作为路基反应模量的函数，对于13吨简单的轴重进行

加载。

对于不同交通量的道路，几年后的当量耐久性也可以计算出来。

4.1设计应用的例子。

应用于一个橡胶填充混凝土刚性路面。

板厚度应定义为保证最大拉应力不超过290MPa，最大值在下述情况下获得：

5%橡胶颗粒再生橡胶颗粒混凝土，在地基反应模量为150MPa/m弹性地基板上，有95%的置信度，一个13吨简单的轴重进行

加载所进行的弯曲疲劳实验。

从图13中可以看到，对于5%橡胶颗粒再生橡胶颗粒混凝土和150MPa/m的地基反应模量可以的到一个很好的拟合曲线（

）

（19）24.3厘米的路面板厚度从数据和上述方程中得到。

对于3.5%体积分数橡胶颗粒的再生橡胶颗粒混凝土，在地基反应模量为150MPa/m的弹性地基上，这种刚性路面的这种问题同样可以解决。

在这情况下，有95%的置信度，一个13吨简单的轴重进行

加载所进行的弯曲疲劳实验得到的最大张拉应力为3.8MPa。

另外，从图13我们能够得到一个关于最大张拉应力和路面厚度很好的拟合关系（

），这个关系的条件是，3.5%橡胶粉的再生橡胶颗粒混凝土和150MPa/m地基反应模量。

（20）

现在，路面板的厚度得到了，是21.1cm。

从设计的观点来看，含有3.5%体积分数再生橡胶的再生橡胶颗粒混凝土的疲劳表现优于含有5%体积分数再生橡胶的再生橡胶颗粒混凝土。

相同条件下板的厚度要薄3cm。

从图13中得到的更好的拟合关系（

），在最大张拉力，参考混凝土厚度，150MPa/m地基反应模量下是

（21）

对于在4.0MPa最大的疲劳张拉应力（一个13吨简单的轴重的加载

周期）的路面板获得厚度是19.9cm。

从设计的角度来看，

这个值意味着减少只有1厘米厚度，对于再生橡胶颗粒混凝土含有3.5％体积分数回收橡胶。

图14描绘了这个例子设计的结果。

混凝土板厚度（cm）

再生橡胶体积分数（%）

图14.含有不同体积分数再生橡胶的混凝土板厚度设计值，相对于N=

的负载周期设计值（13吨简单轴重）。

地基反应模量：

150MPa/m.

5.结论

本文针对道路建设的刚性路面设计提出的方法是基于实验室测试和分析计算得到的实验结果，根据Westergaard应用于弹性地基板的方程，thatherearerecovery。

这已经显示出这是一个强大的设计工具。

基于再生橡胶颗粒混凝土在疲劳加载下的实验结果以及本文提出的研究分析表明：

用这种以复合材料为基础的混凝土作为刚性路面上弹性地基道路是可行的。

疲劳试验结果的分散性在混凝土实验室测试中是常见的，但这种分散性在分析计算混凝土路面的强度和刚度时候通过95%置信度解决了。

疲劳加载的刚度增加意味着3.5%和5%体积分数橡胶颗粒混凝土楼板厚度的稍微增加。

然而，它可以通过使用轮胎的回收利用来的到补偿，这种固体废物的成本低和橡胶混凝土复合物的有更好的阻尼能力。

致谢

笔者要感谢CEDEX的道路实验室（西班牙）的J.Garcı'a在进行疲劳测试时给予的合作。

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