橡膠混凝土局部承壓性能試驗(yàn)研究

周偉鋒,王子凡,王鑫,徐驍青

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045)

0 引言

近年來(lái),廢舊輪胎處理成為新的環(huán)境問(wèn)題.目前,我國(guó)對(duì)廢舊輪胎的回收利用率僅為50%左右,造成了巨大的資源浪費(fèi)[1].隨著輕骨料混凝土技術(shù)的快速發(fā)展,橡膠混凝土成為處理廢棄輪胎的一種頗具潛力的方式,另外,橡膠混凝土具有隔聲、隔熱、減震、延性好等特點(diǎn)[2],很好地契合了當(dāng)前人們對(duì)于建筑物功能的需求,同時(shí)也能減輕廢舊輪胎導(dǎo)致的固體污染,有潛力應(yīng)用于抗疲勞和抗?jié)B要求較為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)[3].

盡管橡膠混凝土的研究與應(yīng)用已在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展,并有了大量針對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的研究[4-6],但目前缺乏對(duì)其局部承壓性能的研究.而在實(shí)際工程中,混凝土局部承壓的情況較為常見(jiàn),如橋梁支座作用于主梁或基礎(chǔ)上[7],車(chē)輪作用于橋面,預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固[8]等.因此,為推廣橡膠混凝土的應(yīng)用,有必要研究其局部承壓性能.本文進(jìn)行了橡膠混凝土局部承壓試驗(yàn),分析了橡膠混凝土的破壞模態(tài)、破壞機(jī)理和變形特性,明確了橡膠摻量、齡期和局部承壓面積對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響規(guī)律.同時(shí),將試驗(yàn)結(jié)果與我國(guó)現(xiàn)行 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[9]進(jìn)行了比較,分析了橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度的計(jì)算方法.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件的參數(shù)

試驗(yàn)采用棱柱體試件,試件的幾何尺寸為150mmX150mmX 300mm.試件分為4組,每組9個(gè)試件,分別采用邊長(zhǎng)150mm、77mm和50mm的正方形加載板.混凝土配合比如表1所示.其中第一組為普通混凝土,其他組為橡膠混凝土.試件澆筑成型后,除第二組養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14d外,其余組養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28d.

表1 試件混凝土配合比和齡期

1.2 試件的制作

配置橡膠混凝土?xí)r使用的材料有:某水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5普通硅酸鹽水泥;某新材料有限公司生產(chǎn)的橡膠顆粒,顆粒直徑為2~4mm;石灰?guī)r碎石,粒徑5~30mm;河沙,中砂;自來(lái)水;萘系減水劑,型號(hào)FND-C,減水率為18%~28%,摻量為0.5%~1%.試件均在自然條件下養(yǎng)護(hù).

1.3 試驗(yàn)裝置及加載方法

采用5000kN液壓伺服型壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)主要測(cè)量試件的軸向荷載、軸向壓縮位移、橫向和縱向的應(yīng)變,軸向荷載可以由壓力機(jī)直接采取,試件的軸向壓縮位移由兩個(gè)位移計(jì)測(cè)量,橫向和縱向應(yīng)變分別由試件中部的橫向和軸線中部的縱向應(yīng)變片測(cè)量,測(cè)試系統(tǒng)采用東華測(cè)試系統(tǒng).加載裝置和測(cè)量裝置如圖1所示.加載方法按相關(guān)規(guī)定采用分級(jí)加載,在60%的預(yù)計(jì)極限荷載范圍內(nèi),每級(jí)荷載增加40kN;在60%~80%的預(yù)計(jì)極限荷載范圍內(nèi),每級(jí)荷載增加20kN;然后超過(guò)80%的預(yù)計(jì)極限荷載后,采用每級(jí)荷載增加10kN或者5kN.每一級(jí)荷載加載前,荷載持續(xù)施壓大于30s.加載速度為0.3kN/s.試件破環(huán),停止加載.

圖1 試件加載示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試件的局部承壓強(qiáng)度按照公式(1)計(jì)算,結(jié)果如表2所示.顯然,每組試件的局部承壓強(qiáng)度均隨局部承壓面積的減少而增大.其中,部分試件因試件制作與加載過(guò)程中的失誤未得到試驗(yàn)結(jié)果.

其中fcb為局部承壓強(qiáng)度,Fcu為試件破壞時(shí)的極限荷載,Al為局部承壓面積.

表2 局部承壓強(qiáng)度(單位:MPa)

2.1 破壞模態(tài)和破壞機(jī)理

試驗(yàn)結(jié)果表明,橡膠混凝土局部承壓破壞形態(tài)與普通混凝土類(lèi)似,分為先開(kāi)裂后破壞、開(kāi)裂即破壞、局部混凝土下陷三種[10].先開(kāi)裂后破壞是在一側(cè)形成裂縫,隨后延伸,上下底面貫通而破壞,如圖2a;開(kāi)裂即破壞是在加載過(guò)程中,試件開(kāi)裂,承載力就喪失,屬于脆性破壞,裂縫上大下小,頂部混凝土被劈成數(shù)塊,如圖2b;局部混凝土下陷是當(dāng)荷載增加,混凝土的受壓區(qū)域與非受壓區(qū)域產(chǎn)生了明顯的相對(duì)位移,此時(shí)試件沒(méi)有破壞,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件突然破壞,下陷部分形成楔形體,如圖2c、圖2d.

