钢管橡胶集料混凝土短柱轴压性能的试验研究

邢浩然，毛念东，杨欣然，周 知，黄 维，2

(1.武汉理工大学理学院，武汉 430070；2.武汉理工大学，新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，武汉 430070； 3.武汉理工大学交通学院，武汉 430070)

0 引 言

橡胶集料混凝土(rubberized concrete， RuC)是一种将橡胶集料按照一定的比例添加至混凝土中配制而成的新型混凝土，橡胶的添加减少了混凝土的脆性，提高了混凝土的延性[1]。现有研究表明，橡胶集料主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，并不改变混凝土中各种材料的化学性能。与普通水泥混凝土相比，橡胶集料混凝土具有良好的弹性、韧性、减震性、抗冲击性能、抗爆裂性能、透气透水、保温隔热性能、降噪隔声性能以及耐久性能等特点[2-5]。橡胶集料混凝土不仅可以弥补传统水泥混凝土的诸多缺陷，实现混凝土技术的进一步发展，同时还为实现资源回收利用提供了新途径。但是橡胶集料混凝土因橡胶集料替换部分细骨料或粗骨料，其抗压强度和弹性模量降低明显，因此部分专家学者建议将橡胶集料混凝土用于公路桥梁、楼板、铁路轨枕等非结构构件或者低强度需求构件，并且建议橡胶等体积替换率不要超过20%[6]。这大大限制了橡胶集料混凝土在土木工程中的应用，并且降低了废旧轮胎橡胶的再利用率。

为了解决橡胶集料混凝土强度和弹性模量过低所导致的工程使用局限性，将橡胶集料混凝土与钢管组合，形成钢管橡胶集料混凝土(rubberized concrete-filled steel tube, RuCFST)组合构件可能是一个可行的方案。钢管对核心橡胶集料混凝土提供侧向约束，使其处于三向受压状态，提高橡胶集料混凝土的抗压强度和延性。国内外相关学者对约束橡胶集料混凝土受压力学性能和RuCFST短柱轴压性能进行了初步研究。Gholampour等[7-8]对橡胶集料体积替换率在18%及以下的橡胶集料混凝土进行了不同侧向约束力下的三轴受压试验研究，研究结果表明橡胶集料混凝土的轴向强度和峰值应变随着围压的增大而增大。而且随着橡胶集料体积替换率的增加，橡胶集料混凝土强度提升程度随侧向约束的增大而增大。Abuzaid等[9]对不同钢管厚度的RuCFST短柱进行了轴压试验研究，结果表明采用橡胶替换率为10%的RuCFST短柱的轴压承载力仅比普通钢管混凝土短柱低1.4%～6.6%。Silva等[10]在单调和循环往复荷载作用下，对钢管混凝土和钢管橡胶集料混凝土柱构件进行了试验研究，试验表明两种组合构件在单调和循环荷载条件下都表现出良好的延性；Duarte等[11]对橡胶集料替换粗骨料的RuCFST组合柱的轴向承载力和延性进行了试验研究。研究发现，相比于普通钢管混凝土柱，钢管-橡胶集料混凝土组合短柱表现出较低的强度，但具有更高的延性。Hossain[12]、梁炯丰[13]、徐培蓁[14]等通过试验得到了相似结论。刘艳华[15]提出钢管橡胶混凝土轴压短柱具有良好的承载能力和抗变形能力，破坏形态与钢管普通混凝土短柱轴压没有明显差别，同时与各国规范计算钢管-橡胶混凝土轴向承载力的计算结果进行了对比，提出了修改意见。

目前对于RuCFST短柱轴压性能研究较少，特别是对其破坏形态、荷载-位移关系以及承载能力研究较少报道。要充分了解钢管橡胶集料混凝土短柱的力学性能与破坏机理，必须进行深入研究。因此，本文将橡胶集料等体积替换细骨料，对RuCFST短柱进行全截面轴心受压试验，研究RuCFST短柱轴压作用下的破坏形态及承载力变化规律，总结加载过程中的荷载-位移关系，探究钢管厚度和橡胶集料替换率对荷载-位移曲线及极限承载力的影响,并对各国规范计算得到的RuCFST短柱轴压承载力可靠性进行分析。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用武汉华新水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，拌合水为自来水，砂采用普通河砂，其表观密度经排水法测定为2.793 g/cm3，细度模数为2.43，按粗细程度划分属于中砂。橡胶集料采用成都市四通橡塑有限公司生产的粒径40目(630 μm)橡胶粉，橡胶表观密度经测定为1.05 g/cm3。粗骨料采用连续级配碎石，粒径为5～25 mm，骨料和橡胶集料的颗粒级配曲线如图1所示。高效减水剂采用陕西勤奋建材有限公司生产的Q8011HPWR液体标准型高性能减水剂，其减水率为26%。钢管为Q235b所制成的钢板卷焊而成的直焊圆钢管，外径D=165 mm，高L=330 mm，壁厚t分别为2 mm、3 mm和4 mm。

