等幅往复荷载下PP塑料骨料混凝土断裂性能研究

Fracture Performance Study of Polypropylene Plastic Particle Concrete Under Constant Amplitude Cyclic Loading

摘要

为了研究疲劳荷载下掺塑料骨料混凝土弯曲断裂性能，制备不同掺量的聚丙烯（PP）塑料颗粒的混凝土试件，进行一系列等幅循环荷载下PP塑料混凝土预制缺口梁断裂行为试验，分析掺入不同掺量PP塑料对混凝土断裂疲劳损伤、断裂韧度及断裂能的影响。结果表明：混凝土主要力学指标随着PP掺量的增加而下降，与素混凝土相比，PP质量分数为10%、20%和30%试件的峰值荷载分别下降17.6%、32.5%和52.8%，抗弯强度分别下降18.0%、32.3%和52.5%，弹性模量分别下降22.4%、42.3%和59.8%；与普通混凝土相似，PP颗粒混凝土的疲劳损伤和最大裂缝长度曲线均呈典型三阶段特征，而后者疲劳断裂损伤的速率更缓慢；随着PP掺量的增加，混凝土断裂能和延性指数增加，起裂韧度和失稳韧度降低，与素混凝土相比，PP质量分数为10%、20%和30%的试件起裂断裂韧度分别降低29.4%、60.8%和76.5%，失稳断裂韧度分别降低22.1%、51.6%和70.5%。

Abstract

To study the bending and fracture properties of concrete with plastic aggregate under fatigue loading, concrete specimens with different dosages of polypropylene (PP) plastic particles were prepared. A series of tests were conducted on the fracture behavior of precast notched beams of PP plastic concrete under constant amplitude cyclic loading, and the effects of adding different dosages of PP plastic on the fracture fatigue damage, fracture toughness, and fracture energy of concrete were analyzed. The results showed that the main mechanical indicators of concrete decreased with the increase of PP content. Compared with plain concrete, the peak load of specimens with PP mass fractions of 10%, 20% and 30% decreased by 17.6%, 32.5% and 52.8%, respectively. The flexural strength decreased by 18.0%, 32.3% and 52.5%, respectively. The elastic modulus decreased by 22.4%, 42.3% and 59.8%, respectively. Similar to ordinary concrete, the fatigue damage and maximum crack length curve of PP particle concrete exhibit typical three-stage characteristics, while the latter has a slower rate of fatigue fracture damage. With the increase of PP content, the fracture energy and ductility index of concrete increase, while the initiation toughness and instability toughness decrease. Compared with plain concrete, specimens with PP mass fractions of 10%, 20% and 30% decrease the initiation fracture toughness by 29.4%, 60.8% and 76.5%, respectively, and the instability fracture toughness by 22.1%, 51.6% and 70.5%, respectively.

Graphical abstract

关键词

PP塑料 / 混凝土 / 三点弯曲试验 / 断裂韧度 / 断裂能

Key words

PP plastic / Concrete / Three point bending test / Fracture toughness / Fracture energy

塑料制品具有可塑性高、耐磨性高、抗冲击性强、质轻和价格低廉等优点，在工业及工程建设等领域得到极为广泛的应用^[1-2]。废弃塑料的体量极为庞大，若直接丢弃，将形成白色固体废弃物；若处置不当，同样会造成严重的环境问题^[3]。废弃塑料再利用已然成为热门研究课题。将废弃塑料进行粉碎处理，用其部分取代天然细骨料，能够制备新型混凝土材料。国内外研究者对掺入不同类型、不同掺量的塑料颗粒对混凝土性能的影响进行了较为全面的研究^[4-9]，得到的主要结论基本一致。即掺入塑料颗粒后，混凝土的抗压抗折强度、弹性模量和断裂行为等基本力学性能下降，但塑性变形能力、耐冲击性、弯曲延性、抗冻融性及抗疲劳损伤等性能增强。断裂行为在揭示混凝土材料弯拉破坏方面具有十分重要的意义。然而，目前有关塑料颗粒混凝土断裂行为的研究多采用静态加载模式^[10-11]。混凝土结构在长期的服役寿命中不可避免遭受地震等动荷载作用^[12]，因此有必要探究塑料颗粒混凝土在循环弯曲荷载下的疲劳断裂特性。为此，本文以聚丙烯(PP)塑料混凝土为研究对象，开展一系列疲劳断裂试验，探讨不同PP掺量对其力学特性、疲劳损伤、断裂能及断裂韧度的影响，研究成果可为推广PP塑料混凝土在结构构件中的工程应用提供试验支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

