橡膠集料改性混凝土在剪力墻結構中的應用初探

惠勃濤 朱登峰 劉超賽 劉珅 王龍飛 韓陽 王惠芬

河南工業(yè)大學土木建筑學院（450001）

橡膠集料改性混凝土在剪力墻結構中的應用初探

惠勃濤 朱登峰 劉超賽 劉珅 王龍飛 韓陽 王惠芬

河南工業(yè)大學土木建筑學院（450001）

混凝土剪力墻具有延性差、自重大等缺陷；改性橡膠集料的摻入會使混凝土強度有所降低，但其降低程度仍在可接受范圍之內，且具有延性好、質量輕、耗能能力強等優(yōu)點，彌補了剪力墻結構的缺陷。這里在對比分析普通混凝土剪力墻特點和橡膠集料改性混凝土材料本身特點的基礎上，提出了橡膠集料改性混凝土應用于剪力墻結構中的可能性。

橡膠集料；改性；混凝土；力學性能；剪力墻

0 引言

橡膠集料改性混凝土,是以混凝土為基材,摻入表面經過改性處理的橡膠顆粒，經過凝結硬化形成的土木工程復合材料。近年來，國內外學者對橡膠混凝土的研究已較為深入，在道路工程、橋梁工程、鐵路工程等領域已經得到應用。

近年來，我國發(fā)生的大地震造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。其中，汶川地震震害調查表明，地震中建筑結構的破壞與倒塌是造成人員傷亡和財產損失的主要原因之一。隨著我國城市化進程的日益推進，改善建筑結構體系，提高建筑物的抗震性能和抗倒塌能力，減少各方面的損失，成為亟待解決的重要課題。

1 混凝土剪力墻的研究現狀

房屋或構筑物中主要承受風荷載或地震作用引起的水平荷載的墻體稱為剪力墻，用混凝土剪力墻承受豎向荷載的抵抗側向力的結構體系稱為剪力墻結構。我國剪力墻結構經過半個多世紀的發(fā)展，已經成為現代高層建筑中的一個重要結構體系，由于其具有抗側剛度大、整體性好等優(yōu)點，在高層居住型建筑中應用較為廣泛。居住型建筑開間較小,剪力墻結構能夠將承重墻和分隔墻合二為一,很大程度上降低了建造成本。

雖然剪力墻結構具有很多優(yōu)勢，但其劣勢也很明顯，如混凝土剪力墻延性較差,且結構自重大,由地震加速度產生的地震作用大，建造材料消耗也因此增大。

國內外學者關于提高混凝土剪力墻抗震性能的研究主要集中在減輕自重，改善剪力墻的結構布置，增加結構延性耗能機構，提高結構的冗余度等方面。

Qiuhong Zhao等設計了鋼與混凝土的組合剪力墻，并通過對三層墻體的擬靜力試驗驗證了該組合剪力墻結構具有較好的延性和承載力，提高了剪力墻結構的抗震性能。吳志維等設計并通過對5種嵌套式混凝土剪力墻試件受到較大破壞后的性能進行擬靜力試驗和分析，總結了在普通混凝土剪力墻上改進獲得高冗余度剪力墻的一般方法。在減輕混凝土墻體自重方面，開展了對陶粒混凝土、浮石混凝土、煤矸石混凝土等輕骨料混凝土應用于剪力墻結構的研究。

2 橡膠集料改性混凝土研究現狀

橡膠集料改性混凝土自重輕,彈性模量小，延性好，變形能力強，抗裂抗凍性好，耐久性好，抗沖擊性好，具有良好的抗震性能。國內外有關研究主要集中在橡膠集料混凝土的強度、延性、隔聲性能和抗沖擊性能。

2.1 彈性模量

Eshmaiel Ganjian等認為混凝土的彈性模量取決于其成分中的骨料和膠凝材料，因為骨料的彈性模量明顯大于膠凝材料的彈性模量，用橡膠集料等質量取代骨料，混凝土彈性模量下降更為明顯。Ali O.Atahan等通過試驗證明，當混凝土中的骨料完全被橡膠集料代替時，其彈性模量下降96%。

2.2 力學性能

由于橡膠集料的彈性模量較混凝土小，并且與混凝土之間的黏接作用較小，在承受外部荷載作用時,裂縫首先出現在橡膠顆粒與膠凝材料的交界處。另外，橡膠集料本身密度小，在混凝土拌合時易上浮,導致橡膠集料混凝土成型后質量分布不均勻，使得其強度降低。

