橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱抗震性能試驗研究

王堯鴻，晁 磊，楊曉明，李志強，秦 穎

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室，呼和浩特010051 3.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003；4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189）

引言

近年來隨著我國城市化的進程逐漸加快和“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，城市和鄉(xiāng)村的建筑都發(fā)生了巨大變化。越來越多的工程建設(shè)使得混凝土的用量大大增加，而占混凝土總體積的70%～80%砂和石等建筑原材料的供應(yīng)，逐漸難以達到不斷增長的建筑建造需求。因而不少學(xué)者開始探索新的工程用砂的砂源。對于內(nèi)蒙古這樣的天然沙漠砂資源豐富的地方，因地制宜的將天然砂作為建筑用的細骨料將會是一個很好的選擇［1］。而對于現(xiàn)在汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，我國早已成為世界輪胎生產(chǎn)和消費大國，輪胎一直是橡膠消耗量的重要產(chǎn)業(yè)，在輪胎用量中橡膠占65%～70%，有關(guān)部門統(tǒng)計2020年的廢舊輪胎已超過2 000萬噸，年產(chǎn)量達860萬噸［2］。我國已成為名副其實的世界廢棄橡膠，廢舊輪胎生產(chǎn)大國。如果將風(fēng)積沙和橡膠同時運用到混凝土中，制備出新型混凝土，不僅可以改善土地沙漠化，優(yōu)化環(huán)境，也使得橡膠得到二次循環(huán)利用，避免造成不必要的污染，長久之計，在建筑中意義重大。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者對于風(fēng)積沙混凝土和橡膠集料混凝土的研究主要集中于材料性能方面，文獻［3-4］表明風(fēng)積沙的摻入能夠提升混凝土的強度，包建強等［5］和賀業(yè)邦［6］研究表明：30%風(fēng)積沙取代率的性能較優(yōu)。橡膠的摻入可以提升混凝土的韌性以及變形能力［7-8］，但眾多學(xué)者的研究表明隨著橡膠摻量的增加，混凝土的強度也隨之降低［9-10］。而對于兩者在構(gòu)件方面的研究僅有少數(shù)［11］。橡膠集料混凝土是一種高耗能性混凝土，有著韌性強、抗凍、抗震與隔音隔熱等優(yōu)點［12］，但由于橡膠本身與水泥不發(fā)生化合反應(yīng)，會導(dǎo)致橡膠集料混凝土界面區(qū)出現(xiàn)明顯的孔隙和裂縫。風(fēng)積沙所屬細砂，有著很好的填充效應(yīng)［13］。若將風(fēng)積沙和橡膠集料替代河砂配制出新型混凝土-橡膠集料風(fēng)積沙混凝土，不僅可以彌補橡膠集料混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也可以增強混凝土作為構(gòu)件的耗能性能。本文就兩種材料，以C40混凝土等級為基礎(chǔ)，前期通過試驗研究對不同配合比的橡膠集料風(fēng)積沙混凝土進行了力學(xué)性能分析，結(jié)果表明：橡膠取代率為10%的橡膠集料混凝土、橡膠取代率為10%和風(fēng)積沙取代率為30%的橡膠集料風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能最佳［14］。因此本文選取10%的橡膠和30%的風(fēng)積沙的體積替換率替換細骨料制備橡膠集料混凝土柱和橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱，并對其與普通混凝土柱和風(fēng)積沙混凝土柱進行對比。利用低周反復(fù)荷載試驗研究其抗震性能，并為抗震工程應(yīng)用方面提供理論參考。

1 試驗概況

試驗原材料選用P·O 42.5級水泥；細骨料選用普通河砂；風(fēng)積沙采用鄂爾多斯庫布齊沙漠的表層砂，細度模數(shù)0.75，表觀密度2 520 kg/m3，堆積密度1 510 kg/m3；石子粒徑為5～25 mm；橡膠顆粒采用粒徑為3～6 mm；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）設(shè)計制備，混凝土配合比見表1，混凝土強度等級為C40。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix

