鋼管橡膠集料混凝土短柱軸壓性能的試驗研究

邢浩然，毛念東，楊欣然，周 知，黃 維，2

(1.武漢理工大學理學院，武漢 430070；2.武漢理工大學，新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室，武漢 430070； 3.武漢理工大學交通學院，武漢 430070)

0 引 言

橡膠集料混凝土(rubberized concrete， RuC)是一種將橡膠集料按照一定的比例添加至混凝土中配制而成的新型混凝土，橡膠的添加減少了混凝土的脆性，提高了混凝土的延性[1]。現有研究表明，橡膠集料主要通過物理作用改善混凝土的內部結構，并不改變混凝土中各種材料的化學性能。與普通水泥混凝土相比，橡膠集料混凝土具有良好的彈性、韌性、減震性、抗沖擊性能、抗爆裂性能、透氣透水、保溫隔熱性能、降噪隔聲性能以及耐久性能等特點[2-5]。橡膠集料混凝土不僅可以彌補傳統水泥混凝土的諸多缺陷，實現混凝土技術的進一步發展，同時還為實現資源回收利用提供了新途徑。但是橡膠集料混凝土因橡膠集料替換部分細骨料或粗骨料，其抗壓強度和彈性模量降低明顯，因此部分專家學者建議將橡膠集料混凝土用于公路橋梁、樓板、鐵路軌枕等非結構構件或者低強度需求構件，并且建議橡膠等體積替換率不要超過20%[6]。這大大限制了橡膠集料混凝土在土木工程中的應用，并且降低了廢舊輪胎橡膠的再利用率。

為了解決橡膠集料混凝土強度和彈性模量過低所導致的工程使用局限性，將橡膠集料混凝土與鋼管組合，形成鋼管橡膠集料混凝土(rubberized concrete-filled steel tube, RuCFST)組合構件可能是一個可行的方案。鋼管對核心橡膠集料混凝土提供側向約束，使其處于三向受壓狀態，提高橡膠集料混凝土的抗壓強度和延性。國內外相關學者對約束橡膠集料混凝土受壓力學性能和RuCFST短柱軸壓性能進行了初步研究。Gholampour等[7-8]對橡膠集料體積替換率在18%及以下的橡膠集料混凝土進行了不同側向約束力下的三軸受壓試驗研究，研究結果表明橡膠集料混凝土的軸向強度和峰值應變隨著圍壓的增大而增大。而且隨著橡膠集料體積替換率的增加，橡膠集料混凝土強度提升程度隨側向約束的增大而增大。Abuzaid等[9]對不同鋼管厚度的RuCFST短柱進行了軸壓試驗研究，結果表明采用橡膠替換率為10%的RuCFST短柱的軸壓承載力僅比普通鋼管混凝土短柱低1.4%～6.6%。Silva等[10]在單調和循環往復荷載作用下，對鋼管混凝土和鋼管橡膠集料混凝土柱構件進行了試驗研究，試驗表明兩種組合構件在單調和循環荷載條件下都表現出良好的延性；Duarte等[11]對橡膠集料替換粗骨料的RuCFST組合柱的軸向承載力和延性進行了試驗研究。研究發現，相比于普通鋼管混凝土柱，鋼管-橡膠集料混凝土組合短柱表現出較低的強度，但具有更高的延性。Hossain[12]、梁炯豐[13]、徐培蓁[14]等通過試驗得到了相似結論。劉艷華[15]提出鋼管橡膠混凝土軸壓短柱具有良好的承載能力和抗變形能力，破壞形態與鋼管普通混凝土短柱軸壓沒有明顯差別，同時與各國規范計算鋼管-橡膠混凝土軸向承載力的計算結果進行了對比，提出了修改意見。

