橡胶集料改性混凝土在剪力墙结构中的应用初探

惠勃涛 朱登峰 刘超赛 刘珅 王龙飞 韩阳 王惠芬

河南工业大学土木建筑学院（450001）

橡胶集料改性混凝土在剪力墙结构中的应用初探

惠勃涛 朱登峰 刘超赛 刘珅 王龙飞 韩阳 王惠芬

河南工业大学土木建筑学院（450001）

混凝土剪力墙具有延性差、自重大等缺陷；改性橡胶集料的掺入会使混凝土强度有所降低，但其降低程度仍在可接受范围之内，且具有延性好、质量轻、耗能能力强等优点，弥补了剪力墙结构的缺陷。这里在对比分析普通混凝土剪力墙特点和橡胶集料改性混凝土材料本身特点的基础上，提出了橡胶集料改性混凝土应用于剪力墙结构中的可能性。

橡胶集料；改性；混凝土；力学性能；剪力墙

0 引言

橡胶集料改性混凝土,是以混凝土为基材,掺入表面经过改性处理的橡胶颗粒，经过凝结硬化形成的土木工程复合材料。近年来，国内外学者对橡胶混凝土的研究已较为深入，在道路工程、桥梁工程、铁路工程等领域已经得到应用。

近年来，我国发生的大地震造成了严重的人员伤亡和财产损失。其中，汶川地震震害调查表明，地震中建筑结构的破坏与倒塌是造成人员伤亡和财产损失的主要原因之一。随着我国城市化进程的日益推进，改善建筑结构体系，提高建筑物的抗震性能和抗倒塌能力，减少各方面的损失，成为亟待解决的重要课题。

1 混凝土剪力墙的研究现状

房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载的墙体称为剪力墙，用混凝土剪力墙承受竖向荷载的抵抗侧向力的结构体系称为剪力墙结构。我国剪力墙结构经过半个多世纪的发展，已经成为现代高层建筑中的一个重要结构体系，由于其具有抗侧刚度大、整体性好等优点，在高层居住型建筑中应用较为广泛。居住型建筑开间较小,剪力墙结构能够将承重墙和分隔墙合二为一,很大程度上降低了建造成本。

虽然剪力墙结构具有很多优势，但其劣势也很明显，如混凝土剪力墙延性较差,且结构自重大,由地震加速度产生的地震作用大，建造材料消耗也因此增大。

国内外学者关于提高混凝土剪力墙抗震性能的研究主要集中在减轻自重，改善剪力墙的结构布置，增加结构延性耗能机构，提高结构的冗余度等方面。

Qiuhong Zhao等设计了钢与混凝土的组合剪力墙，并通过对三层墙体的拟静力试验验证了该组合剪力墙结构具有较好的延性和承载力，提高了剪力墙结构的抗震性能。吴志维等设计并通过对5种嵌套式混凝土剪力墙试件受到较大破坏后的性能进行拟静力试验和分析，总结了在普通混凝土剪力墙上改进获得高冗余度剪力墙的一般方法。在减轻混凝土墙体自重方面，开展了对陶粒混凝土、浮石混凝土、煤矸石混凝土等轻骨料混凝土应用于剪力墙结构的研究。

2 橡胶集料改性混凝土研究现状

橡胶集料改性混凝土自重轻,弹性模量小，延性好，变形能力强，抗裂抗冻性好，耐久性好，抗冲击性好，具有良好的抗震性能。国内外有关研究主要集中在橡胶集料混凝土的强度、延性、隔声性能和抗冲击性能。

2.1 弹性模量

Eshmaiel Ganjian等认为混凝土的弹性模量取决于其成分中的骨料和胶凝材料，因为骨料的弹性模量明显大于胶凝材料的弹性模量，用橡胶集料等质量取代骨料，混凝土弹性模量下降更为明显。Ali O.Atahan等通过试验证明，当混凝土中的骨料完全被橡胶集料代替时，其弹性模量下降96%。

2.2 力学性能

由于橡胶集料的弹性模量较混凝土小，并且与混凝土之间的黏接作用较小，在承受外部荷载作用时,裂缝首先出现在橡胶颗粒与胶凝材料的交界处。另外，橡胶集料本身密度小，在混凝土拌合时易上浮,导致橡胶集料混凝土成型后质量分布不均匀，使得其强度降低。

