橡胶集料风积沙混凝土柱抗震性能试验研究

2022-11-17王尧鸿杨晓明李志强

世界地震工程 2022年4期

王尧鸿，晁磊，杨晓明，李志强，秦颖

（1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特010051 3.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003；4.东南大学土木工程学院，南京 211189）

引言

近年来随着我国城市化的进程逐渐加快和“一带一路”战略的提出，城市和乡村的建筑都发生了巨大变化。越来越多的工程建设使得混凝土的用量大大增加，而占混凝土总体积的70%～80%砂和石等建筑原材料的供应，逐渐难以达到不断增长的建筑建造需求。因而不少学者开始探索新的工程用砂的砂源。对于内蒙古这样的天然沙漠砂资源丰富的地方，因地制宜的将天然砂作为建筑用的细骨料将会是一个很好的选择［1］。而对于现在汽车行业的飞速发展，我国早已成为世界轮胎生产和消费大国，轮胎一直是橡胶消耗量的重要产业，在轮胎用量中橡胶占65%～70%，有关部门统计2020年的废旧轮胎已超过2 000万吨，年产量达860万吨［2］。我国已成为名副其实的世界废弃橡胶，废旧轮胎生产大国。如果将风积沙和橡胶同时运用到混凝土中，制备出新型混凝土，不仅可以改善土地沙漠化，优化环境，也使得橡胶得到二次循环利用，避免造成不必要的污染，长久之计，在建筑中意义重大。

目前，国内外研究学者对于风积沙混凝土和橡胶集料混凝土的研究主要集中于材料性能方面，文献［3-4］表明风积沙的掺入能够提升混凝土的强度，包建强等［5］和贺业邦［6］研究表明：30%风积沙取代率的性能较优。橡胶的掺入可以提升混凝土的韧性以及变形能力［7-8］，但众多学者的研究表明随着橡胶掺量的增加，混凝土的强度也随之降低［9-10］。而对于两者在构件方面的研究仅有少数［11］。橡胶集料混凝土是一种高耗能性混凝土，有着韧性强、抗冻、抗震与隔音隔热等优点［12］，但由于橡胶本身与水泥不发生化合反应，会导致橡胶集料混凝土界面区出现明显的孔隙和裂缝。风积沙所属细砂，有着很好的填充效应［13］。若将风积沙和橡胶集料替代河砂配制出新型混凝土-橡胶集料风积沙混凝土，不仅可以弥补橡胶集料混凝土内部结构缺陷，也可以增强混凝土作为构件的耗能性能。本文就两种材料，以C40混凝土等级为基础，前期通过试验研究对不同配合比的橡胶集料风积沙混凝土进行了力学性能分析，结果表明：橡胶取代率为10%的橡胶集料混凝土、橡胶取代率为10%和风积沙取代率为30%的橡胶集料风积沙混凝土力学性能最佳［14］。因此本文选取10%的橡胶和30%的风积沙的体积替换率替换细骨料制备橡胶集料混凝土柱和橡胶集料风积沙混凝土柱，并对其与普通混凝土柱和风积沙混凝土柱进行对比。利用低周反复荷载试验研究其抗震性能，并为抗震工程应用方面提供理论参考。

1 试验概况

试验原材料选用P·O 42.5级水泥；细骨料选用普通河砂；风积沙采用鄂尔多斯库布齐沙漠的表层砂，细度模数0.75，表观密度2 520 kg/m3，堆积密度1 510 kg/m3；石子粒径为5～25 mm；橡胶颗粒采用粒径为3～6 mm；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）设计制备，混凝土配合比见表1，混凝土强度等级为C40。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix

试验按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）制备出4个混凝土试件，分别为普通混凝土柱（C-0）、30%风积沙混凝土柱（A-0）、10%橡胶集料混凝土柱（R-10）、10%橡胶集料和30%风积沙的橡胶集料风积沙混凝土柱（AR-10）。各试件截面尺寸均为250 mm×250 mm，构件高度为1 350 mm；轴压比采用0.2；试件所用纵筋和箍筋均采HRB400，保护层厚度为20 mm。在浇筑试件时，各试件分别预留3个边长为150 mm的立方体试块，同时将混凝土试块与试件在同条件下养护，养护时间为28 d。养护完成后对混凝土试块进行立方体抗压强度测试，测试强度见表2。钢筋的力学性能根据《金属材料拉伸试验：第1部分：室温试验方法》规定进行拉伸测试，见表3。混凝土柱试件的尺寸及配筋形式如图1所示。