普通硅酸盐水泥，P·O 42.5，郑州郑金建材有限公司；粉煤灰，ⅠⅠ级，武汉武钢粉煤灰制品有限公司；粗骨料采用经筛分后的天然碎石，级配连续，河南煜岩环保科技有限公司；细骨料采用天然河砂，细度模数为2.75，河南煜岩环保科技有限公司；PP颗粒，回收改性PP塑料制品。

1.2 仪器与设备

液压伺服试验机，MU3001A，上海松顿仪器制造有限公司；夹式引伸计，YYJ-5，济南利美机电科技有限公司。

1.3 样品制备

将回收改性PP塑料制品采用机械破碎的方式加工成粒径在5~10 mm的小颗粒，随后经碱液漂洗干净。共设置4组不同掺量PP混凝土试件，即分别以质量分数为0、10%、20%及30%的PP颗粒替代等质量的细骨料河砂，其中PP掺量为0的试件即为素混凝土试件，作为参照组。采用高效聚羧基系减水剂，其减水率可达30%。表1为混凝土配方。

1.4 性能测试与表征

浇筑好不同PP掺量的混凝土试件，经标准养护28 d后，在液压伺服试验机上开展三点弯曲试验，如图1所示。试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm的长方体试件，中间预制一缺口，支座间距s为300 mm，切口深度a₀为30 mm。弯曲加载模式分为静态加载和疲劳加载，前者的加载速率为0.001 mm/s，后者采用2 Hz的正弦波，应力水平S=0.8，应力比为R=0.1。应力水平和应力比的计算公式分别为：

S=\frac{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{f_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}(1)

R=\frac{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}(2)

式(1)~式(2)中：S为应力水平；σ_max为循环荷载最大应力，Pa；R为应力比；σ_min为循环荷载最小应力，Pa；f_max为立方体抗压强度，Pa。荷载大小采用力传感器测得，裂缝张开位移采用夹式引伸计测得。

2 结果与讨论

2.1 静载试验分析

表2为不同PP掺量混凝土试件的峰值荷载、抗弯强度及弹性模量。从表2可以看出，随着PP掺量的增加，试件力学性能参数均下降。具体来看，与不掺PP的素混凝土试件相比，PP质量分数为10%、20%和30%试件的峰值荷载分别下降17.6%、32.5%和52.8%，抗弯强度分别下降18.0%、32.3%和52.5%，弹性模量分别下降22.4%、42.3%和59.8%。这是由于PP塑料颗粒憎水性和水泥浆体不兼容，导致水化程度低，塑料-浆体与塑料-骨料界面黏结性差，且容易滋生裂缝，导致基体对PP颗粒的咬合作用减弱。在弯曲荷载下，微裂缝不断发生串联、扩展；同时，与天然砂相比，PP颗粒刚度和强度更低，导致混凝土试件整体强度下降。此外，由于PP在混凝土中随机分布，其力学性能存在较大的离散性，因而测试参数的标准差较大，这表明加入PP颗粒后加剧了试件的不均匀性。