图1 骨料和橡胶集料的级配曲线Fig.1 Gradation curves of aggregate and crumb rubber

1.2 试验方案

试验按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[16]设计，以水灰比0.53的普通混凝土配合比为基准，砂率45%。以3种厚度t(2 mm、3 mm、4 mm)和橡胶集料等体积替换细骨料的替换率R(0%、10%、20%、30%)为划分标准，钢管橡胶集料混凝土试件共制备12根构件。试件命名方法以RCFS-10-3-2为例，RCFS表示rubberized concrete-filled steel tube，10表示细骨料体积替换率为10%，3表示钢管壁厚为3 mm，2表示加载方式为全截面受压。构件具体配合比如表1所示。

表1 橡胶集料混凝土配合比Table 1 Mix proportion of rubberized concrete

1.3 构件的制备与养护

按照配合比制作相应编号的试件，在钢管的下端焊接直径为250 mm、厚度为5 mm的圆形钢板，浇筑时将钢管竖立，从顶部灌入混凝土，并用振捣棒和振捣管振捣密实，最后将混凝土抹平。随后进行自然养护，每根构件制作完成后，在上端焊接直径为250 mm、厚度为5 mm的圆形钢板。每个配合比还制备3个边长100 mm立方体的橡胶集料混凝土试块，装模24 h后拆模，随后放入温度(20±0.5) ℃、相对湿度95%以上的标准养护箱中养护28 d。

1.4 测点布置及加载示意图

加载及测点布置示意图如图2所示。加载时将试件放在加载区域直接加载，在每个试件中部设轴向应变片与环向应变片各3片，测量钢管的应变，应变片规格为BX120-50AA，并在试件两端各设置一个WBD-50B电子记录百分表，量程为50 mm，百分表由磁性表座架起并设置在顶部的加载面伸出部分之下，忽略上下两端钢板的变形，百分表测得即为钢管橡胶集料混凝土短柱的轴向变形。

图2 测点布置及加载示意图Fig.2 Arrangement of strain gauges and loading set-up

1.5 试验加载方案

圆钢管橡胶集料混凝土短柱的轴压试验在济南恒瑞金试验机有限公司生产的型号为YAW-3000G的300 t微机控制电液伺服压力试验机上进行。每个构件在正式加载之前进行预加载，预加荷载约为0.15P预(P预为预估极限荷载)，加载过程中采用位移控制，加载速率为0.1 mm/min，当构件轴向变形达到40 mm时停止加载。在加载过程中通过静态应变仪采集应变与百分表的数据。橡胶集料混凝土试块按照GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》[17]进行28 d抗压强度测试。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

主要试验结果如表2所示，fcu,150为橡胶集料混凝土尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体抗压强度，由每组替换率所对应的100 mm×100 mm×100 mm立方体所测得的28 d抗压强度平均值转换所得，转换系数根据GB/T 50081—2019《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》[17]取0.95；PN为试件的极限荷载，对于有下降段的荷载-位移曲线，峰值荷载取曲线最高点对应的荷载值；对于没有明显下降段的荷载位移曲线，宋玉普等[18]研究发现混凝土在三向高压应力比下具有明显的平台流塑特性，此时混凝土的内部结构就已遭到了大范围的破坏，建议把发生应力平台流塑时的应力，作为多轴压状态混凝土的极限强度，而不能应用强化阶段的强度。参考Tao等[19]对强约束钢管混凝土轴压荷载-位移曲线的定义，本文取轴向应变值为0.03对应的荷载值作为峰值荷载参考值；其对应的应变称为峰值应变εc。Pu为极限破坏荷载，对于有下降段的试件，取下降到85%峰值荷载对应的点，对于没有下降段的曲线，本文则采用极限应变εu=0.1对应的点作为Pu参考值；其对应的应变称为极限应变εu。根据韩林海[20]研究定义钢管混凝土构件轴压延性系数RDI=εu/εc；ξ=Aafy/(Acfck)为试件的套箍系数；fy为钢管的屈服强度，试验测得其屈服强度为242 MPa，Aa和Ac为钢管和核心混凝土的横截面积;fck为混凝土特征值，根据韩林海[20]定义fck=0.67fcu,150。

