考慮地震量級作用下橡膠纖維混凝土的受壓動力性能

艾思平，唐 鵬

（安徽水利水電職業技術學院市政與交通工程學院，安徽 合肥 231603）

橡膠纖維混凝土是將橡膠顆粒和聚丙烯纖維作為混凝土拌和料中的一部分所形成的一種較為新型的混凝土.它將橡膠混凝土和聚丙烯纖維混凝土的優勢有機結合，能有效提高混凝土的工作性能［1?2］.同時橡膠顆粒一般來源于廢舊輪胎，此舉可實現廢舊輪胎的二次利用，避免廢舊輪胎對環境安全產生影響，具有較高的研究價值和工程應用前景［3］.

目前關于橡膠混凝土和聚丙烯纖維混凝土的研究基本集中于其配合比設計、力學性能和耐久性能等方面.其中Eldin等［4］通過設計不同橡膠粒徑和取代率，研究了橡膠混凝土拉壓力學性能，結果表明橡膠粒徑越大、橡膠取代率越高，橡膠混凝土拉壓強度下降越明顯；Topcu等［5］對橡膠混凝土變形性能進行分析，結果表明橡膠混凝土具有明顯的塑性變性能力，而彈性變形能力相對較弱；Song等［6］通過試驗分析發現，聚丙烯纖維能夠提高混凝土抗壓強度、抗拉強度和抗沖擊能力，對于混凝土早期收縮裂縫有一定抑制作用；Yao等［7］對低摻量混合纖維混凝土抗壓、劈拉和彎曲力學性能進行試驗研究，提出了不同纖維混合作用下混凝土的最高強度和彎曲韌性.

在實際工程中，混凝土結構不僅受到靜力作用，同時會受到地震、撞擊和爆炸等動力作用，因此，對于混凝土動力性能的研究具有重要意義［8］.Sallam［9］對橡膠混凝土圓柱體試件進行落錘沖擊試驗，結果表明橡膠混凝土強度隨加載應變率的增大而增大，同時橡膠混凝土對裂縫具有較好的抑制作用；Alho?zaimy等［10］對聚丙烯纖維混凝土靜動力受壓力學性能進行研究，結果表明聚丙烯纖維能夠提高混凝土靜動力抗壓強度；梁寧慧等［11］考慮超高應變率對聚丙烯纖維混凝土受壓力學性能的影響，研究結果顯示聚丙烯纖維使得混凝土動態極限韌性得到提高.上述研究僅針對橡膠混凝土或聚丙烯纖維混凝土的受壓動力性能展開分析，尚未開展橡膠纖維混凝土的受壓動力性能研究.然而，研究橡膠纖維混凝土的受壓動力性能，對于進一步理解該類型混凝土的動力特性具有重要意義.

本文主要考慮地震量級加載應變率，應用液壓伺服機對橡膠纖維混凝土受壓動力性能展開試驗研究.通過試驗得到不同加載工況下橡膠纖維混凝土的力學特征參數，由此對比分析橡膠取代率、聚丙烯纖維摻量和加載應變率對混凝土力學參數的影響；同時從定量角度建立加載應變率對橡膠纖維混凝土力學參數影響的關系方程，并對其受力機理進行分析.

1 試驗方案

1.1 試件設計與配合比

本文參考文獻［2，11］配制橡膠纖維混凝土.其中：單摻橡膠顆粒混凝土的橡膠取代率（質量分數，本文涉及的取代率、摻量等均為質量分數）R=30%、聚丙烯纖維摻量wF=0%；單摻聚丙烯纖維混凝土的聚丙烯纖維摻量wF=0.6%、橡膠取代率R=0%；普通混凝土設計強度為30 MPa，參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》確定其配合比；橡膠纖維混凝土中的橡膠顆粒含量由等體積取代細骨料方法計算得到.具體配合比見表1.表1所示4種配合比中，所用水、水泥（普通硅酸鹽水泥P·O42.5）、粗骨料（粒徑范圍4~16 mm天然碎石，表觀密度2 580 kg/m3）均來源一致；所用橡膠顆粒粒徑范圍2~5 mm，表觀密度1 270 kg/m3，堆積密度820 kg/m3，纖維含量不大于0.1%，拉伸強度不小于15 MPa，斷裂伸長率不小于500%；細骨料均采用河砂，河砂細度模數2.5，表觀密度2 650 kg/m3，堆積密度1 850 kg/m3；聚丙烯纖維物理特性參數由廠家提供，與文獻［11］相同.

