橡胶混凝土局部承压性能试验研究

周伟锋,王子凡,王鑫,徐骁青

(重庆大学 土木工程学院,重庆 400045)

0 引言

近年来,废旧轮胎处理成为新的环境问题.目前,我国对废旧轮胎的回收利用率仅为50%左右,造成了巨大的资源浪费[1].随着轻骨料混凝土技术的快速发展,橡胶混凝土成为处理废弃轮胎的一种颇具潜力的方式,另外,橡胶混凝土具有隔声、隔热、减震、延性好等特点[2],很好地契合了当前人们对于建筑物功能的需求,同时也能减轻废旧轮胎导致的固体污染,有潜力应用于抗疲劳和抗渗要求较为严格的结构[3].

尽管橡胶混凝土的研究与应用已在国内外开展,并有了大量针对橡胶混凝土力学性能的研究[4-6],但目前缺乏对其局部承压性能的研究.而在实际工程中,混凝土局部承压的情况较为常见,如桥梁支座作用于主梁或基础上[7],车轮作用于桥面,预应力钢筋的锚固[8]等.因此,为推广橡胶混凝土的应用,有必要研究其局部承压性能.本文进行了橡胶混凝土局部承压试验,分析了橡胶混凝土的破坏模态、破坏机理和变形特性,明确了橡胶掺量、龄期和局部承压面积对局部承压强度的影响规律.同时,将试验结果与我国现行 《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[9]进行了比较,分析了橡胶混凝土局部承压强度的计算方法.

1 试验方案

1.1 试件的参数

试验采用棱柱体试件,试件的几何尺寸为150mmX150mmX 300mm.试件分为4组,每组9个试件,分别采用边长150mm、77mm和50mm的正方形加载板.混凝土配合比如表1所示.其中第一组为普通混凝土,其他组为橡胶混凝土.试件浇筑成型后,除第二组养护时间为14d外,其余组养护时间均为28d.

表1 试件混凝土配合比和龄期

1.2 试件的制作

配置橡胶混凝土时使用的材料有:某水泥厂生产的强度等级为42.5普通硅酸盐水泥;某新材料有限公司生产的橡胶颗粒,颗粒直径为2~4mm;石灰岩碎石,粒径5~30mm;河沙,中砂;自来水;萘系减水剂,型号FND-C,减水率为18%~28%,掺量为0.5%~1%.试件均在自然条件下养护.

1.3 试验装置及加载方法

采用5000kN液压伺服型压力机进行试验.试验主要测量试件的轴向荷载、轴向压缩位移、横向和纵向的应变,轴向荷载可以由压力机直接采取,试件的轴向压缩位移由两个位移计测量,横向和纵向应变分别由试件中部的横向和轴线中部的纵向应变片测量,测试系统采用东华测试系统.加载装置和测量装置如图1所示.加载方法按相关规定采用分级加载,在60%的预计极限荷载范围内,每级荷载增加40kN;在60%~80%的预计极限荷载范围内,每级荷载增加20kN;然后超过80%的预计极限荷载后,采用每级荷载增加10kN或者5kN.每一级荷载加载前,荷载持续施压大于30s.加载速度为0.3kN/s.试件破环,停止加载.

图1 试件加载示意图

2 试验结果及讨论

试件的局部承压强度按照公式(1)计算,结果如表2所示.显然,每组试件的局部承压强度均随局部承压面积的减少而增大.其中,部分试件因试件制作与加载过程中的失误未得到试验结果.

其中fcb为局部承压强度,Fcu为试件破坏时的极限荷载,Al为局部承压面积.

表2 局部承压强度(单位:MPa)

2.1 破坏模态和破坏机理

试验结果表明,橡胶混凝土局部承压破坏形态与普通混凝土类似,分为先开裂后破坏、开裂即破坏、局部混凝土下陷三种[10].先开裂后破坏是在一侧形成裂缝,随后延伸,上下底面贯通而破坏,如图2a;开裂即破坏是在加载过程中,试件开裂,承载力就丧失,属于脆性破坏,裂缝上大下小,顶部混凝土被劈成数块,如图2b;局部混凝土下陷是当荷载增加,混凝土的受压区域与非受压区域产生了明显的相对位移,此时试件没有破坏,当达到极限荷载时,试件突然破坏,下陷部分形成楔形体,如图2c、图2d.

