柔性集料混凝土抗震应用研究必要性与可行性

段壮志 张宗强 强文斌

我国处于环太平洋地震带及欧亚地震带之间，有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区，6度及6度以上地区占国土面积的79%，我国大部分地区对房屋等建筑结构的抗震设防烈度为6度～7度。目前，建筑结构抗震主要有刚性抗震和柔性抗震两种措施。刚性抗震主要是以加大建筑结构面积为出发点提高建筑结构抗震性能的传统方法;而柔性抗震主要是以采用柔性材料进行隔震、消能为出发点来提高建筑结构抗震性能的新技术、新理念。采用柔性抗震措施对提高建筑结构抗震性能的可研究空间及对柔性抗震材料性能的可挖掘潜力很大。柔性集料混凝土是一种以柔性集料(比如一定颗粒级配的橡胶粒、塑胶或泡沫粒等)全部或部分代替普通混凝土中的粗、细骨料(砂、石等)，与水泥、水及一定的外加剂经拌合而得到的新型混凝土。从柔性抗震为出发点，如果将柔性集料混凝土应用于建筑结构，从理论角度，这种材料内部的柔性组分(柔性集料)所发挥的抗震作用与建筑结构的柔性抗震(消能)理论是相吻合的。

1 国内外柔性集料混凝土研究情况

1． 1 国外橡胶混凝土研究现状

据报道［1］，在非橡胶制品领域中，美国将胶粉70%以上用于建筑工程以消耗大量的胶粉。在橡胶集料混凝土物理力学性能研究与拌合工艺性能研究中，美国俄勒冈州大学对橡胶粒表面污物用水洗法去除前后橡胶混凝土的力学性能进行了对比研究，同时，对粒径不同的橡胶粒粗细集料橡胶混凝土的抗压性能进行了对比研究;美国宾夕法尼亚大学对橡胶粉用水、四氯化碳溶剂、胶乳清洗剂等去除表面污物前后的抗压性能进行了对比研究;土耳其Eskisehir Osmangazi大学用橡胶粉取代15%～45%普通混凝土集料进行了抗压强度、拉伸强度、变形性能、脆性与韧性性能对比研究;英国伯明翰大学研究了在水泥净浆、水泥砂浆和混凝土中掺入胶粒和低等级胶粉后的密度、抗压强度、冲击韧性和耐久性等物理力学性能。此外，美国波多黎格大学、哈佛大学、加里福尼亚大学、法国庇卡底大学、西班牙马德里技术大学等均对橡胶集料混凝土的物理力学或拌合工艺性能有相应的研究［2］。

1． 2 国内橡胶混凝土研究现状

在我国也有许多大学或科研机构对橡胶集料混凝土的物理力学性能和拌合工艺性能做了大量的研究，并取得了许多相关的研究成果。比如，石家庄铁道学院对橡胶混凝土的抗折、抗压、抗冲击性能进行了研究，同时，该学院对橡胶混凝土中橡胶粉与混凝土结合界面的工艺性能也作了一定研究;兰州军区对橡胶混凝土的高温稳定性和低温抗裂性进行了研究;此外，同济大学、北京工业大学、广东建筑材料研究院、天津大学及东南大学等对橡胶混凝土的硬度、延伸性、抗磨耗与抗老化性能、韧性、抗疲劳性能等物理力学性能及橡胶粒(粉)与其他集料的配比等工艺性能作了研究并取得了大量研究成果［2］。

1． 3 国内外研究成果应用的局限

比较国内外橡胶集料混凝土研究成果可以发现，国内外对橡胶集料混凝土性能的研究成果主要体现在该材料的物理力学性能和拌合工艺两个方面。值得注意的是，其研究成果的应用目的局限于废弃橡胶轮胎的回收再利用，应用途径是在建筑结构的普通混凝土构件中以橡胶集料混凝土代替普通混凝土。然而，橡胶集料混凝土在力学性能强度指标上的大幅衰减成为制约橡胶集料混凝土应用的瓶颈。由此，一方面，橡胶集料混凝土虽有约15年以上研究历史，但其在工程实际中依然没有得到进一步的合理应用。另一方面，综合以上所有的国内外研究成果表明，在对橡胶集料混凝土材料物理力学性能与拌合工艺性能研究取得大量成果的同时，对该材料的抗震性能并没有展开并深入研究。