杨长辉等从橡胶颗粒表面改性的角度出发，分别用不同溶液对橡胶颗粒表面改性，总结出相关的改性机理,有效提高了橡胶混凝土的强度。如图1所示。

图1 不同改性工艺对橡胶混凝土抗压、抗折强度的影响

陈波等通过对基准橡胶集料混凝土与加压成型的橡胶集料混凝土抗压强度和抗折强度的对比，证明了加压成型工艺能有效减少橡胶集料混凝土较普通混凝土的强度下降幅度。

2.3 延性和韧性

橡胶集料的掺入在降低了混凝土强度的同时明显提高了混凝土的延性。Ali R.Khaloo等采用应力应变曲线中应力达到极限应力的80%的曲线所围成的面积，与极限应力点的曲线所围面积的比值作为延性指数，当橡胶的替代量达到骨料体积的25%时，韧性指数达到最大值。冯文贤等用橡胶粉分别以5%、10%、15%的比例等体积替代细骨料，试验测得其压应变峰值分别是普通混凝土的1.25、1.57、2.40倍，拉应变的峰值分别是普通混凝土的1.38、2.94、3.52倍,认为在变形时橡胶粉能够有效吸收或耗散裂缝扩展时释放的能量，增韧减脆，使橡胶混凝土在静态破坏时，破而不碎，裂而不断，在一定程度上趋于延性破坏。白亚强等对橡胶集料改性混凝土试块与普通混凝土试块的受压破坏形态进行了对比分析，如图2所示。

图2 橡胶集料改性混凝土试块受压破坏形态

2.4 抗冲击性和阻尼比

抗冲击性与阻尼比是混凝土材料主要的动力学性能,国内外的研究均表明掺加橡胶颗粒后，明显提高了混凝土的抗冲击性能。

李浩然等的研究结果显示，在横梁中掺入橡胶集料后能适当降低结构的侧向刚度，延长结构自振周期，降低水平地震作用，从而提高结构抗震性能。

研究表明，强度约为普通混凝土30%的橡胶混凝土与普通混凝土具有相似的抵抗冲击的能力。当橡胶等体积替代骨料的掺量达到20%～40%时，可以吸收大量冲击能，明显减轻猛烈冲击对混凝土的影响。橡胶混凝土的抗冲击性能显著优于普通混凝土，这主要是由于掺加的橡胶粉填充了混凝土中的细小空隙,提高了混凝土的密实度，混凝土的韧性增加，且在外荷载作用下缓冲、吸收能量的能力同时增强。材料的阻尼与结构的减震性能密切相关。有研究指出掺加粒径较大的橡胶块比掺加粒径较小的橡胶粉能更有效的提高混凝土的阻尼比。也有研究有相似的结论，掺加橡胶能降低混凝土的动弹性模量，但将提高混凝土的阻尼衰减率,当橡胶的掺量达到细骨料体积的20%时,混凝土的衰减率，提高了约37.5%，而且掺量比粒径对混凝土阻尼的影响更为显著。

3 橡胶集料改性混凝土应用于剪力墙结构中的构想

橡胶集料改性后以等体积替代细骨料的方式加入混凝土中，使混凝土的强度有所降低，但仍能满足钢筋混凝土剪力墙结构的强度要求，并且具有轻质的特点，能有效减小由地震加速度产生的地震作用。同时，橡胶集料改性混凝土较普通混凝土的延性和韧性都显著提高，用于结构中可以显著提高结构的自振周期，并且在变形时橡胶粉能够有效吸收或耗散裂缝扩展时释放的能量,增韧减脆，使橡胶混凝土在静态破坏时，破而不碎，裂而不断，使橡胶混凝土在一定程度上趋于延性破坏。橡胶集料的掺加，有效地提高了混凝土的阻尼比，在外荷载作用下增强了结构缓冲和吸收能量的能力，使混凝土可以吸收大量的冲击能，明显减轻了猛烈冲击对混凝土的影响，因此对结构抗震极为有利。

目前，国内外尚无将橡胶集料混凝土应用于剪力墙结构中的相关研究。笔者通过分析橡胶集料改性混凝土的性能以及目前混凝土剪力墙结构的缺陷，提出将橡胶集料改性混凝土应用于剪力墙结构中的构想，希望能够引起有关学者的关注和思考。

[1]李登.基于鲁棒性的教学楼建筑受力性能分析[D].长沙:湖南大学,2011:1～12.

[2]方鄂华,钱稼如,叶列平.高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003:1～14.

[3]逯方,孙晴.浅谈混凝土剪力墙结构设计[J].城市建设理论研究(电子版),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]白亚强,韩阳,巴松涛.橡胶集料改性混凝土高温后力学性能试验研究[D].郑州:河南工业大学,2014,5.