表1 橡膠纖維混凝土配合比Table 1 Mix proportion of rubber fiber reinforced concrete

1.2 試驗加載方案與設備

本文考慮地震量級加載應變率對不同設計工況下橡膠纖維混凝土受壓動力性能的影響.采用WEW?100B型液壓伺服機，該設備裝備獨立的荷載傳感器和位移傳感器；同時應用應變片和應變采集儀對混凝土受壓過程中的變形數值進行測量，測量精度滿足試驗要求［2］.根據試驗裝置加載限制要求和文獻［2］，確定混凝土試件設計尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.考慮混凝土材料具有一定隨機性和離散性特征，每種工況設計3個試件開展試驗，取均值分析.

不同加載應變率范圍對應不同的靜動力作用效應，如圖1所示［8］.采用力和位移混合控制的加載方法，即首先應用力控制方式，將試件從無應力狀態加載至混凝土設計強度值fc的5%，如此反復3次完成試驗預加載.位移控制加載屬于正式加載，本文考慮地震量級加載應變率，首先設置靜力加載應變率ε?s=1.0×10-5s-1作為基準對比工況，然后考慮地震量級加載應變率范圍，設置7種動力加載應變率，即ε?d分別 為5.0×10-5、1.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、5.0×10-3、1.0×10-2、5.0×10-2s-1.待正式加載時開始采集試驗數據，直至試件破壞，停止加載.

圖1 加載應變率與靜動力作用范圍Fig.1 Loading strain rate and range of static and dynamic action

在混凝土受壓試驗加載過程中，需要控制試件與設備接觸面之間存在的摩擦作用.本文采用3層聚四氟乙烯塑料薄膜和2層機械黃油放置于試件與設備接觸面上，將摩擦作用控制在合理范圍之內，以滿足試驗加載要求［8］.

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態

對于混凝土破壞形態的研究有助于更好地從宏觀角度分析混凝土力學性能.通過本文橡膠纖維混凝土受壓動力加載試驗，可得到不同加載工況下的橡膠纖維混凝土破壞形態.考慮全文篇幅，選取4種配合比混凝土中ε?s為1.0×10-5s-1和ε?d為5.0×10-2s-1的受壓破壞形態（見圖2）展開分析.

由圖2可見，對于同種配合比試件，隨著加載應變率的提高，其損壞逐漸嚴重，所表現出的脆性破壞特征逐漸明顯.由于混凝土自身的特性，在其內部存在一定量的空隙和微裂縫，由此形成混凝土初始損傷.在靜力加載應變率作用下，混凝土初始損傷部分有足夠的時間形成裂縫和進一步擴展，最終使得混凝土在壓力作用下形成貫穿式裂縫，均勻分布在混凝土非加載面上.其中，含有橡膠顆粒的試件破壞后會伴隨部分橡膠顆粒的脫落，同時試件破壞后的完整性相對較高.在高加載應變率作用下，混凝土初始損傷形成的裂縫來不及擴展，試件無法在短時間內形成均勻應力狀態，一般有1~2條主斜裂縫在試件中貫穿，同時伴隨部分粗骨料的破壞和部分橡膠顆粒的脫落，最終形成如圖2所示的破壞形態.