目前對于RuCFST短柱軸壓性能研究較少，特別是對其破壞形態、荷載-位移關系以及承載能力研究較少報道。要充分了解鋼管橡膠集料混凝土短柱的力學性能與破壞機理，必須進行深入研究。因此，本文將橡膠集料等體積替換細骨料，對RuCFST短柱進行全截面軸心受壓試驗，研究RuCFST短柱軸壓作用下的破壞形態及承載力變化規律，總結加載過程中的荷載-位移關系，探究鋼管厚度和橡膠集料替換率對荷載-位移曲線及極限承載力的影響,并對各國規范計算得到的RuCFST短柱軸壓承載力可靠性進行分析。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用武漢華新水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，拌合水為自來水，砂采用普通河砂，其表觀密度經排水法測定為2.793 g/cm3，細度模數為2.43，按粗細程度劃分屬于中砂。橡膠集料采用成都市四通橡塑有限公司生產的粒徑40目(630 μm)橡膠粉，橡膠表觀密度經測定為1.05 g/cm3。粗骨料采用連續級配碎石，粒徑為5～25 mm，骨料和橡膠集料的顆粒級配曲線如圖1所示。高效減水劑采用陜西勤奮建材有限公司生產的Q8011HPWR液體標準型高性能減水劑，其減水率為26%。鋼管為Q235b所制成的鋼板卷焊而成的直焊圓鋼管，外徑D=165 mm，高L=330 mm，壁厚t分別為2 mm、3 mm和4 mm。

圖1 骨料和橡膠集料的級配曲線Fig.1 Gradation curves of aggregate and crumb rubber

1.2 試驗方案

試驗按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[16]設計，以水灰比0.53的普通混凝土配合比為基準，砂率45%。以3種厚度t(2 mm、3 mm、4 mm)和橡膠集料等體積替換細骨料的替換率R(0%、10%、20%、30%)為劃分標準，鋼管橡膠集料混凝土試件共制備12根構件。試件命名方法以RCFS-10-3-2為例，RCFS表示rubberized concrete-filled steel tube，10表示細骨料體積替換率為10%，3表示鋼管壁厚為3 mm，2表示加載方式為全截面受壓。構件具體配合比如表1所示。

表1 橡膠集料混凝土配合比Table 1 Mix proportion of rubberized concrete

1.3 構件的制備與養護

按照配合比制作相應編號的試件，在鋼管的下端焊接直徑為250 mm、厚度為5 mm的圓形鋼板，澆筑時將鋼管豎立，從頂部灌入混凝土，并用振搗棒和振搗管振搗密實，最后將混凝土抹平。隨后進行自然養護，每根構件制作完成后，在上端焊接直徑為250 mm、厚度為5 mm的圓形鋼板。每個配合比還制備3個邊長100 mm立方體的橡膠集料混凝土試塊，裝模24 h后拆模，隨后放入溫度(20±0.5) ℃、相對濕度95%以上的標準養護箱中養護28 d。

1.4 測點布置及加載示意圖

加載及測點布置示意圖如圖2所示。加載時將試件放在加載區域直接加載，在每個試件中部設軸向應變片與環向應變片各3片，測量鋼管的應變，應變片規格為BX120-50AA，并在試件兩端各設置一個WBD-50B電子記錄百分表，量程為50 mm，百分表由磁性表座架起并設置在頂部的加載面伸出部分之下，忽略上下兩端鋼板的變形，百分表測得即為鋼管橡膠集料混凝土短柱的軸向變形。

圖2 測點布置及加載示意圖Fig.2 Arrangement of strain gauges and loading set-up

1.5 試驗加載方案

圓鋼管橡膠集料混凝土短柱的軸壓試驗在濟南恒瑞金試驗機有限公司生產的型號為YAW-3000G的300 t微機控制電液伺服壓力試驗機上進行。每個構件在正式加載之前進行預加載，預加荷載約為0.15P預(P預為預估極限荷載)，加載過程中采用位移控制，加載速率為0.1 mm/min，當構件軸向變形達到40 mm時停止加載。在加載過程中通過靜態應變儀采集應變與百分表的數據。橡膠集料混凝土試塊按照GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》[17]進行28 d抗壓強度測試。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