試驗按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）制備出4個混凝土試件，分別為普通混凝土柱（C-0）、30%風(fēng)積沙混凝土柱（A-0）、10%橡膠集料混凝土柱（R-10）、10%橡膠集料和30%風(fēng)積沙的橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱（AR-10）。各試件截面尺寸均為250 mm×250 mm，構(gòu)件高度為1 350 mm；軸壓比采用0.2；試件所用縱筋和箍筋均采HRB400，保護層厚度為20 mm。在澆筑試件時，各試件分別預(yù)留3個邊長為150 mm的立方體試塊，同時將混凝土試塊與試件在同條件下養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為28 d。養(yǎng)護完成后對混凝土試塊進行立方體抗壓強度測試，測試強度見表2。鋼筋的力學(xué)性能根據(jù)《金屬材料拉伸試驗：第1部分：室溫試驗方法》規(guī)定進行拉伸測試，見表3?；炷林嚰某叽缂芭浣钚问饺鐖D1所示。

圖1 試件尺寸及配筋Fig.1 Specimen size and reinforcement

表2 混凝土立方體抗壓強度Table 2 Concrete cube compressive strength

表3 鋼筋力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of reinforcement

試驗在內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室進行。采用擬靜力低周反復(fù)加載，為了能夠最大限度的模擬試件在地震時的受力狀態(tài)，對試件施加軸向力與水平力，且軸壓比保持0.2加載。試驗中軸向力采用5 000 kN液壓千斤頂在柱頂施加恒定的豎向荷載，水平低周反復(fù)荷載通過反力墻上的MTS電液伺服作動器施加。試驗采用荷載和位移雙控加載制度，試件屈服前按荷載控制，采用10 kN每級的水平荷載控制；屈服后按位移控制，每級位移增幅為屈服位移的Δy的倍數(shù)，每周期循環(huán)3次，直到荷載下降至極限荷載的85%或試件不能再承擔(dān)預(yù)定軸壓力時結(jié)束試驗。試驗加載裝置如圖2所示。此次試驗主要測點布置如下：在柱中和柱底布置電子位移計觀察是否有水平滑動；在柱加載點處布置位移計觀察對應(yīng)荷載水平位移。為了解鋼筋應(yīng)變情況，在縱筋和箍筋上分別布置應(yīng)變片，具體如圖3所示。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test set-up

圖3 應(yīng)變片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗破壞過程及形態(tài)

在試件開裂前加載初始階段，試件均基本處于彈性階段，此階段鋼筋和混凝土應(yīng)變較小。當卸載后，試件變形即可基本完全恢復(fù)。隨著水平荷載的增加，在試件的腹中部首先出現(xiàn)第一條裂縫，負向加載時，另一側(cè)也出現(xiàn)了同樣大小的裂縫，其中4個試件裂縫寬度最大的為R-10試件，寬度為0.49 mm，主要原因是因為橡膠本身是一種彈性材料，且摻入混凝土后能夠改變混凝土的變形能力，同時強度也隨之降低。隨著水平荷載的加大，之前柱腹中部的裂縫繼續(xù)延伸擴展形成較長的斜裂縫，過程中混凝土承擔(dān)的軸力拙見傳給縱筋以及箍筋，使鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變逐漸加大。當荷載加至70%～85%的峰值荷載時，試件開始屈服（采用能量等值法確定屈服荷載所對應(yīng)的位移），過程中試件根部混凝土剝落嚴重，摻有橡膠的AR-10試件和R-10試件要比C-0試件和A-0試件所發(fā)出的崩裂聲較為沉悶。隨著荷載的繼續(xù)增加，試件混凝土受壓區(qū)大面積剝落，根部鋼筋暴露出來，試件破壞，試驗終止。

4個試件在低周反復(fù)荷載作用下C-0、A-0、AR-10和R-10均發(fā)生為脆性破壞，且AR-10和R-10的水平承載力較大，在達到峰值荷載后承載力迅速下降，但是延性和變形能力優(yōu)于C-0和A-0。試件破形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure of the specimen