2.2 疲劳结果分析

2.2.1 最大裂缝和疲劳损伤

疲劳损伤是指在循环荷载下，混凝土内部微裂纹等缺陷不断产生和扩展，从而使其力学性能逐渐衰退^[13]。通常还可采用应力应变、力学强度、能量耗散及裂纹长度等物理参数来表征混凝土的疲劳累积损伤，其中最大裂纹长度是衡量混凝土材料断裂损伤最为直观的参数^[14-16]。图2为裂缝长度和损伤变量随疲劳进程的演化规律。从图2可以看出，随着疲劳加载次数的增加，最大裂缝长度和疲劳损伤曲线均呈现“三阶段”发展特征，曲线形态成倒S型。第一阶段，即循环荷载初期，试件的最大裂缝长度和损伤变量迅速增长。这一阶段，在疲劳荷载下混凝土内部萌生大量微裂，但仅处于局部范围，尤其是界面过渡区和既有孔洞等瑕疵区，裂纹彼此之间并未发生关系。第二阶段，即稳定发展期，最大裂缝长度和损伤变量平稳发展，此时裂纹间不断发生扩展、串联，但裂缝几何尺度仍处于局部微观层面，并未演化为宏观层面。第三阶段，最大裂缝长度和损伤变量出现骤然增大的趋势，直至试件疲劳破坏失效，此时混凝土由于疲劳损伤逐渐累积，裂缝不断扩展、张裂，最终由微观裂纹演化为宏观主裂缝，试件发生断裂破坏。

对比可知，掺入PP颗粒的混凝土试件疲劳损伤速率明显减缓，即PP颗粒缓解了混凝土疲劳损伤。这主要是因为PP颗粒的柔韧性较强，在断裂受拉作用下，能够发挥一定的桥连效应^[17]，从而控制裂纹的扩展速度，小幅增强混凝土塑性变形能力。更为重要的是，与具有棱角的天然骨料不同，PP颗粒多为类球形，在疲劳荷载下PP颗粒周围不易产生尖端应力^[18]，因而可有效地缓解应力集中现象，使疲劳裂缝和断裂损伤均得到有效控制。从粒径级配角度分析，PP颗粒的粒径在3.0~6.0 mm，而天然细骨料和粗骨料粒径范围分别为0.3~2.0 mm和5.0~16.0 mm。可见，PP颗粒粒径正好介于粗、细骨料之间，能够使混凝土级配更加合理，掺入PP颗粒可有效地填充粗骨料与粗骨料之间的大空隙^[19]，优化混凝土孔结构分布，增大混凝土结构密实性，从而在一定程度上增强混凝土的抗断裂性和抗疲劳损伤能力。

2.2.2 断裂能和延性指数

断裂能是指弯曲荷载下混凝土裂缝萌生及扩展过程中单位断裂面积上外力所做的功，假定外力所做功全部用于混凝土断裂行为。一般在非线性断裂行为中，断裂能可定量表征混凝土抵抗断裂破坏的能力；而对于线性断裂行为，则采用延性指数进行描述。考虑到混凝土材料断裂行为兼具线性及非线性特性，因而采用延性指数和断裂能共同进行表征，能够更加准确可靠地评价混凝土断裂行为特征。在荷载-挠度曲线中，延性指数可通过断裂能与峰值荷载的比值进行计算。混凝土脆性越大，其延性指数越小。图3为断裂能和延性指数随疲劳进程的变化曲线。