主要試驗結果如表2所示，fcu,150為橡膠集料混凝土尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體抗壓強度，由每組替換率所對應的100 mm×100 mm×100 mm立方體所測得的28 d抗壓強度平均值轉換所得，轉換系數根據GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》[17]取0.95；PN為試件的極限荷載，對于有下降段的荷載-位移曲線，峰值荷載取曲線最高點對應的荷載值；對于沒有明顯下降段的荷載位移曲線，宋玉普等[18]研究發現混凝土在三向高壓應力比下具有明顯的平臺流塑特性，此時混凝土的內部結構就已遭到了大范圍的破壞，建議把發生應力平臺流塑時的應力，作為多軸壓狀態混凝土的極限強度，而不能應用強化階段的強度。參考Tao等[19]對強約束鋼管混凝土軸壓荷載-位移曲線的定義，本文取軸向應變值為0.03對應的荷載值作為峰值荷載參考值；其對應的應變稱為峰值應變εc。Pu為極限破壞荷載，對于有下降段的試件，取下降到85%峰值荷載對應的點，對于沒有下降段的曲線，本文則采用極限應變εu=0.1對應的點作為Pu參考值；其對應的應變稱為極限應變εu。根據韓林海[20]研究定義鋼管混凝土構件軸壓延性系數RDI=εu/εc；ξ=Aafy/(Acfck)為試件的套箍系數；fy為鋼管的屈服強度，試驗測得其屈服強度為242 MPa，Aa和Ac為鋼管和核心混凝土的橫截面積;fck為混凝土特征值，根據韓林海[20]定義fck=0.67fcu,150。

表2 主要試驗結果Table 2 Main test results

圖3為軸壓承載力受橡膠集料體積替換率和鋼管厚度的影響曲線。根據表2和圖3可以發現，鋼管橡膠集料混凝土短柱軸壓承載力受橡膠集料體積替換率R和鋼管厚度t影響較大。對于鋼管壁厚t=2 mm的組合構件，隨著替換率從0%按10%的幅度增加到30%，其構件承載力PN由1 265.09 kN分別下降到939.00 kN、857.88 kN和798.48 kN，下降比例分別為25.8%、32.2%和36.9%。而對于鋼管壁厚t=4 mm的構件，隨著替換率從0%增加到30%，其構件承載力由1 438.38 kN下降到1 289.90 kN、1 201.18 kN和1 143.67 kN，下降比例分別為10.3%、16.5%和20.5%。雖然鋼管橡膠集料混凝土短柱軸壓承載力隨橡膠集料體積替換率R的增加下降明顯，但由于鋼管對核心混凝土提供側向約束，其核心橡膠集料混凝土承載力得到一定提高，并且隨著鋼管厚度的增加，這種提升更加明顯。而對于鋼管橡膠集料混凝土短柱約束系數ξ大于1的構件，其軸壓延性系數RDI均大于或等于3.33，這是由于橡膠集料添加到混凝土中，材料本身延性得到了一定提升，隨著側向約束力的增大，組合構件軸壓延性性能進一步得到提升。

圖3 軸壓承載力受橡膠集料體積替換率和 鋼管厚度的影響曲線Fig.3 Influence curves of axial compression bearing capacity by rubber aggregate volume replacement rate and steel pipe thickness