图1 试件尺寸及配筋Fig.1 Specimen size and reinforcement

表2 混凝土立方体抗压强度Table 2 Concrete cube compressive strength

表3 钢筋力学性能Table 3 Mechanical properties of reinforcement

试验在内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室进行。采用拟静力低周反复加载，为了能够最大限度的模拟试件在地震时的受力状态，对试件施加轴向力与水平力，且轴压比保持0.2加载。试验中轴向力采用5 000 kN液压千斤顶在柱顶施加恒定的竖向荷载，水平低周反复荷载通过反力墙上的MTS电液伺服作动器施加。试验采用荷载和位移双控加载制度，试件屈服前按荷载控制，采用10 kN每级的水平荷载控制；屈服后按位移控制，每级位移增幅为屈服位移的Δy的倍数，每周期循环3次，直到荷载下降至极限荷载的85%或试件不能再承担预定轴压力时结束试验。试验加载装置如图2所示。此次试验主要测点布置如下：在柱中和柱底布置电子位移计观察是否有水平滑动；在柱加载点处布置位移计观察对应荷载水平位移。为了解钢筋应变情况，在纵筋和箍筋上分别布置应变片，具体如图3所示。

图2 试验加载装置Fig.2 Test set-up

图3 应变片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

2 试验结果及分析

2.1 试验破坏过程及形态

在试件开裂前加载初始阶段，试件均基本处于弹性阶段，此阶段钢筋和混凝土应变较小。当卸载后，试件变形即可基本完全恢复。随着水平荷载的增加，在试件的腹中部首先出现第一条裂缝，负向加载时，另一侧也出现了同样大小的裂缝，其中4个试件裂缝宽度最大的为R-10试件，宽度为0.49 mm，主要原因是因为橡胶本身是一种弹性材料，且掺入混凝土后能够改变混凝土的变形能力，同时强度也随之降低。随着水平荷载的加大，之前柱腹中部的裂缝继续延伸扩展形成较长的斜裂缝，过程中混凝土承担的轴力拙见传给纵筋以及箍筋，使钢筋的应力应变逐渐加大。当荷载加至70%～85%的峰值荷载时，试件开始屈服（采用能量等值法确定屈服荷载所对应的位移），过程中试件根部混凝土剥落严重，掺有橡胶的AR-10试件和R-10试件要比C-0试件和A-0试件所发出的崩裂声较为沉闷。随着荷载的继续增加，试件混凝土受压区大面积剥落，根部钢筋暴露出来，试件破坏，试验终止。

4个试件在低周反复荷载作用下C-0、A-0、AR-10和R-10均发生为脆性破坏，且AR-10和R-10的水平承载力较大，在达到峰值荷载后承载力迅速下降，但是延性和变形能力优于C-0和A-0。试件破形态如图4所示。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure of the specimen

2.2 滞回曲线

滞回曲线是构件抗震性能分析的基础，其综合反映了试件的承载能力，延性以及刚度等力学指标。4个试件在加载初始阶段（开裂前），荷载和位移近似呈线性关系，这也是由于试件开始的刚度退化较为不明显，每次循环后的残余变形也很小，所以此阶段为弹性阶段。随着荷载的增加，滞回环面积不断增大，在达到峰值荷载后，承载力迅速下降，且此时的残余变形较大，说明试件均处于弹塑性状态。如图5中AR-10试件和R-10试件滞回曲线总体呈梭形，且包围面积一直在增大，说明掺入橡胶的试件在耗能方面优于C-0试件和A-0试件，而C-0试件和A-0试件在峰值荷载过后，试件强度和刚度衰退较AR-10试件和R-10试件更为缓慢，因此可知橡胶的掺入可以改善试件的延性和耗能，但会适度降低试件的强度和刚度。

图5 各试件滞回曲线Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 骨架曲线

骨架曲线是指在低周反复荷载作用下的P-Δ曲线中的每一级荷载的第1循环峰值点所连接的外包络线，各试件的骨架曲线如图6所示。由图6可知：

图6 试件骨架曲线Fig.6 Skeleton curves of specimens

所有试件的骨架曲线大致可以分为上升、强化和下降阶段，各试件在上升段基本一致。AR-10试件和R-10试件在峰值点后的下降段更为平缓稳定，表明AR-10试件和R-10试件比C-0试件和A-0试件有较好的变形能力，这反映出橡胶的掺入可以起到改善试件变形能力的作用。此外，风积沙混凝土试件与普通混凝土试件在掺有适量橡胶后，屈服荷载和峰值荷载较为接近，且AR-10试件和A-0试件比R-10试件和C-0试件的强度要高，这也说明适量风积沙的掺入可以提高混凝土试件的强度。

2.4 承载力及延性

表4为各试件所测得的水平荷载、位移及位移延性系数，即骨架曲线的特征值。其中：Py和Δy为试件屈服时的荷载和位移；Pm和Δm为试件的极限荷载和极限位移；Pu为试件的破坏荷载；Δu为试件的破坏位移；μ为试件的位移延性系数，μ=Δu/Δy。