2.2 滯回曲線

滯回曲線是構(gòu)件抗震性能分析的基礎(chǔ)，其綜合反映了試件的承載能力，延性以及剛度等力學(xué)指標。4個試件在加載初始階段（開裂前），荷載和位移近似呈線性關(guān)系，這也是由于試件開始的剛度退化較為不明顯，每次循環(huán)后的殘余變形也很小，所以此階段為彈性階段。隨著荷載的增加，滯回環(huán)面積不斷增大，在達到峰值荷載后，承載力迅速下降，且此時的殘余變形較大，說明試件均處于彈塑性狀態(tài)。如圖5中AR-10試件和R-10試件滯回曲線總體呈梭形，且包圍面積一直在增大，說明摻入橡膠的試件在耗能方面優(yōu)于C-0試件和A-0試件，而C-0試件和A-0試件在峰值荷載過后，試件強度和剛度衰退較AR-10試件和R-10試件更為緩慢，因此可知橡膠的摻入可以改善試件的延性和耗能，但會適度降低試件的強度和剛度。

圖5 各試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 骨架曲線

骨架曲線是指在低周反復(fù)荷載作用下的P-Δ曲線中的每一級荷載的第1循環(huán)峰值點所連接的外包絡(luò)線，各試件的骨架曲線如圖6所示。由圖6可知：

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of specimens

所有試件的骨架曲線大致可以分為上升、強化和下降階段，各試件在上升段基本一致。AR-10試件和R-10試件在峰值點后的下降段更為平緩穩(wěn)定，表明AR-10試件和R-10試件比C-0試件和A-0試件有較好的變形能力，這反映出橡膠的摻入可以起到改善試件變形能力的作用。此外，風(fēng)積沙混凝土試件與普通混凝土試件在摻有適量橡膠后，屈服荷載和峰值荷載較為接近，且AR-10試件和A-0試件比R-10試件和C-0試件的強度要高，這也說明適量風(fēng)積沙的摻入可以提高混凝土試件的強度。

2.4 承載力及延性

表4為各試件所測得的水平荷載、位移及位移延性系數(shù)，即骨架曲線的特征值。其中：Py和Δy為試件屈服時的荷載和位移；Pm和Δm為試件的極限荷載和極限位移；Pu為試件的破壞荷載；Δu為試件的破壞位移；μ為試件的位移延性系數(shù)，μ=Δu/Δy。

表4 各試件特征點Table 4 Feature points of specimens

由表4可知：試件C-0與試件R-10相比，屈服荷載下降了4.7%，峰值荷載和破壞荷載分別下降了7.7%和6.9%，位移延性系數(shù)提高了57%。試件AR-10與試件A-0相比，屈服荷載下降了2.3%，而峰值荷載和破壞荷載均下降了8.4%，位移延性系數(shù)提高了20.6%。這表明混凝土中摻入適量橡膠可提高試件的延性，但試件的承載力有所下降，而在摻入適量風(fēng)積沙后能夠提高試件的承載力。

2.5 耗能性能

耗能能力是由P-Δ滯回曲線反映出來，而在工程結(jié)構(gòu)抗震當中，等效粘滯阻尼系數(shù)he是常被用來衡量耗能能力［15］。

表5是各試件在每個特征點處的等效粘滯阻尼系數(shù)，其中：hey、hem和heu分別為屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載所對應(yīng)的等效粘滯阻尼系數(shù)。從表5中可以看出：隨著荷載和位移的不斷增加，試件的等效粘滯阻尼系數(shù)也在增加。試件AR-10和試件R-10每個階段的等效粘滯阻尼系數(shù)要比其余2個試件要大，而對于單摻橡膠的R-10試件來說各階段的等效粘滯阻尼系數(shù)要高于另外3個試件，這說明適量橡膠的摻入能夠改善混凝土試件的耗能能力。

表5 各試件等效粘滯阻尼系數(shù)Table 5 Equivalent viscous damping coefficients

2.6 剛度退化

在循環(huán)反復(fù)荷載作用下，由于試件的累計損傷導(dǎo)致試件剛度隨位移加載循環(huán)的增大不斷減小的現(xiàn)象稱為剛度退化。即每次循環(huán)正負向最大荷載與對應(yīng)的位移比值，圖7為各試件剛度退化曲線圖。由圖7可以看出試件的剛度隨荷載的增加越來越小，且各試件在加載初期（開裂前）時的剛度退化不明顯，裂縫產(chǎn)生后的剛度下降較快，后期剛度較為平緩。C-0試件和A-0試件的前期初始剛度要高于AR-10試件和R-10試

