近年来, 每年产生的废弃橡胶以两位数的速度增长, 但废弃橡胶的二次利用率较低, 使得“黑色污染”日益加剧。国务院发布的《国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知》 (国发[2012]40号) ^[1]中, 强调与自然和谐共生。如何对废弃橡胶资源化利用是面临的新课题。

　　 将橡胶混凝土加入钢管中形成钢管混凝土构件, 橡胶颗粒中硫含量大约在0.5%～2%之间, 含硫量很低不会对混凝土产生有害的影响, 且橡胶颗粒是包裹在密闭的钢管中, 不会对人体健康产生有害的影响。

　　 贝广常等^[2]认为橡胶老化的原因是橡胶分子中的双键遇氧 (或臭氧) 后容易氧化断裂, 破坏了原有的链式分子结构, 导致橡胶老化。由于橡胶颗粒包裹在密闭的钢管中, 不接触外界的不利环境因素, 橡胶老化进程延缓甚至不老化, 也避免了橡胶混凝土的碳化。蒋连接等^[3]分析得出橡胶混凝土的变形能力大、延性好, 塑性变形时可以耗散地震能量, 减小构件和结构的破坏程度, 有效地改善结构的抗震性能。杨春峰等^[4]提出橡胶颗粒的掺量在15%以下时, 可以改善混凝土的抗冻性能;随橡胶颗粒掺量的增加, 混凝土的抗渗性呈现先增大后减小的趋势, 综上橡胶混凝土具有良好的长期性能。

　　 H.A.Toutanji^[5]用橡胶颗粒完全替代混凝土粗骨料, 混凝土抗压强度降低了75%以上、抗折强度降低了35%, 而取代细骨料强度降低相对较小;Ilker Bekir Topcu^[6]认为:加入橡胶颗粒以后, 增加了混凝土的变形能力, 提高了混凝土抗断裂的能力, 降低了混凝土的抗压、抗拉强度。

　　 王刚等^[7]的研究结果表明, 同一种配合比下, 橡胶掺量低时, 抗压强度随颗粒直径增大而降低;刘艳华等^[8]研究发现随橡胶颗粒取代率和粒径的增大, 圆钢管橡胶混凝土柱承载力和刚度都有下降。

　　 本文采用连续级配1～5mm的橡胶颗粒替代河砂, 通过试验研究橡胶掺量对圆钢管橡胶混凝土 (简称RCFT) 短柱轴压承载力的影响, 并拟合了RCFT短柱承载力计算公式。

　　 试件长径比取3, 以含钢率0.08, 0.10, 0.16不同分为A, B, C 3组。以往研究表明, 橡胶颗粒取代细骨料超过30%后, 抗压强度降低较多^[9], 因此, 橡胶掺量取0%, 10%, 20%, 30%四级, 共计12个试件。试件编号的第一个字母代表不同含钢率, 第二个数字代表橡胶掺量, 如C-20表示含钢率为0.16, 橡胶掺量为20%的试件。试件设计情况如表1所示。

　　 水泥为P.O 32.5R水泥;细骨料为连续级配河砂, 细度模数为2.80, 表观密度为2 587kg/m³;石子为5～25mm连续级配碎石;橡胶粒径为0.1～5mm, 且为连续颗粒级配, 表观密度为1 220 kg/m³;水为自来水。

　　 试验配合比根据《普通混凝土配合比设计规程》 (JGJ 55—2011) ^[10], 先算出理论配合比, 然后经试验验证和易性, 调整之后, 最终得到的配合比如表2所示。

　　 RCFT短柱使用了无缝和直焊缝两种钢管。试件浇筑后在振动台上振捣2～3min;当混凝土达到一定强度后, 采用同配合比的水泥砂浆找平, 找平层厚度要薄并且与试件壁相垂直;找平层处理后在室温下静置12h后, 把试件放入温度 (20±3) ℃、湿度95%以上的标准养护室内养护, 养护28d。图1为制作的RCFT短柱和橡胶混凝土立方体试块。