圖2 不同加載工況下橡膠纖維混凝土的受壓破壞形態Fig.2 Compression failure modes of rubber fiber reinforced concrete under different loading conditions

摻聚丙烯纖維試件在受壓破壞后的完整性明顯提高，其破壞后的裂縫數量較少、裂縫寬度較小.摻聚丙烯纖維試件在受壓破壞后有2條主斜裂縫貫穿式發展，主斜裂縫周圍分布較多細小裂縫，破壞時伴隨著部分聚丙烯纖維的拉出或者拉斷.在高加載應變率作用下，摻聚丙烯纖維試件均存在一定程度的粗骨料破壞.對于聚丙烯纖維摻量為0%的試件而言，在靜力加載應變率作用下，裂縫均勻分布在其非加載面上；在動力加載應變率下則呈現以斜裂縫為主的貫穿式破壞形態.對于聚丙烯纖維摻量為0.6%的試件而言，靜動力加載應變率作用下的破壞形態均為基本相似的偏斜向貫穿式裂縫.分析原因在于聚丙烯纖維與混凝土砂漿之間的相互作用，使得裂縫的發展得到一定抑制，試件更易形成均勻應力狀態；同時，本文考慮的加載應變率范圍為中低應變率狀態，故當聚丙烯纖維摻量為0.6%時，靜動力加載應變率作用下的混凝土破壞形態基本相似.

2.2 應力-應變曲線

根據本文橡膠纖維混凝土受壓加載方案，可得到不同加載工況下橡膠纖維混凝土受壓應力-應變曲線，如圖3所示.

圖3 不同加載工況下橡膠纖維混凝土受壓應力-應變曲線Fig.3 Compression stress?strain curves of rubber fiber reinforced concrete under different loading conditions

根據圖3分析，在不同配合比和加載應變率作用下，混凝土受壓應力-應變曲線發展趨勢基本相同，均表現出良好的連續性和光滑性.受壓應力-應變曲線均分為彈性階段、彈塑性階段和下降段，應力-應變曲線發展趨勢與加載應變率和橡膠纖維摻量無關.對于同種配合比試件，其受壓峰值應力隨著加載應變率的提高均逐步增大，彈性模量也有逐步增大趨勢，但峰值應變受加載應變率影響不明顯.與其他配合比試件存在明顯差異的是摻橡膠顆粒混凝土的應力-應變曲線下降段，該下降段發展逐步變緩，表現出塑性變形能力.分析原因主要是橡膠顆粒具有較好的變形能力，從而使得摻橡膠顆粒混凝土的應力-應變曲線下降段表現出較好的延性特征.分析聚丙烯纖維摻量對混凝土受壓應力-應變曲線下降段的影響可知，單摻聚丙烯纖維混凝土在受壓破壞后表現出一定的脆性破壞特征.對于同種配合比試件，加載應變率對其應力-應變曲線下降段的影響基本相同.

混凝土吸能能力為混凝土開始加載直至試件發生破壞所需要的能量，計算時一般取應力-應變曲線達到峰值應力點時與應變坐標軸所包含面積［12］.根據本文不同加載工況下橡膠纖維混凝土受壓應力-應變曲線計算得到不同加載應變率對混凝土吸能能力及其提升率的影響，如圖4、5所示.

圖4 加載應變率對混凝土吸能能力的影響Fig.4 Effect of loading strain rate on energy absorption capacity of concrete

圖5 加載應變率對混凝土吸能能力提升率的影響Fig.5 Effect of loading strain rate on percentage increase of energy absorption capacity of concrete

由圖4、5可見，隨著加載應變率的提高，混凝土吸能能力逐步增大.橡膠取代率和聚丙烯纖維摻量均為0%的普通混凝土試件在加載應變率為1.0×10-5s-1時，其吸能能力為281.39 N/m；當加載應變率提高至1.0×10-2s-1時，其吸能能力升至376.62 N/m，提升率為33.84%.單摻聚丙烯纖維試件的吸能能力由加載應變率為1.0×10-5s-1時的728.97 N/m提高至加載應變率為1.0×10-2s-1時的1 009.06 N/m，提升率為38.42%；單摻橡膠顆粒試件的吸能能力由加載應變率為1.0×10-5s-1時的190.95 N/m提高至加載應變率為1.0×10-2s-1時的248.86 N/m，提升率為30.33%；雙摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維試件的吸能能力由加載應變率為1.0×10-5s-1時的394.74 N/m提高至加載應變率為1.0×10-2s-1時的579.64 N/m，提升率為46.84%.由上述分析可知，本文所設計配合比中，摻入一定量的聚丙烯纖維將使普通混凝土的吸能能力提高，而摻入橡膠顆粒將使普通混凝土的吸能能力降低.

