橡膠混凝土局部承壓性能試驗(yàn)研究

周偉鋒,王子凡,王鑫,徐驍青

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045)

0 引言

近年來,廢舊輪胎處理成為新的環(huán)境問題.目前,我國對(duì)廢舊輪胎的回收利用率僅為50%左右,造成了巨大的資源浪費(fèi)[1].隨著輕骨料混凝土技術(shù)的快速發(fā)展,橡膠混凝土成為處理廢棄輪胎的一種頗具潛力的方式,另外,橡膠混凝土具有隔聲、隔熱、減震、延性好等特點(diǎn)[2],很好地契合了當(dāng)前人們對(duì)于建筑物功能的需求,同時(shí)也能減輕廢舊輪胎導(dǎo)致的固體污染,有潛力應(yīng)用于抗疲勞和抗?jié)B要求較為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)[3].

盡管橡膠混凝土的研究與應(yīng)用已在國內(nèi)外開展,并有了大量針對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的研究[4-6],但目前缺乏對(duì)其局部承壓性能的研究.而在實(shí)際工程中,混凝土局部承壓的情況較為常見,如橋梁支座作用于主梁或基礎(chǔ)上[7],車輪作用于橋面,預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固[8]等.因此,為推廣橡膠混凝土的應(yīng)用,有必要研究其局部承壓性能.本文進(jìn)行了橡膠混凝土局部承壓試驗(yàn),分析了橡膠混凝土的破壞模態(tài)、破壞機(jī)理和變形特性,明確了橡膠摻量、齡期和局部承壓面積對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響規(guī)律.同時(shí),將試驗(yàn)結(jié)果與我國現(xiàn)行 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[9]進(jìn)行了比較,分析了橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度的計(jì)算方法.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件的參數(shù)

試驗(yàn)采用棱柱體試件,試件的幾何尺寸為150mmX150mmX 300mm.試件分為4組,每組9個(gè)試件,分別采用邊長(zhǎng)150mm、77mm和50mm的正方形加載板.混凝土配合比如表1所示.其中第一組為普通混凝土,其他組為橡膠混凝土.試件澆筑成型后,除第二組養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14d外,其余組養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28d.

表1 試件混凝土配合比和齡期

1.2 試件的制作

配置橡膠混凝土?xí)r使用的材料有:某水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5普通硅酸鹽水泥;某新材料有限公司生產(chǎn)的橡膠顆粒,顆粒直徑為2~4mm;石灰?guī)r碎石,粒徑5~30mm;河沙,中砂;自來水;萘系減水劑,型號(hào)FND-C,減水率為18%~28%,摻量為0.5%~1%.試件均在自然條件下養(yǎng)護(hù).

1.3 試驗(yàn)裝置及加載方法

采用5000kN液壓伺服型壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)主要測(cè)量試件的軸向荷載、軸向壓縮位移、橫向和縱向的應(yīng)變,軸向荷載可以由壓力機(jī)直接采取,試件的軸向壓縮位移由兩個(gè)位移計(jì)測(cè)量,橫向和縱向應(yīng)變分別由試件中部的橫向和軸線中部的縱向應(yīng)變片測(cè)量,測(cè)試系統(tǒng)采用東華測(cè)試系統(tǒng).加載裝置和測(cè)量裝置如圖1所示.加載方法按相關(guān)規(guī)定采用分級(jí)加載,在60%的預(yù)計(jì)極限荷載范圍內(nèi),每級(jí)荷載增加40kN;在60%~80%的預(yù)計(jì)極限荷載范圍內(nèi),每級(jí)荷載增加20kN;然后超過80%的預(yù)計(jì)極限荷載后,采用每級(jí)荷載增加10kN或者5kN.每一級(jí)荷載加載前,荷載持續(xù)施壓大于30s.加載速度為0.3kN/s.試件破環(huán),停止加載.

圖1 試件加載示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試件的局部承壓強(qiáng)度按照公式(1)計(jì)算,結(jié)果如表2所示.顯然,每組試件的局部承壓強(qiáng)度均隨局部承壓面積的減少而增大.其中,部分試件因試件制作與加載過程中的失誤未得到試驗(yàn)結(jié)果.

其中fcb為局部承壓強(qiáng)度,Fcu為試件破壞時(shí)的極限荷載,Al為局部承壓面積.

表2 局部承壓強(qiáng)度(單位:MPa)

2.1 破壞模態(tài)和破壞機(jī)理

試驗(yàn)結(jié)果表明,橡膠混凝土局部承壓破壞形態(tài)與普通混凝土類似,分為先開裂后破壞、開裂即破壞、局部混凝土下陷三種[10].先開裂后破壞是在一側(cè)形成裂縫,隨后延伸,上下底面貫通而破壞,如圖2a;開裂即破壞是在加載過程中,試件開裂,承載力就喪失,屬于脆性破壞,裂縫上大下小,頂部混凝土被劈成數(shù)塊,如圖2b;局部混凝土下陷是當(dāng)荷載增加,混凝土的受壓區(qū)域與非受壓區(qū)域產(chǎn)生了明顯的相對(duì)位移,此時(shí)試件沒有破壞,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件突然破壞,下陷部分形成楔形體,如圖2c、圖2d.