　　 (1) 钢材力学性能

　　 试验采用了三种钢材, 将每种钢材切割出长为200mm的三根长条, 按《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》 (GB/T 228.1—2010) ^[11]中的试验方法, 测得的钢材力学性能如表3所示。

　　 (2) 橡胶混凝力学性能

　　 在浇筑不同橡胶掺量的圆钢管橡胶混凝土时, 每种橡胶掺量 (0%, 10%, 20%, 30%) 制作了三个100mm的立方体橡胶混凝土试块, 标准养护28d后用于测定橡胶混凝土的强度等级和抗压强度。试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) ^[12], 试验结果如表4所示。

　　 从表4可以看出:在养护条件相同的情况下, 混凝土的抗压强度随着橡胶掺量增加而降低。橡胶掺量由0%变化到30%时, 混凝土立方体平均抗压强度降低35%。

　　 试验设备采用500t四柱长轴YAW-5000电液伺服压力试验机, 把试件放置于试验机下压盘上, 进行几何对中, 在试件顶放置一块钢垫板, 调整试验机上压盘位置, 使之与钢板间距为1～2mm后, 准备开始加载。轴压承载力直接由试验机自带的力传感器采集, 试件的纵向位移由外加的位移计采集。

　　 在试件上、中、下三个截面分别布置纵、环向电阻式应变片, 应变片沿环形截面均匀布置在三个位置。试验装置及应变片粘贴位置见图2, 使用数字静态应变仪连接电脑采集数据。

　　 试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) ^[12]进行, 加载方式为单调加载, 先采用力控制后改为位移控制, 在弹性阶段, 荷载增量为1/10倍的预计极限荷载, 当混凝土外围钢管屈曲后荷载增量改为1/15倍的预计极限荷载, 荷载达到极限荷载之后, 采用位移控制, 以0.05mm/s的速率加载直至试件破坏。

　　 以试件C-20为例说明试验过程和试验现象, 见图3。施荷初期加载荷载较小时, 试件处于弹性阶段, 由于钢管的泊松比较大, 钢管的横向膨胀变形略大, 由于钢管与橡胶混凝土粘结良好, 则核心橡胶混凝土受到较小的径向拉力, 钢管和橡胶混凝土一起承担轴向压力;当加载荷载增加至极限荷载的60%～70%时, 试件开始出现塑性变形, 试件中部的纵向变形增大, 钢管壁上局部开始出现鼓曲, 在相同加载速率下, 应变增长速率加快;当加载荷载达到极限荷载的90%时, 试件顶部鼓曲明显, 如图3 (a) 所示, 此时试件应力增长缓慢, 由于试件变形较大, 应变片也随之脱落, 如图3 (b) 所示;外荷载继续增加, 应变速率加快, 在接近峰值应力时, 荷载增长缓慢, 而应变持续增加, 试件中部和底部出现鼓曲, 中部鼓曲比下部较为明显, 如图3 (c) , (d) 所示;当加载荷载达到极限荷载后, 采用位移加载, 随着应变的增大, 试件鼓曲明显, 如图3 (e) 所示, 之后进入试件破坏阶段, 试件破坏模态呈现腰鼓状, 如图3 (f) 所示。

　　 图4为典型试件屈曲破坏模态。试件破坏主要呈现为一处或多处鼓曲或褶曲, 以腰鼓状为主。图4 (d) 为钢管焊缝开裂破坏, 这是由于钢管为直焊缝钢管, 试验中因焊缝开裂而导致试件承载力突然下降, 但此时试件的变形量最小为18.6mm (3.7%) , 裂缝出现时的变形量远远大于设计时采用的变形量, 所以可以不考虑焊缝开裂的影响。与圆钢管混凝土 (简称CFT) 短柱的试验结果相同, RCFT短柱试验中所有试件都有较好的变形能力和后期承载力, 破坏时基本呈现为腰鼓状破坏。

