橡膠集料風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.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，呼和浩特010051 3.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003；4.東南大學土木工程學院，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”戰略的提出，城市和鄉村的建筑都發生了巨大變化。越來越多的工程建設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，逐漸難以達到不斷增長的建筑建造需求。因而不少學者開始探索新的工程用砂的砂源。對于內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］。而對于現在汽車行業的飛速發展，我國早已成為世界輪胎生產和消費大國，輪胎一直是橡膠消耗量的重要產業，在輪胎用量中橡膠占65%～70%，有關部門統計2020年的廢舊輪胎已超過2 000萬噸，年產量達860萬噸［2］。我國已成為名副其實的世界廢棄橡膠，廢舊輪胎生產大國。如果將風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，優化環境，也使得橡膠得到二次循環利用，避免造成不必要的污染，長久之計，在建筑中意義重大。

目前，國內外研究學者對于風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］表明風積沙的摻入能夠提升混凝土的強度，包建強等［5］和賀業邦［6］研究表明：30%風積沙取代率的性能較優。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］。而對于兩者在構件方面的研究僅有少數［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點［12］，但由于橡膠本身與水泥不發生化合反應，會導致橡膠集料混凝土界面區出現明顯的孔隙和裂縫。風積沙所屬細砂，有著很好的填充效應［13］。若將風積沙和橡膠集料替代河砂配制出新型混凝土-橡膠集料風積沙混凝土，不僅可以彌補橡膠集料混凝土內部結構缺陷，也可以增強混凝土作為構件的耗能性能。本文就兩種材料，以C40混凝土等級為基礎，前期通過試驗研究對不同配合比的橡膠集料風積沙混凝土進行了力學性能分析，結果表明：橡膠取代率為10%的橡膠集料混凝土、橡膠取代率為10%和風積沙取代率為30%的橡膠集料風積沙混凝土力學性能最佳［14］。因此本文選取10%的橡膠和30%的風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積沙混凝土柱，并對其與普通混凝土柱和風積沙混凝土柱進行對比。利用低周反復荷載試驗研究其抗震性能，并為抗震工程應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；風積沙采用鄂爾多斯庫布齊沙漠的表層砂，細度模數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《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）設計制備，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《建筑抗震設計規范》（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%風積沙的橡膠集料風積沙混凝土柱（AR-10）。各試件截面尺寸均為250 mm×250 mm，構件高度為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護，養護時間為28 d。養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。鋼筋的力學性能根據《金屬材料拉伸試驗：第1部分：室溫試驗方法》規定進行拉伸測試，見表3。混凝土柱試件的尺寸及配筋形式如圖1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 鋼筋力學性能Table 3 Mechanical properties of reinforcement

試驗在內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室進行。采用擬靜力低周反復加載，為了能夠最大限度的模擬試件在地震時的受力狀態，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，每周期循環3次，直到荷載下降至極限荷載的85%或試件不能再承擔預定軸壓力時結束試驗。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荷載水平位移。為了解鋼筋應變情況，在縱筋和箍筋上分別布置應變片，具體如圖3所示。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test set-up

圖3 應變片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

2 試驗結果及分析

2.1 試驗破壞過程及形態

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變較小。當卸載后，試件變形即可基本完全恢復。隨著水平荷載的增加，在試件的腹中部首先出現第一條裂縫，負向加載時，另一側也出現了同樣大小的裂縫，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延伸擴展形成較長的斜裂縫，過程中混凝土承擔的軸力拙見傳給縱筋以及箍筋，使鋼筋的應力應變逐漸加大。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試件所發出的崩裂聲較為沉悶。隨著荷載的繼續增加，試件混凝土受壓區大面積剝落，根部鋼筋暴露出來，試件破壞，試驗終止。

4個試件在低周反復荷載作用下C-0、A-0、AR-10和R-10均發生為脆性破壞，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于C-0和A-0。試件破形態如圖4所示。

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

2.2 滯回曲線

滯回曲線是構件抗震性能分析的基礎，其綜合反映了試件的承載能力，延性以及剛度等力學指標。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系，這也是由于試件開始的剛度退化較為不明顯，每次循環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。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荷載作用下的P-Δ曲線中的每一級荷載的第1循環峰值點所連接的外包絡線，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，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，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，而在工程結構抗震當中，等效粘滯阻尼系數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，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的等效粘滯阻尼系數。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Table 5 Equivalent viscous damping coefficients

2.6 剛度退化

在循環反復荷載作用下，由于試件的累計損傷導致試件剛度隨位移加載循環的增大不斷減小的現象稱為剛度退化。即每次循環正負向最大荷載與對應的位移比值，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，而風積沙的摻入卻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

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

圖8 第i循環的受力狀態Fig.8 Mechanical state of the ith cycle

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

式中：K0為構件正反向加載的初始剛度平均值分別表示第i次循環時正向和反向加載外力所作的功；±Δi表示第i次循環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，結構在反復荷載作用下第i循環的損傷指數Di計算公式是將式（4）除以式（2）得：

再結合損傷模型圖8，可用相應的面積表示為：

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為各試件每次循環的損傷指數曲線。

由圖9可知：各試件的損傷指數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增長迅速，當試件達到屈服后，損傷指數出現平緩，這說明前期的裂縫開展導致了試件的力學性能出現劣化，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要明顯大于摻有橡膠的R-10試件和AR-10試件，且摻有風積沙的試件A-0和AR-10的損傷程度要比未摻風積沙試件的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 結論

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

（1）從試驗現象來看：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積沙混凝土柱試件的要小，且后期混凝土的脫落現象也不為明顯。

（2）橡膠集料風積沙混凝土柱和橡膠集料混凝土柱的滯回曲線較為飽滿，未發生“捏縮”效應。相比于其余3根混凝土柱，橡膠集料風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。