楊長輝等從橡膠顆粒表面改性的角度出發(fā)，分別用不同溶液對橡膠顆粒表面改性，總結出相關的改性機理,有效提高了橡膠混凝土的強度。如圖1所示。

圖1 不同改性工藝對橡膠混凝土抗壓、抗折強度的影響

陳波等通過對基準橡膠集料混凝土與加壓成型的橡膠集料混凝土抗壓強度和抗折強度的對比，證明了加壓成型工藝能有效減少橡膠集料混凝土較普通混凝土的強度下降幅度。

2.3 延性和韌性

橡膠集料的摻入在降低了混凝土強度的同時明顯提高了混凝土的延性。Ali R.Khaloo等采用應力應變曲線中應力達到極限應力的80%的曲線所圍成的面積，與極限應力點的曲線所圍面積的比值作為延性指數，當橡膠的替代量達到骨料體積的25%時，韌性指數達到最大值。馮文賢等用橡膠粉分別以5%、10%、15%的比例等體積替代細骨料，試驗測得其壓應變峰值分別是普通混凝土的1.25、1.57、2.40倍，拉應變的峰值分別是普通混凝土的1.38、2.94、3.52倍,認為在變形時橡膠粉能夠有效吸收或耗散裂縫擴展時釋放的能量，增韌減脆，使橡膠混凝土在靜態(tài)破壞時，破而不碎，裂而不斷，在一定程度上趨于延性破壞。白亞強等對橡膠集料改性混凝土試塊與普通混凝土試塊的受壓破壞形態(tài)進行了對比分析，如圖2所示。

圖2 橡膠集料改性混凝土試塊受壓破壞形態(tài)

2.4 抗沖擊性和阻尼比

抗沖擊性與阻尼比是混凝土材料主要的動力學性能,國內外的研究均表明摻加橡膠顆粒后，明顯提高了混凝土的抗沖擊性能。

李浩然等的研究結果顯示，在橫梁中摻入橡膠集料后能適當降低結構的側向剛度，延長結構自振周期，降低水平地震作用，從而提高結構抗震性能。

研究表明，強度約為普通混凝土30%的橡膠混凝土與普通混凝土具有相似的抵抗沖擊的能力。當橡膠等體積替代骨料的摻量達到20%～40%時，可以吸收大量沖擊能，明顯減輕猛烈沖擊對混凝土的影響。橡膠混凝土的抗沖擊性能顯著優(yōu)于普通混凝土，這主要是由于摻加的橡膠粉填充了混凝土中的細小空隙,提高了混凝土的密實度，混凝土的韌性增加，且在外荷載作用下緩沖、吸收能量的能力同時增強。材料的阻尼與結構的減震性能密切相關。有研究指出摻加粒徑較大的橡膠塊比摻加粒徑較小的橡膠粉能更有效的提高混凝土的阻尼比。也有研究有相似的結論，摻加橡膠能降低混凝土的動彈性模量，但將提高混凝土的阻尼衰減率,當橡膠的摻量達到細骨料體積的20%時,混凝土的衰減率，提高了約37.5%，而且摻量比粒徑對混凝土阻尼的影響更為顯著。

3 橡膠集料改性混凝土應用于剪力墻結構中的構想

橡膠集料改性后以等體積替代細骨料的方式加入混凝土中，使混凝土的強度有所降低，但仍能滿足鋼筋混凝土剪力墻結構的強度要求，并且具有輕質的特點，能有效減小由地震加速度產生的地震作用。同時，橡膠集料改性混凝土較普通混凝土的延性和韌性都顯著提高，用于結構中可以顯著提高結構的自振周期，并且在變形時橡膠粉能夠有效吸收或耗散裂縫擴展時釋放的能量,增韌減脆，使橡膠混凝土在靜態(tài)破壞時，破而不碎，裂而不斷，使橡膠混凝土在一定程度上趨于延性破壞。橡膠集料的摻加，有效地提高了混凝土的阻尼比，在外荷載作用下增強了結構緩沖和吸收能量的能力，使混凝土可以吸收大量的沖擊能，明顯減輕了猛烈沖擊對混凝土的影響，因此對結構抗震極為有利。

目前，國內外尚無將橡膠集料混凝土應用于剪力墻結構中的相關研究。筆者通過分析橡膠集料改性混凝土的性能以及目前混凝土剪力墻結構的缺陷，提出將橡膠集料改性混凝土應用于剪力墻結構中的構想，希望能夠引起有關學者的關注和思考。

[1]李登.基于魯棒性的教學樓建筑受力性能分析[D].長沙:湖南大學,2011:1～12.

[2]方鄂華,錢稼如,葉列平.高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003:1～14.

[3]逯方,孫晴.淺談混凝土剪力墻結構設計[J].城市建設理論研究(電子版),2013(23).

[4]Qiuhong Zhao,Abolhassan Astaneh-Asl.Cyclic behavior of traditional and innovative composite shear walls.Journal Of Structural Engineering,ASCE,2004,72(5):271～284.

[5]Eshmaiel Ganjian,Morteza Khorami,Ali Akbarmaghsoudi. Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete[J].Construction and Buildingmaterials,2009,23 (5):1828～1836.

[6]白亞強,韓陽,巴松濤.橡膠集料改性混凝土高溫后力學性能試驗研究[D].鄭州:河南工業(yè)大學,2014,5.