橡膠混凝土的局部承壓破壞機(jī)理與普通混凝土類(lèi)似.局部承壓試件在不同的加載階段存在著兩種類(lèi)型的劈裂力,第一種是加載力向全截面擴(kuò)散引起的"中部劈裂力";第二種是楔形體位形變過(guò)程中由于楔面的塑性剪切變位或者滑移引起的"頂部劈裂力".先開(kāi)裂后破壞模式是由于中部劈裂力較高,而承壓區(qū)混凝土還未到達(dá)剪切破壞的極限狀態(tài),故表現(xiàn)為試件中下部首先出現(xiàn)縱向裂縫,然后裂縫隨著荷載增加逐步擴(kuò)展,直至承壓板下出現(xiàn)剪切破壞的楔形體時(shí),試件才最終破壞;開(kāi)裂即破壞模式是由于試件的"中部劈裂力"較低,而"頂部劈裂力"比較大,楔形體形成時(shí)試件的中、下部尚未開(kāi)裂,故表現(xiàn)為"頂部劈裂力"突然將構(gòu)件劈開(kāi);楔面形成時(shí)產(chǎn)生的"頂部劈裂力"尚不足將外圍混凝土脹裂,這時(shí)就表現(xiàn)為承壓板下的混凝土局部剪切破壞,承壓板下陷迅速增加,而外荷載卻繼續(xù)提高,直至外圍混凝土劈裂而最終破壞,導(dǎo)致局部混凝土下陷破壞[10].

圖2 試件破壞模態(tài)圖

2.2 橡膠混凝土局部承壓變形特性

以第四組橡膠摻量20%的橡膠混凝土試件為例分析橡膠混凝土局部承壓變形特性.圖3為不同局部承壓面積下實(shí)測(cè)的荷載與加載板下陷位移值的關(guān)系圖.三條荷載-位移曲線形式基本類(lèi)似,前段變形較大,主要是試件與加載設(shè)備之間的間隙引起的.三條曲線后段的割線剛度相近,且加載板邊長(zhǎng)50mm試件略微大于邊長(zhǎng)77mm試件.圖4所示為測(cè)得的拉壓應(yīng)變值隨荷載的變化情況.顯然,應(yīng)變的絕對(duì)值均隨著荷載的增加而增加,且在曲線前段幾乎是線性關(guān)系.加載板邊長(zhǎng)50mm試件的壓應(yīng)變曲線斜率大于邊長(zhǎng)77mm試件,說(shuō)明其整體壓縮變形較小.另外,由于混凝土拉應(yīng)變?cè)?00με左右將開(kāi)裂,表明除加載板邊長(zhǎng)77mm試件,其余兩個(gè)試件均為先開(kāi)裂后破壞的失效模式.

圖3 荷載-位移曲線

圖4 荷載-應(yīng)變曲線

2.3 橡膠摻量對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響

比較相同齡期、橡膠摻量不同的第一、三、四組試件的數(shù)據(jù),可以看出,隨著橡膠摻量的增加,軸心抗壓強(qiáng)度與局部承壓強(qiáng)度都有不同程度的減小.我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)β按下式計(jì)算[9,11]:

其中,Ab、A1分別為局部承壓計(jì)算底面積和局部承壓面積.以為橫坐標(biāo),以局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)β為縱坐標(biāo),由散點(diǎn)圖擬合線性曲線,并與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,得到圖5.其中散點(diǎn)圖擬合而成的藍(lán)線即為第一、三、四組的局部承壓強(qiáng)度隨局部承壓面積比變化曲線,而紅線為公式(2)代表的曲線.由圖5可知,三組擬合曲線的系數(shù)均接近且略高于1.0,表明試驗(yàn)值略大于公式(2)計(jì)算值,現(xiàn)行規(guī)范可用于橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度的計(jì)算.另外,橡膠摻量為0的第一組對(duì)應(yīng)系數(shù)最大,而橡膠摻量20%的第四組對(duì)應(yīng)系數(shù)最小.推測(cè)橡膠顆粒使得混凝土的彈性有較大的增加,從而導(dǎo)致在其局部承壓時(shí)的變形增加,使得部分混凝土提早破壞,從而減弱了其局部承壓強(qiáng)度,即減小了局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù).

2.4 齡期對(duì)局部承壓強(qiáng)度的影響

由表2第二組和第三組可知,隨著齡期的增長(zhǎng),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度也隨之上升,符合混凝土材料強(qiáng)度發(fā)展的基本規(guī)律[6].軸心抗壓強(qiáng)度28d齡期相比14d齡期增長(zhǎng)了3.6MPa,局部承壓面積比為3.73和9的局部承壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了2.2MPa和3.47MPa,由此可知,在不同的局部承壓面積比下,橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度受到齡期的影響不同.另外,由圖5b和圖5c可知,橡膠混凝土各個(gè)齡期的局部承壓強(qiáng)度均高于按規(guī)范公式計(jì)算的強(qiáng)度.隨著齡期的增長(zhǎng),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度趨近規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果.14d齡期,局部承壓面積比為3.73時(shí),橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度高出規(guī)范公式計(jì)算強(qiáng)度的16%,但到28d齡期時(shí),規(guī)范公式和橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度基本吻合,相差不足5%.可以看出,橡膠混凝土早期局部承壓強(qiáng)度的發(fā)展高于普通混凝土,這是由于橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展快,提高了橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度.

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了不同橡膠摻量、齡期和局部承壓面積下橡膠混凝土的局部承壓性能試驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1)橡膠混凝土的局部承壓強(qiáng)度與局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)成正比,在20%橡膠摻量范圍內(nèi),可采用混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范公式中相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算;

(2)橡膠混凝土局部承壓破壞模式與混凝土的破壞模式類(lèi)似,分為先開(kāi)裂后破壞、開(kāi)裂即破壞、局部混凝土下陷三種;

(3)當(dāng)橡膠摻量增加時(shí),橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度降低.但橡膠混凝土早期局部承壓強(qiáng)度的發(fā)展高于普通混凝土,且在不同的局部承壓面積比下橡膠混凝土局部承壓強(qiáng)度受到齡期的影響不同.