橡胶混凝土的局部承压破坏机理与普通混凝土类似.局部承压试件在不同的加载阶段存在着两种类型的劈裂力,第一种是加载力向全截面扩散引起的"中部劈裂力";第二种是楔形体位形变过程中由于楔面的塑性剪切变位或者滑移引起的"顶部劈裂力".先开裂后破坏模式是由于中部劈裂力较高,而承压区混凝土还未到达剪切破坏的极限状态,故表现为试件中下部首先出现纵向裂缝,然后裂缝随着荷载增加逐步扩展,直至承压板下出现剪切破坏的楔形体时,试件才最终破坏;开裂即破坏模式是由于试件的"中部劈裂力"较低,而"顶部劈裂力"比较大,楔形体形成时试件的中、下部尚未开裂,故表现为"顶部劈裂力"突然将构件劈开;楔面形成时产生的"顶部劈裂力"尚不足将外围混凝土胀裂,这时就表现为承压板下的混凝土局部剪切破坏,承压板下陷迅速增加,而外荷载却继续提高,直至外围混凝土劈裂而最终破坏,导致局部混凝土下陷破坏[10].

图2 试件破坏模态图

2.2 橡胶混凝土局部承压变形特性

以第四组橡胶掺量20%的橡胶混凝土试件为例分析橡胶混凝土局部承压变形特性.图3为不同局部承压面积下实测的荷载与加载板下陷位移值的关系图.三条荷载-位移曲线形式基本类似,前段变形较大,主要是试件与加载设备之间的间隙引起的.三条曲线后段的割线刚度相近,且加载板边长50mm试件略微大于边长77mm试件.图4所示为测得的拉压应变值随荷载的变化情况.显然,应变的绝对值均随着荷载的增加而增加,且在曲线前段几乎是线性关系.加载板边长50mm试件的压应变曲线斜率大于边长77mm试件,说明其整体压缩变形较小.另外,由于混凝土拉应变在200με左右将开裂,表明除加载板边长77mm试件,其余两个试件均为先开裂后破坏的失效模式.

图3 荷载-位移曲线

图4 荷载-应变曲线

2.3 橡胶掺量对局部承压强度的影响

比较相同龄期、橡胶掺量不同的第一、三、四组试件的数据,可以看出,随着橡胶掺量的增加,轴心抗压强度与局部承压强度都有不同程度的减小.我国现行规范规定局部承压强度提高系数β按下式计算[9,11]:

其中,Ab、A1分别为局部承压计算底面积和局部承压面积.以为横坐标,以局部承压强度提高系数β为纵坐标,由散点图拟合线性曲线,并与规范进行对比,得到图5.其中散点图拟合而成的蓝线即为第一、三、四组的局部承压强度随局部承压面积比变化曲线,而红线为公式(2)代表的曲线.由图5可知,三组拟合曲线的系数均接近且略高于1.0,表明试验值略大于公式(2)计算值,现行规范可用于橡胶混凝土局部承压强度的计算.另外,橡胶掺量为0的第一组对应系数最大,而橡胶掺量20%的第四组对应系数最小.推测橡胶颗粒使得混凝土的弹性有较大的增加,从而导致在其局部承压时的变形增加,使得部分混凝土提早破坏,从而减弱了其局部承压强度,即减小了局部承压强度提高系数.

2.4 龄期对局部承压强度的影响

由表2第二组和第三组可知,随着龄期的增长,橡胶混凝土的局部承压强度也随之上升,符合混凝土材料强度发展的基本规律[6].轴心抗压强度28d龄期相比14d龄期增长了3.6MPa,局部承压面积比为3.73和9的局部承压强度分别增长了2.2MPa和3.47MPa,由此可知,在不同的局部承压面积比下,橡胶混凝土局部承压强度受到龄期的影响不同.另外,由图5b和图5c可知,橡胶混凝土各个龄期的局部承压强度均高于按规范公式计算的强度.随着龄期的增长,橡胶混凝土的局部承压强度趋近规范公式计算结果.14d龄期,局部承压面积比为3.73时,橡胶混凝土的局部承压强度高出规范公式计算强度的16%,但到28d龄期时,规范公式和橡胶混凝土的局部承压强度基本吻合,相差不足5%.可以看出,橡胶混凝土早期局部承压强度的发展高于普通混凝土,这是由于橡胶混凝土的抗压强度发展快,提高了橡胶混凝土的局部承压强度.

图5 试验数据与规范对比图

3 结论

本文开展了不同橡胶掺量、龄期和局部承压面积下橡胶混凝土的局部承压性能试验,得到以下结论:

(1)橡胶混凝土的局部承压强度与局部承压强度提高系数成正比,在20%橡胶掺量范围内,可采用混凝土结构规范公式中相关计算方法计算;

(2)橡胶混凝土局部承压破坏模式与混凝土的破坏模式类似,分为先开裂后破坏、开裂即破坏、局部混凝土下陷三种;

(3)当橡胶掺量增加时,橡胶混凝土局部承压强度降低.但橡胶混凝土早期局部承压强度的发展高于普通混凝土,且在不同的局部承压面积比下橡胶混凝土局部承压强度受到龄期的影响不同.