2.2 試驗破壞過程及形態

不同橡膠集料替換率的鋼管橡膠集料混凝土短柱的破壞過程及破壞形態相似，如圖4所示。本文以鋼管壁厚t=4 mm的構件破壞過程進行說明。荷載加至0.4PN左右時所有構件均處于彈性狀態；隨著荷載增加至0.8PN左右時已能觀察到鋼管端部開始產生局部變形；繼續加載后，鋼管的變形逐漸增大，環向應變增長迅速；達到極限荷載PN之后，變形繼續發展，RCFS-0-4-2構件軸向荷載開始緩慢下降，其余構件軸向荷載幾乎不下降。鋼管表面環向應變在彈性階段較為一致，進入塑性發展后，存在一定的差異。加載結束后構件的形態基本表現為上部局部屈曲與中部鼓曲。其中RCFS-0-4-2構件由于后焊的上端蓋板與核心混凝土存在一定的空隙，因此在鋼管上端部首先出現局部屈曲。而RCFS-30-4-2構件的端部局部屈曲最為明顯，其可能的原因是橡膠集料混凝土中橡膠替換率高時，部分橡膠顆粒懸浮在試件上部，使得短柱上部橡膠集料混凝土的強度和剛度降低，進而造成對鋼管的約束變小，鋼管局部屈曲更容易發生。

2.3 軸壓荷載-位移曲線

橡膠集料替換率R對組合構件軸向荷載-位移關系的影響如圖5所示。可以看出，采用相同鋼管壁厚的組合構件隨著R的增大，組合短柱的軸壓承載力PN有所降低，而峰值后荷載位移-曲線由出現軟化段逐漸平緩，甚至出現強化段。這是由于當荷載達到0.8PN時，核心混凝土內部結構就已遭到了大范圍的破壞，橡膠集料周邊砂漿骨架破碎，導致試件大幅度的壓縮變形而使荷載-位移曲線呈平臺流塑。當應力重新分布后，混凝土內部的空隙被壓實，核心混凝土進一步承受壓力，荷載-位移曲線呈上升的強化段。而這種強化隨著套箍系數ξ的增大變得更加明顯。這說明橡膠集料等體積替換細骨料雖然使得鋼管橡膠集料混凝土強度有所降低，但是由于鋼管對核心混凝土的約束作用，試件的延性性能提升明顯，這對于強度要求不高、變形能力要求高的結構有重大的應用價值。

圖5 不同橡膠替換率下的荷載-位移關系曲線Fig.5 Relationship curves of load versus displacement under different replacement rates

鋼管厚度t對組合構件的荷載-位移曲線影響如圖6所示。可以發現，相同橡膠替換率的組合試件，其荷載-位移曲線受鋼管厚度t影響較大，特別是峰值荷載后的曲線，對于橡膠替換率低、鋼管厚度較薄的試件，其荷載-位移曲線有明顯的下降段，如RCFS-0-2-2，而對于橡膠替換率高、鋼管較厚的試件則沒有出現下降段，承載能力持續上升，表現出良好的延性，如RCFS-30-4-2。鋼管厚度對試件的峰值荷載有較為明顯的影響，鋼管厚度越大，試件的峰值荷載越大，同時試件的極限變形能力也越大。

圖6 不同鋼管厚度下的荷載-位移關系曲線Fig.6 Relationship curves of load versus displacement under different thicknesses of steel tube

2.4 鋼管中部環向應變與軸向荷載

鋼管中部環向應變與軸向荷載的關系如圖7所示。可以發現，不同鋼管壁厚及橡膠替換率的組合構件中，鋼管中部的環向應變εθ在構件軸壓達到峰值荷載前基本處于線性變化，峰值荷載對應的環向應變εθ基本都在0.001左右。而軸向荷載達到峰值荷載后，軸向荷載稍微增加或者不變時，其鋼管中部外表面環向應變εθ增加明顯，此時核心混凝土膨脹開裂，鋼管發生局部屈曲，應變片退出工作。

圖7 鋼管中部環向應變與軸向荷載的關系Fig.7 Relationship curves of load versus hoop strain in middle of steel tube