　　 图5为试验得到的试件轴压力N与应变ε关系曲线。该曲线可以分为四个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段和下降段。在弹性阶段, 钢管与混凝土共同承担荷载, 横向变形一致;到弹塑性阶段, 混凝土的裂缝在轴向力的作用下不断开展, 其径向膨胀大于钢管的膨胀, 钢管对混凝土产生约束力, 随着变形增大约束作用逐渐增强;进入塑性强化阶段后, 试件承载力增大缓慢、变形增加较快;最后进入下降段, 由于钢管约束效果不同, 导致不同试件下降段有所区别, 具体如下:

　　 (1) 钢管约束作用较大, 即含钢率较大时, 荷载不会出现下降段, 反而一直缓慢增加, 如图5 (c) 所示。

　　 (2) 钢管约束作用较小, 即含钢率较小时, 随着应变的增加, 荷载开始出现下降段, 如图5 (a) 所示。

　　 (3) 含钢率在第一、二种情况之间时, 在强化阶段之后, 荷载基本不会随着应变的变化而改变, 如图5 (b) 所示。

　　 由试验可知, RCFT短柱的破坏模态、N-ε关系曲线的特征与CFT短柱相似, 但RCFT短柱有良好的弹塑性变形能力以及较高的后期承载力。

　　 当橡胶混凝土达到峰值应变时, 钢管橡胶混凝土所承受轴心承载力定义为极限承载力 (承载力) 。图5 (a) 为A组试件的Ν-ε曲线对比。当橡胶掺量由0%增加到30%, 与试件A-00相比, 试件A-10, A-20, A-30的承载力分别降低了6.87%, 8.60%, 16.81%。图5 (b) 为B组试件的Ν-ε曲线对比。当橡胶掺量由0%增加到30%, 与试件B-00相比, 试件B-10, B-20, B-30的承载力分别降低了16.71%, 17.82%, 19.49%。图5 (c) 为C组试件的Ν-ε曲线对比。当橡胶掺量由0%增加到30%, 与试件C-00相比, 试件C-10, C-20, C-30依次降低了0.57%, 2.80%, 3.17%。分析可知, 随橡胶掺量的增加, RCFT短柱的轴压承载力明显降低, 是由于橡胶掺量对核心混凝土抗压强度影响较大所致。

　　 把钢管和橡胶混凝土看成一种组合材料, 用全截面面积和综合性能来推导短柱的承载能力计算公式。由于本试验所有试件的套箍系数ξ均在0.6～2.5之内, 参考韩林海等^[13]提出的CFT短柱轴压承载力的计算公式, 假设f^r_scy/f_ck与ξ之间可以用线性关系表述, 初步提出CFRT短柱轴压承载力的计算公式为:

　　 式中:f^r_scy为RCFT短柱轴压试验获得的轴心抗压强度;f_ck为橡胶混凝土轴心抗压强度标准值, 可近似由f_ck=0.67f_cu得到, 其中f_cu为由材料试验获得的橡胶混凝土立方体抗压强度。

　　 求得的f^r_scy/f_ck比值见表5。图6为f^r_scy/f_ck与ξ关系曲线, 可线性回归得出α=2.134, β=0.886。代入方程得出RCFT短柱的轴压承载力计算公式为:

　　 式中A_cs为RCFT短柱的横截面面积。

　　 图7为拟合出的计算公式得到的RCFT短柱轴压承载力与试验结果的比较, 计算结果较试验结果而言有一定的安全储备, 偏于安全。

　　 (1) RCFT短柱以腰鼓状为主要的破坏形态并且伴随着局部鼓曲或褶曲出现。

　　 (2) 随着橡胶掺量的增大, RCFT短柱轴压承载力略有降低;RCFT短柱与CFT短柱一样, 具有较好变形能力和后期承载力。

　　 (3) 建立了RCFT短柱的轴压承载力计算公式f^r_scy= (2.134+0.886ξ) f_ck。与试验结果进行比较, 计算结果偏于安全。