表4 各试件特征点Table 4 Feature points of specimens

由表4可知：试件C-0与试件R-10相比，屈服荷载下降了4.7%，峰值荷载和破坏荷载分别下降了7.7%和6.9%，位移延性系数提高了57%。试件AR-10与试件A-0相比，屈服荷载下降了2.3%，而峰值荷载和破坏荷载均下降了8.4%，位移延性系数提高了20.6%。这表明混凝土中掺入适量橡胶可提高试件的延性，但试件的承载力有所下降，而在掺入适量风积沙后能够提高试件的承载力。

2.5 耗能性能

耗能能力是由P-Δ滞回曲线反映出来，而在工程结构抗震当中，等效粘滞阻尼系数he是常被用来衡量耗能能力［15］。

表5是各试件在每个特征点处的等效粘滞阻尼系数，其中：hey、hem和heu分别为屈服荷载、峰值荷载和破坏荷载所对应的等效粘滞阻尼系数。从表5中可以看出：随着荷载和位移的不断增加，试件的等效粘滞阻尼系数也在增加。试件AR-10和试件R-10每个阶段的等效粘滞阻尼系数要比其余2个试件要大，而对于单掺橡胶的R-10试件来说各阶段的等效粘滞阻尼系数要高于另外3个试件，这说明适量橡胶的掺入能够改善混凝土试件的耗能能力。

表5 各试件等效粘滞阻尼系数Table 5 Equivalent viscous damping coefficients

2.6 刚度退化

在循环反复荷载作用下，由于试件的累计损伤导致试件刚度随位移加载循环的增大不断减小的现象称为刚度退化。即每次循环正负向最大荷载与对应的位移比值，图7为各试件刚度退化曲线图。由图7可以看出试件的刚度随荷载的增加越来越小，且各试件在加载初期（开裂前）时的刚度退化不明显，裂缝产生后的刚度下降较快，后期刚度较为平缓。C-0试件和A-0试件的前期初始刚度要高于AR-10试件和R-10试

图7 试件刚度退化曲线Fig.7 Degradation curves of secant stiffness

件，即C-0试件和A-0试件初始刚度为23.2 kN/mm和25 kN/mm，R-10试件和AR-10试件的初始刚度为11.1 kN/mm和12.99 kN/mm，说明掺入适量橡胶后会降低混凝土试件的刚度，而风积沙的掺入却可以提高混凝土试件的刚度。C-0试件和A-0试件的刚度曲线趋势在前期基本重合，同样AR-10试件和R-10试件也是如此，4个试件在后期总体上刚度趋势基本一致，较为平缓。

2.7 损伤分析

反复荷载作用下的混凝土构件会产生损伤，并且该损伤会随着加载时循环次数的增加不断累积，会加重力学性能劣化。判定损伤程度的大小，一般用损伤指数D来表示。本文采用文献［16］基于能量耗散原理，提出的在反复荷载作用下的结构累积损伤模型，对4个构件进行损伤分析。模型如图8所示。

图8 第i循环的受力状态Fig.8 Mechanical state of the ith cycle

以构件在理想无损伤状态下外力所作的功为初始标量即Wi。在损伤状态下，外力作用产生的功可分为3个部分：弹性变形能Wei、塑性变形能Wpi和损伤耗散能WDi，根据能量守恒定律得：

式中：K0为构件正反向加载的初始刚度平均值分别表示第i次循环时正向和反向加载外力所作的功；±Δi表示第i次循环正向和反向的最大变形。将式（3）代入式（2）得到损伤耗散能WDi：

因此，结构在反复荷载作用下第i循环的损伤指数Di计算公式是将式（4）除以式（2）得：

再结合损伤模型图8，可用相应的面积表示为：

由于此次试验所得P-Δ曲线的对称性较差，计算损伤指数D时，使正反向的的残余变形和最大变形与P-Δ曲线所围的面积相等，即图8中SDHL=SBEF，图9为各试件每次循环的损伤指数曲线。

由图9可知：各试件的损伤指数大致可分为两个阶段，即上升阶段和平缓阶段。试件在前期随着水平位移的增加损伤指数增长迅速，当试件达到屈服后，损伤指数出现平缓，这说明前期的裂缝开展导致了试件的力学性能出现劣化，则在后期的塑性阶段中，损伤减缓。图9中C-0试件和A-0试件的后期损伤指数要明显大于掺有橡胶的R-10试件和AR-10试件，且掺有风积沙的试件A-0和AR-10的损伤程度要比未掺风积沙试件的C-0和R-10要小。前期4根试件当中的AR-10试件的损伤指数要比其余3个试件要小，这说明适量橡胶的掺入可以抑制混凝土试件的开裂，减缓试件的损伤，适量风积沙的掺入也能够改善混凝土试件的损伤程度。