表2 主要试验结果Table 2 Main test results

图3为轴压承载力受橡胶集料体积替换率和钢管厚度的影响曲线。根据表2和图3可以发现，钢管橡胶集料混凝土短柱轴压承载力受橡胶集料体积替换率R和钢管厚度t影响较大。对于钢管壁厚t=2 mm的组合构件，随着替换率从0%按10%的幅度增加到30%，其构件承载力PN由1 265.09 kN分别下降到939.00 kN、857.88 kN和798.48 kN，下降比例分别为25.8%、32.2%和36.9%。而对于钢管壁厚t=4 mm的构件，随着替换率从0%增加到30%，其构件承载力由1 438.38 kN下降到1 289.90 kN、1 201.18 kN和1 143.67 kN，下降比例分别为10.3%、16.5%和20.5%。虽然钢管橡胶集料混凝土短柱轴压承载力随橡胶集料体积替换率R的增加下降明显，但由于钢管对核心混凝土提供侧向约束，其核心橡胶集料混凝土承载力得到一定提高，并且随着钢管厚度的增加，这种提升更加明显。而对于钢管橡胶集料混凝土短柱约束系数ξ大于1的构件，其轴压延性系数RDI均大于或等于3.33，这是由于橡胶集料添加到混凝土中，材料本身延性得到了一定提升，随着侧向约束力的增大，组合构件轴压延性性能进一步得到提升。

图3 轴压承载力受橡胶集料体积替换率和 钢管厚度的影响曲线Fig.3 Influence curves of axial compression bearing capacity by rubber aggregate volume replacement rate and steel pipe thickness

2.2 试验破坏过程及形态

不同橡胶集料替换率的钢管橡胶集料混凝土短柱的破坏过程及破坏形态相似，如图4所示。本文以钢管壁厚t=4 mm的构件破坏过程进行说明。荷载加至0.4PN左右时所有构件均处于弹性状态；随着荷载增加至0.8PN左右时已能观察到钢管端部开始产生局部变形；继续加载后，钢管的变形逐渐增大，环向应变增长迅速；达到极限荷载PN之后，变形继续发展，RCFS-0-4-2构件轴向荷载开始缓慢下降，其余构件轴向荷载几乎不下降。钢管表面环向应变在弹性阶段较为一致，进入塑性发展后，存在一定的差异。加载结束后构件的形态基本表现为上部局部屈曲与中部鼓曲。其中RCFS-0-4-2构件由于后焊的上端盖板与核心混凝土存在一定的空隙，因此在钢管上端部首先出现局部屈曲。而RCFS-30-4-2构件的端部局部屈曲最为明显，其可能的原因是橡胶集料混凝土中橡胶替换率高时，部分橡胶颗粒悬浮在试件上部，使得短柱上部橡胶集料混凝土的强度和刚度降低，进而造成对钢管的约束变小，钢管局部屈曲更容易发生。

2.3 轴压荷载-位移曲线

橡胶集料替换率R对组合构件轴向荷载-位移关系的影响如图5所示。可以看出，采用相同钢管壁厚的组合构件随着R的增大，组合短柱的轴压承载力PN有所降低，而峰值后荷载位移-曲线由出现软化段逐渐平缓，甚至出现强化段。这是由于当荷载达到0.8PN时，核心混凝土内部结构就已遭到了大范围的破坏，橡胶集料周边砂浆骨架破碎，导致试件大幅度的压缩变形而使荷载-位移曲线呈平台流塑。当应力重新分布后，混凝土内部的空隙被压实，核心混凝土进一步承受压力，荷载-位移曲线呈上升的强化段。而这种强化随着套箍系数ξ的增大变得更加明显。这说明橡胶集料等体积替换细骨料虽然使得钢管橡胶集料混凝土强度有所降低，但是由于钢管对核心混凝土的约束作用，试件的延性性能提升明显，这对于强度要求不高、变形能力要求高的结构有重大的应用价值。

图5 不同橡胶替换率下的荷载-位移关系曲线Fig.5 Relationship curves of load versus displacement under different replacement rates

钢管厚度t对组合构件的荷载-位移曲线影响如图6所示。可以发现，相同橡胶替换率的组合试件，其荷载-位移曲线受钢管厚度t影响较大，特别是峰值荷载后的曲线，对于橡胶替换率低、钢管厚度较薄的试件，其荷载-位移曲线有明显的下降段，如RCFS-0-2-2，而对于橡胶替换率高、钢管较厚的试件则没有出现下降段，承载能力持续上升，表现出良好的延性，如RCFS-30-4-2。钢管厚度对试件的峰值荷载有较为明显的影响，钢管厚度越大，试件的峰值荷载越大，同时试件的极限变形能力也越大。

图6 不同钢管厚度下的荷载-位移关系曲线Fig.6 Relationship curves of load versus displacement under different thicknesses of steel tube