3 組合構件軸壓承載力計算

關于鋼管混凝土柱軸心受壓承載力的計算公式，國內外都有大量的研究，為了驗證各國規范規程對鋼管橡膠集料混凝土短柱軸壓承載力計算的可靠性，本文分別采用歐洲標準協會Eurocode 4[21]、美國鋼結構協會AISC 360—2005[22]、中國GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》[23]相關計算方法計算組合構件承載力，并與試驗結果進行比較。

3.1 各國規范

3.1.1 歐洲標準協會 Eurocode 4[21]

對于圓形截面試件，鋼管混凝土軸壓承載力由下式計算得到：

(1)

式中：Aa、Ac為鋼管、核心混凝土的橫截面積，mm2；fy、fcyl為鋼管、混凝土的圓柱體抗壓強度，N/mm2,采用式(2)計算；t為鋼管壁厚，mm；D為試件的外直徑，mm。

(2)

ηs、ηc為考慮鋼管與核心混凝土相互約束作用引入的附加參數，對于軸心受壓構件：

ηc=4.9-18.5λ+17λ2≥0

(3)

ηs=0.25(3+2λ)≤1.0

(4)

式中：λ為相對長細比，當λ>0.5時，ηs和ηc分別取1和0。

3.1.2 美國鋼結構協會AISC 360—2005[22]

對于圓形截面試件，鋼管混凝土軸壓承載力由下式計算得到：

PAISC=Aafy+0.95Acfcyl

(5)

3.1.3 中國規范GB 50936—2014[23]

對于圓形截面試件，鋼管混凝土軸壓承載力由下式計算得到：

PGB=(Aa+Ac)fsc

(6)

式中：fsc為鋼管混凝土抗壓強度。用下式計算：

fsc=(1.212+Bξ+Cξ)fck

(7)

式中：B、C為截面形狀對約束效應的影響系數。對于實心圓形截面的構件，可取:

(8)

(9)

3.2 各國規范計算結果對比

表3為不同國家規范公式計算得到的RuCFST短柱軸壓承載力結果。圖8為組合構件軸壓承載力試驗值與各國規范計算值比較。與試驗結果對比發現，采用歐洲Eurocode 4規范計算得到的承載力與試驗結果對比最為接近，其平均值為0.90，標準差為0.06；而采用美國鋼結構協會 AISC 360—2005和中國GB 50936—2014計算得到的結果與試驗結果對比過于保守，其平均值為0.60和0.78。雖然核心橡膠集料混凝土對鋼管的側向約束作用有所減弱，鋼管容易在軸壓作用下發生局部屈曲，但是其對核心橡膠集料混凝土仍然能提供足夠的側向約束作用，因此充分考慮鋼管發生局部屈曲和核心混凝土受側向約束作用強度增強的歐洲Eurocode 4規范計算結果與試驗結果吻合最好。

表3 規范計算值與實測值比較Table 3 Comparison of axial capacity between codes and tests

圖8 組合構件軸壓承載力試驗值與各國規范計算值比較Fig.8 Comparison of axial capacity between tests and different codes

4 結 論

(1)因橡膠集料等體積替換細骨料使得混凝土強度和剛度降低，核心橡膠集料混凝土對鋼管的側向約束作用減弱，鋼管更容易發生局部屈曲破壞。鋼管橡膠集料混凝土短柱的軸壓承載力隨著橡膠集料替換率的增加而降低，但其延性性能得到明顯提升。

(2)鋼管橡膠集料混凝土短柱軸壓的荷載-位移曲線與普通鋼管混凝土短柱相似，分成三個發展階段。相較于普通鋼管混凝土短柱，采用相同鋼管厚度的鋼管橡膠集料混凝土短柱軸向荷載-位移曲線在峰值后更易出現強化段。

(3)美國AISC 360—2005和中國GB 50936—2014計算結果過于保守，誤差較大；而充分考慮了鋼管發生局部屈曲和核心混凝土受側向約束作用強度增強的歐洲Eurocode 4規范計算結果與試驗結果吻合最好。