2 柔性集料混凝土抗震性能研究必要性与可行性

2． 1 柔性集料混凝土抗震性能研究必要性

我国近期发生的特大地震灾害表明，强震烈度条件下建筑结构的抗震问题并未得到根本解决，如果通过研究可以探索出橡胶集料(集料)混凝土材料具有良好的抗震性能并能在建筑结构抗震中得到实际应用，不仅对于保证国家财产与人民生命安全意义重大，而且对建筑结构抗震材料也是一大进步，同时，从环保的角度，对以废弃汽车轮胎为代表的废弃橡胶材料的回收再利用意义也是十分重大的。因此，对橡胶集料混凝土材料的抗震性能及应用进行研究是有一定现实意义的。

2．1．1 柔性集料混凝土应用研究的一般现实意义

随着汽车工业的迅猛发展，废旧轮胎急剧增加，全世界汽车轮胎年报废有10亿条以上，中国每年有5 000万条～6 000万条，并且以每年15%左右的速度在递增［3］。轮胎橡胶在自然条件下难降解，填埋和堆放地易成为蚊虫的孳生场所，污染环境，传染疾病，并有可能引起火灾［4］。日益增加的废橡胶的处理已成为全球性环境及资源难题。如果将废弃轮胎橡胶以一定颗粒级配加工成柔性集料混凝土应用于建筑结构，从环境保护及废物回收与利用的角度，具有普遍应用价值与现实意义。

2．1．2 柔性集料混凝土应用研究对结构抗震的现实意义

从建筑结构柔性抗震要求或建筑材料柔性抗震性能角度作为研究的出发点，将以橡胶集料混凝土为代表的柔性集料混凝土材料研究与应用目的由原来单纯的对普通混凝土替换转变为柔性集料混凝土材料的抗震性能研究与应用，对该材料的研究意义与实用意义来讲是重大的。因为，一方面，以四川省汶川大地震为代表的血的历史教训进一步表明我国建筑结构抗震能力的提高与强地震烈度条件下建筑结构抗震问题的解决刻不容缓;另一方面，从柔性抗震理论出发，对以橡胶集料混凝土为代表的柔性集料混凝土材料的柔性抗震性能进一步展开探索与研究，具有很强的现实意义与实用价值;与此同时，以橡胶集料混凝土为代表的柔性集料混凝土材料的大量现有研究成果可以得到合理的借鉴与利用，而且，作为环保垃圾的大量废弃橡胶轮胎得到了进一步的合理利用。

综上，如果柔性集料混凝土是一种良好的柔性抗震材料，那么，柔性集料混凝土抗震性能研究以及将科学的研究成果在建筑结构抗震中进行合理应用关系到国家财产与人民生命安全，同时可以解决数量巨大的废弃橡胶轮胎等环保垃圾的再利用问题。

2． 2 柔性集料混凝土抗震性能研究的可行性

2．2．1 柔性集料混凝土抗震性能研究需解决的问题

以粒径2 mm～20 mm橡胶粒(或其他的柔性材料)按一定配比掺入普通混凝土中，和砂、碎石共同作为粗、细集料，或者橡胶集料完全代替普通混凝土中的粗、细集料，首先制成橡胶集料混凝土试件研究其基本的物理力学性能与拌合工艺性能(国内外已有的成果经比较分析后可直接借鉴、借用);第二，在详细把握橡胶集料混凝土材料性能的基础上，将该材料制备成建筑结构模型，与普通混凝土制备的建筑结构模型对比试验，研究其抗震性能。由此，在进一步研究柔性集料混凝土的抗震性能时，应着力解决好以下六个方面的主要问题:

1)柔性集料混凝土材料的物理力学性能。

2)柔性集料混凝土材料的拌合工艺。

3)柔性集料不同颗粒级配、不同配比时物理力学性能、工艺性能比较及最佳配比确定。

4)试验室模拟强震烈度条件下的地震环境。

5)制备柔性集料混凝土材料及普通混凝土材料的建筑结构模型。

6)柔性集料混凝土材料及普通混凝土材料的建筑结构模型抗震对比试验。

2．2．2 柔性集料混凝土抗震性能研究可行性实施方案

柔性集料混凝土抗震性能研究，首先，采用理论分析与论证的方法对橡胶粒柔性集料混凝土从材料组成与结构角度进行隔震、消能机理理论分析研究，从理论角度分析证明其具有抗震功能。其次，在借鉴大量已有的国内外研究成果的基础上，通过补点试验的方法，相对准确地把握柔性集料混凝土材料的物理力学性能与拌合工艺性能。第三，在试验室模拟强震烈度条件下的地震环境，对柔性集料混凝土及普通混凝土制备的建筑结构模型进行抗震试验，对比两种材料的抗震性能，验证柔性集料混凝土材料具有良好的柔性抗震性能。同时，通过两种材料建筑结构抗震试验数据的定量分析，探索柔性集料混凝土材料的抗震性能指标。第四，在理论分析与试验室抗震试验能够成功证明柔性集料混凝土材料的抗震性能后，探索不同粒径、不同颗粒级配、不同配比条件下柔性集料混凝土材料抗震性能的基本规律，从而确定柔性集料混凝土材料抗震性能最佳时柔性集料混凝土各组分的配比、粒径要求及其他参数与指标。第五，柔性集料混凝土材料的应用研究。一方面，由于地震波是从地下传至地表然后经建筑结构基础传到建筑结构整体的，因此，建筑结构抗震措施往往在于基础部分的改善;另一方面，因为该材料强度的局限性，不可能一个大型的建筑结构所有的构件实体均采用该材料来代替普通混凝土。因此，不论从建筑结构抗震机理角度，还是从材料的应用角度，均应将该材料的应用研究重点放在建筑结构抗震的关键部位(即基础部分)上，也即对建筑结构的基础部分进行柔性集料混凝土材料的应用研究。

在这里，研究的关键有三:其一，柔性集料混凝土材料是否确实具备良好的柔性抗震性能;其二，该材料所具备的柔性抗震性能如何准确定量界定;其三，在确实准确地界定了该材料的抗震性能后，探索该材料应用于建筑结构实体的哪个具体部位最能达到良好的抗震性能，也即对该材料的具体应用进行研究。

以上各项研究内容通过科学的制定试验方案、分步骤合理有序地展开探索与研究，其方案是可行的。

3 结语

在综合利用国内外橡胶混凝土研究中已有的物理力学性能与拌合工艺性能成果基础上，以橡胶集料混凝土为研究对象，进一步探索研究柔性集料混凝土的柔性抗震性能。其主要方法是在准确把握橡胶集料混凝土物理力学性能及拌合工艺性能的基础上，以橡胶集料混凝土和普通混凝土制备建筑结构实体模型，通过试验室模拟强震烈度条件下的地震环境中两种建筑结构实体模型的抗震对比试验，定性与定量分析橡胶集料混凝土材料的柔性抗震性能。在准确界定柔性集料混凝土的抗震性能后，将其应用于建筑结构基础部分，对其进行进一步的应用研究。此外，在橡胶集料混凝土抗震性能研究的基础上，进一步探索研究其他柔性材料(塑胶、硬质泡沫等)为集料的混凝土抗震性能。

［1］ 孟 晶．以新技术开发贯穿废橡胶利用始终［EB/OL］．http://www．xiangjiaow．com/Article/print．asp?ArticleID=6723，2006-09-05．

［2］ 焦楚杰，张传镁，张文华．橡胶混凝土研究进展［J］．重庆建筑大学学报，2008(2):138-145．

［3］ 何永峰，刘玉强．胶粉生产及其应用——废旧橡胶资源化新技术［M］．北京:中国石化出版社，2001．

［4］ Pieter J H van Beukering，Marco A Janssen．Trade and recycling of used tyres in western and eastern Europe［J］．Resources Conservation and Recycling，2001(33):235-265．