橡膠混凝土的局部承壓破壞機(jī)理與普通混凝土類似.局部承壓試件在不同的加載階段存在著兩種類型的劈裂力,第一種是加載力向全截面擴(kuò)散引起的"中部劈裂力";第二種是楔形體位形變過程中由于楔面的塑性剪切變位或者滑移引起的"頂部劈裂力".先開裂后破壞模式是由于中部劈裂力較高,而承壓區(qū)混凝土還未到達(dá)剪切破壞的極限狀態(tài),故表現(xiàn)為試件中下部首先出現(xiàn)縱向裂縫,然后裂縫隨著荷載增加逐步擴(kuò)展,直至承壓板下出現(xiàn)剪切破壞的楔形體時(shí),試件才最終破壞;開裂即破壞模式是由于試件的"中部劈裂力"較低,而"頂部劈裂力"比較大,楔形體形成時(shí)試件的中、下部尚未開裂,故表現(xiàn)為"頂部劈裂力"突然將構(gòu)件劈開;楔面形成時(shí)產(chǎn)生的"頂部劈裂力"尚不足將外圍混凝土脹裂,這時(shí)就表現(xiàn)為承壓板下的混凝土局部剪切破壞,承壓板下陷迅速增加,而外荷載卻繼續(xù)提高,直至外圍混凝土劈裂而最終破壞,導(dǎo)致局部混凝土下陷破壞[10].

圖2 試件破壞模態(tài)圖

2.2 橡膠混凝土局部承壓變形特性

以第四組橡膠摻量20%的橡膠混凝土試件為例分析橡膠混凝土局部承壓變形特性.圖3為不同局部承壓面積下實(shí)測(cè)的荷載與加載板下陷位移值的關(guān)系圖.三條荷載-位移曲線形式基本類似,前段變形較大,主要是試件與加載設(shè)備之間的間隙引起的.三條曲線后段的割線剛度相近,且加載板邊長(zhǎng)50mm試件略微大于邊長(zhǎng)77mm試件.圖4所示為測(cè)得的拉壓應(yīng)變值隨荷載的變化情況.顯然,應(yīng)變的絕對(duì)值均隨著荷載的增加而增加,且在曲線前段幾乎是線性關(guān)系.加載板邊長(zhǎng)50mm試件的壓應(yīng)變曲線斜率大于邊長(zhǎng)77mm試件,說明其整體壓縮變形較小.另外,由于混凝土拉應(yīng)變?cè)?00με左右將開裂,表明除加載板邊長(zhǎng)77mm試件,其余兩個(gè)試件均為先開裂后破壞的失效模式.

圖3 荷載-位移曲線

圖4 荷載-應(yīng)變曲線

2.3 橡膠摻量對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響

比較相同齡期、橡膠摻量不同的第一、三、四組試件的數(shù)據(jù),可以看出,隨著橡膠摻量的增加,軸心抗壓強(qiáng)度與局部承壓強(qiáng)度都有不同程度的減小.我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)β按下式計(jì)算[9,11]:

其中,Ab、A1分別為局部承壓計(jì)算底面積和局部承壓面積.以為橫坐標(biāo),以局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)β為縱坐標(biāo),由散點(diǎn)圖擬合線性曲線,并與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,得到圖5.其中散點(diǎn)圖擬合而成的藍(lán)線即為第一、三、四組的局部承壓強(qiáng)度隨局部承壓面積比變化曲線,而紅線為公式(2)代表的曲線.由圖5可知,三組擬合曲線的系數(shù)均接近且略高于1.0,表明試驗(yàn)值略大于公式(2)計(jì)算值,現(xiàn)行規(guī)范可用于橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度的計(jì)算.另外,橡膠摻量為0的第一組對(duì)應(yīng)系數(shù)最大,而橡膠摻量20%的第四組對(duì)應(yīng)系數(shù)最小.推測(cè)橡膠顆粒使得混凝土的彈性有較大的增加,從而導(dǎo)致在其局部承壓時(shí)的變形增加,使得部分混凝土提早破壞,從而減弱了其局部承壓強(qiáng)度,即減小了局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù).

2.4 齡期對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響

由表2第二組和第三組可知,隨著齡期的增長(zhǎng),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度也隨之上升,符合混凝土材料強(qiáng)度發(fā)展的基本規(guī)律[6].軸心抗壓強(qiáng)度28d齡期相比14d齡期增長(zhǎng)了3.6MPa,局部承壓面積比為3.73和9的局部承壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了2.2MPa和3.47MPa,由此可知,在不同的局部承壓面積比下,橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度受到齡期的影響不同.另外,由圖5b和圖5c可知,橡膠混凝土各個(gè)齡期的局部承壓強(qiáng)度均高于按規(guī)范公式計(jì)算的強(qiáng)度.隨著齡期的增長(zhǎng),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度趨近規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果.14d齡期,局部承壓面積比為3.73時(shí),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度高出規(guī)范公式計(jì)算強(qiáng)度的16%,但到28d齡期時(shí),規(guī)范公式和橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度基本吻合,相差不足5%.可以看出,橡膠混凝土早期局部承壓強(qiáng)度的發(fā)展高于普通混凝土,這是由于橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展快,提高了橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度.

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文開展了不同橡膠摻量、齡期和局部承壓面積下橡膠混凝土的局部承壓性能試驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1)橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度與局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)成正比,在20%橡膠摻量范圍內(nèi),可采用混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范公式中相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算;

(2)橡膠混凝土局部承壓破壞模式與混凝土的破壞模式類似,分為先開裂后破壞、開裂即破壞、局部混凝土下陷三種;

(3)當(dāng)橡膠摻量增加時(shí),橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度降低.但橡膠混凝土早期局部承壓強(qiáng)度的發(fā)展高于普通混凝土,且在不同的局部承壓面積比下橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度受到齡期的影響不同.