2.3 力學特征參數

為進一步探究加載應變率對橡膠纖維混凝土受壓動力性能的影響，由圖3所示的橡膠纖維混凝土受壓應力-應變曲線提取峰值應力、彈性模量和峰值應變，用以分析橡膠纖維混凝土力學特征參數受橡膠取代率、聚丙烯纖維摻量和加載應變率影響的變化規律.

2.3.1 峰值應力

對于混凝土峰值應力受加載應變率影響的定量分析一般采用峰值應力動力提高系數αDIF，其定義如式（1）所示［13］.

式 中：σd為 動 力 加 載 應 變 率（ε?d=5.0×10-5~5.0×10-2s-1）作用下的橡膠纖維混凝土峰值應力，MPa；σs為靜力加載應變率（ε?s=1.0×10-5s-1）作用下的橡膠纖維混凝土峰值應力，MPa.

由圖3所示的橡膠纖維混凝土受壓應力-應變曲線提取混凝土峰值應力，并應用式（1）計算得到加載應變速率對混凝土峰值應力及動力提高系數的影響，如圖6、7所示.

圖6 加載應變率對混凝土峰值應力的影響Fig.6 Effect of loading strain rate on peak stress of concrete

由圖6、7可見，當加載應變率相同時，單摻聚丙烯纖維試件的峰值應力較普通混凝土試件有所降低；雙摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維試件的峰值應力較單摻橡膠顆粒試件有所提高.對于同種配合比試件，隨著加載應變率的提高，其峰值應力逐步增大.其中：普通混凝土試件在靜力加載應變率1.0×10-5s-1下的峰值應力為25.94 MPa，在動力加載應變率5.0×10-2s-1下的峰值應力提高至35.07 MPa，提高幅度為35.20%；單摻聚丙烯纖維試件在靜力加載應變率1.0×10-5s-1下的峰值應力為23.65 MPa，在動力加載應變率5.0×10-2s-1下的峰值應力提高至34.21 MPa，提高幅度為44.64%；單摻橡膠顆粒試件、雙摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維試件在靜力加載應變率1.0×10-5s-1下的峰值應力分別為10.97、11.64 MPa，在動力加載應變率5.0×10-2s-1下的峰值應力則分別提高至13.46 MPa和15.24 MPa，提高幅度分別為22.70%和30.89%.從總體趨勢分析可知，摻橡膠顆粒混凝土的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度相對較低，摻聚丙烯纖維混凝土的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度較大.文獻［14?15］對加載應變率為1.0×10-5~1.0×10-2s-1作用下的普通混凝土受壓動力性能進行研究，得出其峰值應力提高幅度一般為30%~40%，本文普通混凝土試件的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度基本符合這一提高區間范圍.不同試驗存在一定差異性的原因主要在于試件尺寸的設計以及混凝土本身具有隨機性和離散性.對于橡膠混凝土受壓動力性能的研究，文獻［16］研究了加載應變率為1.67×10-5~1.0×10-3s-1和橡膠取代率為0%~7%的混凝土受壓動力特性，結果表明隨著橡膠取代率的提高，混凝土峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度逐步降低；文獻［17］采用超高應變率，應用霍普金森壓桿對橡膠混凝土受壓動力性能進行試驗研究，結果表明含有橡膠顆粒混凝土的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度低于普通混凝土.橡膠取代率較高時，橡膠混凝土的峰值應力變化規律與橡膠取代率較低時基本相似，即橡膠混凝土峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度低于普通混凝土.摻聚丙烯纖維混凝土的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度高于普通混凝土，原因在于加載應變率的提高使得混凝土損傷發生一定遲滯效應，混凝土應力無法均勻分布，裂縫發展迅速，在破壞形態中存在部分粗骨料的損傷破壞，最終使得混凝土峰值應力逐步增大；同時聚丙烯纖維摻量的提高使得混凝土在受壓作用下的側向變形所受影響隨之增大，加載應變率越高其側向變形受到的影響越大，最終摻聚丙烯纖維混凝土的峰值應力受加載應變率影響所提高的幅度相對較高.