2.4 钢管中部环向应变与轴向荷载

钢管中部环向应变与轴向荷载的关系如图7所示。可以发现，不同钢管壁厚及橡胶替换率的组合构件中，钢管中部的环向应变εθ在构件轴压达到峰值荷载前基本处于线性变化，峰值荷载对应的环向应变εθ基本都在0.001左右。而轴向荷载达到峰值荷载后，轴向荷载稍微增加或者不变时，其钢管中部外表面环向应变εθ增加明显，此时核心混凝土膨胀开裂，钢管发生局部屈曲，应变片退出工作。

图7 钢管中部环向应变与轴向荷载的关系Fig.7 Relationship curves of load versus hoop strain in middle of steel tube

3 组合构件轴压承载力计算

关于钢管混凝土柱轴心受压承载力的计算公式，国内外都有大量的研究，为了验证各国规范规程对钢管橡胶集料混凝土短柱轴压承载力计算的可靠性，本文分别采用欧洲标准协会Eurocode 4[21]、美国钢结构协会AISC 360—2005[22]、中国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》[23]相关计算方法计算组合构件承载力，并与试验结果进行比较。

3.1 各国规范

3.1.1 欧洲标准协会 Eurocode 4[21]

对于圆形截面试件，钢管混凝土轴压承载力由下式计算得到：

(1)

式中：Aa、Ac为钢管、核心混凝土的横截面积，mm2；fy、fcyl为钢管、混凝土的圆柱体抗压强度，N/mm2,采用式(2)计算；t为钢管壁厚，mm；D为试件的外直径，mm。

(2)

ηs、ηc为考虑钢管与核心混凝土相互约束作用引入的附加参数，对于轴心受压构件：

ηc=4.9-18.5λ+17λ2≥0

(3)

ηs=0.25(3+2λ)≤1.0

(4)

式中：λ为相对长细比，当λ>0.5时，ηs和ηc分别取1和0。

3.1.2 美国钢结构协会AISC 360—2005[22]

对于圆形截面试件，钢管混凝土轴压承载力由下式计算得到：

PAISC=Aafy+0.95Acfcyl

(5)

3.1.3 中国规范GB 50936—2014[23]

对于圆形截面试件，钢管混凝土轴压承载力由下式计算得到：

PGB=(Aa+Ac)fsc

(6)

式中：fsc为钢管混凝土抗压强度。用下式计算：

fsc=(1.212+Bξ+Cξ)fck

(7)

式中：B、C为截面形状对约束效应的影响系数。对于实心圆形截面的构件，可取:

(8)

(9)

3.2 各国规范计算结果对比

表3为不同国家规范公式计算得到的RuCFST短柱轴压承载力结果。图8为组合构件轴压承载力试验值与各国规范计算值比较。与试验结果对比发现，采用欧洲Eurocode 4规范计算得到的承载力与试验结果对比最为接近，其平均值为0.90，标准差为0.06；而采用美国钢结构协会 AISC 360—2005和中国GB 50936—2014计算得到的结果与试验结果对比过于保守，其平均值为0.60和0.78。虽然核心橡胶集料混凝土对钢管的侧向约束作用有所减弱，钢管容易在轴压作用下发生局部屈曲，但是其对核心橡胶集料混凝土仍然能提供足够的侧向约束作用，因此充分考虑钢管发生局部屈曲和核心混凝土受侧向约束作用强度增强的欧洲Eurocode 4规范计算结果与试验结果吻合最好。

表3 规范计算值与实测值比较Table 3 Comparison of axial capacity between codes and tests

图8 组合构件轴压承载力试验值与各国规范计算值比较Fig.8 Comparison of axial capacity between tests and different codes

4 结 论

(1)因橡胶集料等体积替换细骨料使得混凝土强度和刚度降低，核心橡胶集料混凝土对钢管的侧向约束作用减弱，钢管更容易发生局部屈曲破坏。钢管橡胶集料混凝土短柱的轴压承载力随着橡胶集料替换率的增加而降低，但其延性性能得到明显提升。

(2)钢管橡胶集料混凝土短柱轴压的荷载-位移曲线与普通钢管混凝土短柱相似，分成三个发展阶段。相较于普通钢管混凝土短柱，采用相同钢管厚度的钢管橡胶集料混凝土短柱轴向荷载-位移曲线在峰值后更易出现强化段。

(3)美国AISC 360—2005和中国GB 50936—2014计算结果过于保守，误差较大；而充分考虑了钢管发生局部屈曲和核心混凝土受侧向约束作用强度增强的欧洲Eurocode 4规范计算结果与试验结果吻合最好。