从图3可以看出，随着疲劳加载次数的增加，不同混凝土试件的断裂能和延性指数均呈近似线性增长趋势。而随着PP颗粒掺量的增加，混凝土断裂能和延性指数也逐渐增加。当发生疲劳破坏时，与素混凝土相比，PP颗粒质量分数为10%、20%和30%的混凝土试件断裂能分别增长940%、1 480%和2 550%，而延性指数分别增长5.1%、8.9%和18.3%。结合表2，当掺入PP颗粒后，虽然在断裂荷载下试件峰值荷载下降，但最大挠度增加，导致荷载-挠度曲线所围的面积更大，因而断裂能更大，吸收能量和抗裂性增强。素混凝土在疲劳断裂荷载下发生脆性破坏而失效，而PP颗粒混凝土由于延性增强，在发生疲劳断裂累积损伤后仍具备继续承载的能力，破坏模式演化为塑性破坏。这主要是因为在循环荷载下，随机分布的PP颗粒发挥类似短切纤维的桥接和阻裂增韧作用，抑制微裂缝滋生、发育和扩展，一定程度上提高了混凝土抗变形能力和延性^[20-23]；同时，PP颗粒作为微小弹性体，如受力储能的小弹簧^[24]，在疲劳荷载下可有效吸收和耗散外部输入的机械能，从而增强抗疲劳，断裂韧性。此外，PP颗粒作为柔性材料，在疲劳压载下，压缩变形大于水泥基体或天然骨料，从而能够腾出额外空间促进内部应力调整和重分布，从而大幅缓解应力集中现象^[25-27]，有效抑制疲劳荷载下裂纹萌生及扩展，增强混凝土抗裂性及耗能能力。

2.2.3 断裂韧度

断裂韧度用以表征弯曲荷载下混凝土材料承受应力场强度的能力。当应力水平一定时，断裂韧度越大，裂缝萌生发育速率越慢，裂缝扩展受到的阻碍作用也越大。根据断裂行为特征，断裂韧度分为起裂韧度和失稳韧度。图4为断裂韧度随PP质量分数的变化。

从图4可以看出，随着PP塑料掺量的增加，混凝土试件起裂韧度和失稳韧度均随之降低。与素混凝土试件相比，当PP质量分数为10%，起裂断裂韧度降低29.4%，失稳断裂韧度降低22.1%；当PP质量分数为20%，起裂断裂韧度降低60.8%，失稳断裂韧度降低51.6%；当PP质量分数为30%，起裂断裂韧度降低76.5%，失稳断裂韧度降低70.5%。这是由于PP颗粒的强度和刚度均远小于天然骨料河砂，掺入PP颗粒势必削弱了以砂石为骨架的混凝土承载能力。掺入PP颗粒可填充一部分孔径相当的既有孔隙等原始缺陷，在一定程度增强混凝土致密性，同时还起到类似短切纤维的作用，抑制疲劳荷载下内部裂缝的萌生与扩展；但PP材料与水泥浆体兼容性差，导致二者界面过渡区薄弱，且水化反应不彻底，水化产物较少，PP颗粒周围基体疏松，孔隙率较大，因而基体对PP颗粒的黏结性和咬合性较差而易被拔出，且PP塑料憎水性极强，在掺入过程中充当了引气剂的作用，将大量空气引入拌和物中，直接导致混凝土含气量增加，进而引发混凝土内部形成更多微孔洞等初始缺陷，使其密实度和力学性能下降，承受的峰值荷载降低。

3 结论

混凝土主要力学指标随着PP掺量的增加而下降，与素混凝土相比，PP质量分数为10%、20%和30%试件的峰值荷载分别下降17.6%、32.5%和52.8%，抗弯强度分别下降18.0%、32.3%和52.5%，弹性模量分别下降22.4%、42.3%和59.8%。混凝土疲劳损伤曲线随循环加载次数的增加呈现倒S型形态，掺入PP颗粒后，混凝土疲劳损伤速率明显减缓。随着PP掺量的增加，混凝土断裂能和延性指数均增加，与素混凝土相比，PP颗粒质量分数为10%、20%和30%的试件断裂能增长940%、1 480%和2 550%，延性指数分别增长5.1%、8.9%和18.3%。混凝土起裂韧度和失稳韧度均随PP掺量增大而降低，与素混凝土相比，PP质量分数为10%、20%和30%的试件，起裂断裂韧度分别降低29.4%、60.8%和76.5%，失稳断裂韧度分别降低22.1%、51.6%和70.5%。

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基金资助

四川省科技厅重点研发项目(2020YFS0361)