對于普通混凝土峰值應力動力提高系數與加載應變率之間的定量分析一般采用式（2）進行表述.該方程說明混凝土峰值應力動力提高系數αDIF與lg（ε?d/ε?s）呈線性變化關系［18］.

式中：參數a表示αDIF受加載應變率影響的提高幅度大小；參數b為靜力加載應變率下的混凝土峰值應力動力提高系數，一般取值b=1.

依據式（2），對本文試驗數據進行數學回歸分析，得到橡膠纖維混凝土峰值應力動力提高系數αDIF與加載 應變率 的關系，如式（3）~（6）和 圖7所示.

圖7 加載應變率對混凝土動力提高系數的影響Fig.7 Effect of loading strain rate on dynamic improvement coefficient of concrete

試件C?0%?0%：

試件C?0%?0.6%：

試件C?30%?0%：

試件C?30%?0.6%：

分析圖7可見，式（2）對橡膠纖維混凝土峰值應力動力性能的定量分析具有較好的適用性.對比分析式（3）~（6）中的待定系數a可知，在相同橡膠顆粒取代率下，摻聚丙烯纖維混凝土的系數a相對較高；在相同聚丙烯纖維摻量下，摻橡膠顆粒混凝土的系數a相對較低.與定性研究結果相同，即橡膠顆粒使得混凝土峰值應力受加載應變率影響而導致的變化有所減小，聚丙烯纖維使得混凝土峰值應力受加載應變率影響而導致的變化有所增大.

2.3.2 變形參數

研究混凝土力學性能中的變形參數時，一般通過混凝土的彈性模量和峰值應變進行分析.根據圖3和式（7），可提取橡膠纖維混凝土的彈性模量，而峰值應變即為混凝土峰值應力所對應的應變值.混凝土彈性模量計算式為［2］：

式中：σ0.5和σ0.1為混凝土峰值應力的50%和10%，MPa；ε0.5和ε0.1為混凝土峰值應變的50%和10%.

加載應變率對混凝土的彈性模量和彈性模量動力提高系數Ed/Es（Ed和Es分別為動力加載應變率和靜力加載應變率下的混凝土彈性模量）的影響見圖8、9.

圖8 加載應變率對混凝土彈性模量的影響Fig.8 Effect of loading strain rate on elastic modulus of concrete

由圖8、9可見，在相同加載應變率下，摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維混凝土的彈性模量相對較低.橡膠顆粒取代率和聚丙烯纖維摻量均為0%的普通混凝土試件在加載應變率為1.0×10-5s-1時，其彈性模量為13.54GPa，在加載應變率提高至5.0×10-2s-1時，其彈性模量為16.19 GPa，彈性模量受加載應變率影響所提高的幅度為19.57%；單摻聚丙烯纖維試件的彈性模量由靜力加載應變率1.0×10-5s-1時的4.27 GPa提高至動力加載應變率5.0×10-2s-1時的6.77 GPa，提高幅度為58.65%；單摻橡膠顆粒試件的彈性模量由靜力加載應變率1.0×10-5s-1時的4.11 GPa提高至動力加載應變率5.0×10-2s-1時的5.63 GPa，提高幅度為37.00%；雙摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維試件的彈性模量由靜力加載應變率1.0×10-5s-1時的1.80 GPa提高至動力加載應變率5.0×10-2s-1時的2.46 GPa，提高幅度為36.90%.從總體趨勢分析可知，對于同種配合比試件，隨著加載應變率的提高，混凝土彈性模量逐步增大；聚丙烯纖維摻量相同時，摻有橡膠顆粒的混凝土彈性模量受加載應變率影響所提高的幅度相對較低；橡膠顆粒取代率相同時，摻有聚丙烯纖維的混凝土彈性模量受加載應變率影響所提高的幅度相對較高.