圖7 試件剛度退化曲線Fig.7 Degradation curves of secant stiffness

件，即C-0試件和A-0試件初始剛度為23.2 kN/mm和25 kN/mm，R-10試件和AR-10試件的初始剛度為11.1 kN/mm和12.99 kN/mm，說明摻入適量橡膠后會降低混凝土試件的剛度，而風(fēng)積沙的摻入?yún)s可以提高混凝土試件的剛度。C-0試件和A-0試件的剛度曲線趨勢在前期基本重合，同樣AR-10試件和R-10試件也是如此，4個試件在后期總體上剛度趨勢基本一致，較為平緩。

2.7 損傷分析

反復(fù)荷載作用下的混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生損傷，并且該損傷會隨著加載時循環(huán)次數(shù)的增加不斷累積，會加重力學(xué)性能劣化。判定損傷程度的大小，一般用損傷指數(shù)D來表示。本文采用文獻［16］基于能量耗散原理，提出的在反復(fù)荷載作用下的結(jié)構(gòu)累積損傷模型，對4個構(gòu)件進行損傷分析。模型如圖8所示。

圖8 第i循環(huán)的受力狀態(tài)Fig.8 Mechanical state of the ith cycle

以構(gòu)件在理想無損傷狀態(tài)下外力所作的功為初始標量即Wi。在損傷狀態(tài)下，外力作用產(chǎn)生的功可分為3個部分：彈性變形能Wei、塑性變形能Wpi和損傷耗散能WDi，根據(jù)能量守恒定律得：

式中：K0為構(gòu)件正反向加載的初始剛度平均值分別表示第i次循環(huán)時正向和反向加載外力所作的功；±Δi表示第i次循環(huán)正向和反向的最大變形。將式（3）代入式（2）得到損傷耗散能WDi：

因此，結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下第i循環(huán)的損傷指數(shù)Di計算公式是將式（4）除以式（2）得：

再結(jié)合損傷模型圖8，可用相應(yīng)的面積表示為：

由于此次試驗所得P-Δ曲線的對稱性較差，計算損傷指數(shù)D時，使正反向的的殘余變形和最大變形與P-Δ曲線所圍的面積相等，即圖8中SDHL=SBEF，圖9為各試件每次循環(huán)的損傷指數(shù)曲線。

由圖9可知：各試件的損傷指數(shù)大致可分為兩個階段，即上升階段和平緩階段。試件在前期隨著水平位移的增加損傷指數(shù)增長迅速，當試件達到屈服后，損傷指數(shù)出現(xiàn)平緩，這說明前期的裂縫開展導(dǎo)致了試件的力學(xué)性能出現(xiàn)劣化，則在后期的塑性階段中，損傷減緩。圖9中C-0試件和A-0試件的后期損傷指數(shù)要明顯大于摻有橡膠的R-10試件和AR-10試件，且摻有風(fēng)積沙的試件A-0和AR-10的損傷程度要比未摻風(fēng)積沙試件的C-0和R-10要小。前期4根試件當中的AR-10試件的損傷指數(shù)要比其余3個試件要小，這說明適量橡膠的摻入可以抑制混凝土試件的開裂，減緩試件的損傷，適量風(fēng)積沙的摻入也能夠改善混凝土試件的損傷程度。

圖9 各試件累積損傷曲線Fig.9 Accumulated damage curves of specimens

3 結(jié)論

本文通過低周反復(fù)荷載試驗，研究了橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱的抗震性能，主要結(jié)論如下：

（1）從試驗現(xiàn)象來看：摻入適量橡膠顆粒的橡膠集料混凝土柱試件和橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱試件的破壞程度、裂縫寬度要比普通混凝土柱試件和風(fēng)積沙混凝土柱試件的要小，且后期混凝土的脫落現(xiàn)象也不為明顯。

（2）橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱和橡膠集料混凝土柱的滯回曲線較為飽滿，未發(fā)生“捏縮”效應(yīng)。相比于其余3根混凝土柱，橡膠集料風(fēng)積沙混凝土柱具有較好的耗能能力和延性，抗震性能有所提高，但由于橡膠的摻入，也降低了混凝土柱的承載力。

（3）采用基于能量耗散原理的損傷評價模型對各試件進行損傷分析，可以較好的反映出各試件的累積損傷程度，且摻有適量橡膠顆粒和風(fēng)積沙的混凝土柱試件能夠減緩試件的損傷，降低了混凝土柱試件的損傷程度。