對于橡膠纖維混凝土彈性模量受加載應變率影響的定量關系提出類似于式（2）所示的表達形式，根據本文不同加載工況下橡膠纖維混凝土彈性模量進行定量計算分析，得到式（8）~（11）.

試件C?0%?0%：

試件C?0%?0.6%：

試件C?30%?0%：

試件C?30%?0.6%：

由式（8）~（11）和圖9可知，式（2）對橡膠纖維混凝土彈性模量在加載應變率影響下的變化幅度具有較好的定量分析效果.通過分析式（8）~（11）的參數值可知，4種配合比橡膠纖維混凝土的彈性模量在加載應變率影響下的變化規律與定性分析結論相一致.

圖9 加載應變率對混凝土彈性模量動力提高系數的影響Fig.9 Effect of loading strain rate on elastic modulus dynamic improvement coefficient of concrete

由圖3所示曲線提取峰值應變，采用與峰值應力相同的定性分析方式，分析加載應變率對橡膠纖維混凝土峰值應變及其變化系數的影響，如圖10、11所示.

由圖10、11可見，相同聚丙烯纖維摻量下，摻有橡膠顆粒的混凝土峰值應變相對較高；相同橡膠取代率下，摻有聚丙烯纖維的混凝土峰值應變相對較高.當橡膠取代率和聚丙烯纖維摻量分別為（0%，0%）、（0%，0.6%）、（30%，0%）和（30%，0.6%）時，橡膠纖維混凝土峰值應變的變化區間分別為1 997~2 323、6 077~6 491、2 848~3 560、7 019~7 474μm/m，峰值應變變化系數的變化區間分別為-5.80%~9.58%、-2.44%~4.21%、-0.93%~10.01%和-3.60%~2.65%.文獻［13］對于普通混凝土極限應變受加載應變率影響而導致的變化尚無定論，分別是：隨著加載應變率的提高，普通混凝土極限應變逐步增大；隨著加載應變率的提高，普通混凝土極限應變逐步減小；隨著加載應變率的提高，普通混凝土極限應變基本沒有變化.本文研究的橡膠纖維混凝土極限應變受加載應變率的影響所發生的變化較為離散，沒有明確規律，這主要與混凝土材料的隨機性和離散性有關，而混凝土的隨機性和離散性表現在混凝土應變參數中.

圖10 加載應變率對混凝土峰值應變的影響Fig.10 Effect of loading strain rate on peak strain of concrete

圖11 加載應變率對混凝土峰值應變變化系數的影響Fig.11 Effect of loading strain rate on peak strain change coefficient of concrete

3 結論

（1）相同加載應變率作用下，摻橡膠顆粒和聚丙烯纖維的混凝土在受壓破壞后的完整性相對較高；加載應變率對不同取代率橡膠混凝土受壓破壞形態的影響規律基本相似；當聚丙烯纖維摻量為0.6%時，靜動力受壓作用下的混凝土破壞形態基本相似，與不摻聚丙烯纖維的混凝土所表現的規律存在明顯不同.

（2）相同橡膠取代率和聚丙烯纖維摻量下，隨著加載應變率的提高，混凝土峰值應力和彈性模量明顯增大.摻橡膠顆粒混凝土的峰值應力和彈性模量受加載應變率影響而導致的變化幅度相對較低，摻聚丙烯纖維混凝土的變化幅度相對較高.

（3）隨著橡膠取代率和聚丙烯纖維摻量的提高，橡膠纖維混凝土的塑性變形能力逐步增大，加載應變率對橡膠纖維混凝土塑性變形能力沒有明顯影響.隨著加載應變率的提高，橡膠纖維混凝土的峰值應變變化較為離散，這與混凝土材料的隨機性和離散性有關.

（4）提出了加載應變率與橡膠纖維混凝土峰值應力動力提高系數和彈性模量動力提高系數的關系方程，并對其受力機理進行了探討分析，研究結果對結構設計有參考價值.