橡胶集料混凝土(CRC)的压应力应变特性及其在钢筋橡胶集料混凝土(CRC)板中的应用
重点：
- 再生轮胎用碎屑橡胶替代混凝土中的细骨料。
- 研究了峰值应力、峰值应力应变、弹性模量和耗能能力。
- 研究了CRC的本构模型。
- 通过试验和数值模拟，对加筋CRC板的弯曲性能进行了研究。
关键词：
应力应变曲线
橡胶集料混凝土(CRC)
力学性能
板弯曲性能
摘要：
本文介绍了橡胶替代率分别为6%、12%和18%的橡胶集料混凝土(CRC)的应力-应变性能。 研究了峰值应力、峰值应变、弹性模量、耗能能力并对单轴压缩下的本构模型进行了验证。将传统混凝土(TC)的本构模型应用于TC和CRC，进行了实验结果与模型之间的比较，建立了无侧限CRC的本构模型。应用本文提出的应力-应变模型，对钢筋橡胶集料混凝土板的抗弯性能进行了数值研究，其结果与试验结果吻合较好。
- 介绍
天然建筑材料正变得越来越稀缺，需要再利用废弃材料以减少对环境的影响，这是一个全球性的趋势，以解决可持续的材料使用问题。作为废物再利用以生产可持续材料的一个例子，再生轮胎中的橡胶可用于部分替代混凝土骨料和生产橡胶混凝土。在澳大利亚，估计有等效4800万个载客单位(EPU)的轮胎在2009至2010年间达到寿命尽头，但只有30%的轮胎被回收或妥善管理。[1]橡胶混凝土在建筑工业中的应用具有减少废弃轮胎的碳排放和开发利用自然资源的巨大潜力，以减少天然砂用量的资源使用。本文所使用的CRC是指由再生轮胎废料中的橡胶屑部分代替细骨料的混凝土。一些研究表明，与传统混凝土(TC)相比，虽然CRC的抗压强度降低，但是CRC具有优越的特性，具有高延性、高韧性、高性能等优点，动态性能提高、重量轻、抗裂、耐磨、抗冻等优点。[2–4].
混凝土是一种复杂的复合材料，其本构关系取决于其配合比设计、材料组成和内部微观结构。混凝土构件的非线性分析需要一条完整的，混凝土构件的压缩性能的应力-应变曲线，以确定截面的极限应力分布、承载能力和延性。基于大量的经验数据，建立了传统混凝土(TC)的经典压应力-应变预测模型。Hognestad[5]使用二阶抛物线来表示上升部分。Kent和Park[6]和Park和Paulay[7]通过增加下降部分的直线模型来进一步发展它。Sargin等人[8]采用了Wang等人的预测模型[9]，Van Gysel和Taerwe[10]，采用了CEB应力应变模型[11]。Popovics[12]用一个单一的方程来描述上升和下降部分，这得到了Carreira和Chuu[13]、Desayi等人的进一步完善改进。[14]Wee等人[15]在Popovics模型的基础上，提出了高强混凝土模型。
在文献中，虽然对于CRC及其力学性能的研究较多，但是对于橡胶颗粒对CRC压缩应力应变性能的影响，缺乏全面的研究和充分的分析。Topcu[4]研究了粒径为0~1的超细橡胶粒子CRC，发现随着橡胶含量的增加，峰值应力和应变均随之减小。Guo等人[16]用体积分数为4%、8%和16%的0.85~1.40橡胶颗粒代替砂粒，研究了升高温度对CRC应力应变性能的影响。在橡胶含量较大的应力应变曲线中，除了峰值应力和弹性模量降低外，应力应变曲线中还发现了更多平坦的下降部分，然而橡胶含量对峰值应力点的应变大小的影响不明显。Li等人[17]研究了橡胶颗粒尺寸和含量对CRC应力应变性能的影响，并提出了本构模型。当五种不同的橡胶尺寸在0.173至4之间和橡胶含量可达12%时，与TC相比，只有橡胶含量高达8%的0.173 橡胶的极限应变有所提高。对于其它橡胶尺寸和含量，峰值应变趋势不明显。Khaloo等人[18]进行了单轴压缩应变控制试验，结果表明，随着橡胶含量的增加，混凝土的脆性性能明显下降。研究还发现，橡胶的加入改善了后极限应力-应变曲线的形状和应变性能，最终对后极限延性能力产生了积极的影响。他们认为曲线的形状取决于粗集料强度，并阐述了韧性指标的定义和计算方法。结果表明，橡胶含量为25%的CRC具有最大的韧性指标，其他结果表明CRC的失效是缓慢而均匀的，不会造成样品中的任何分离，CRC的裂纹宽度和扩展速度均低于TC。Noaman等人[19]研究了橡胶粉含量分别为5%、10%和15%的钢纤维混凝土的抗压强度，应力应变曲线下降部分的斜率下降。与TC相比，15%钢纤维增强CRC的比韧性从TC的0.487提高到0.785。
从这些研究可以看出，CRC的应力-应变结果因橡胶颗粒的大小、百分比和橡胶来源的不同而不同。此外，试件的大小和高度，混凝土的组成、测试方法、应变测量方法和加载速率都影响CRC的单轴压应力-应变关系。
本文研究了不同橡胶含量的CRC和TC在压缩下的单轴应力-应变关系，讨论了TC和CRC的失效模式和失效机理。对现有的传统混凝土压缩模型进行了分析，并与试验结果进行了比较。建立了CRC在单轴压缩下的半经验全应力应变模型，并利用文献和本研究的实验数据对模型进行了验证。然后对钢筋混凝土CRC 单向板的荷载-挠度响应和延性进行了分析，作为该模型的实际应用。现有文献表明，对于CRC的结构应用，橡胶含量应限制在15-20%[2]。在实际应用中，本研究的目的是以18%作为最大橡胶百分比。
- 实验过程
本研究采用一种TC混合物和三种CRC混合物。这三种CRC混合物分别命名为CRC 6、CRC 12和CRC 18，分别代表6%、12%和18%的碎屑橡胶含量(按体积百分比替换沙子)。对三个100 200 的圆柱试件进行了单轴位移控制压缩加载试验，试验速率为0.001 mm/s。采用线性变量差分变压器(LVDT)测量平板到平板的位移，作为试件的总垂直位移并进行分析。
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- 混凝土混合料
表1总结了本文所考虑的混凝土配合比。使用的材料有：普通水泥(由阿德莱德布莱顿水泥制造)、20和10石材、天然砂(来自哈利特混凝土)、水和超塑化剂(巴斯夫公司生产的Gu 107 Suretec)、碎屑橡胶(公称尺寸为1.18和2.36，重量比为1：1)，来自奇普轮胎有限公司的废轮胎(图1)。混凝土按照AS 1012.2[20]的要求搅拌。所有的集料在混合前都是风干的，以将水分降到最低。碎屑橡胶是干净的，不含钢带或钢纤维。石料、砂和橡胶的比重(相对密度)分别为2.73、2.6和0.85。
对于所有的混合物，用氢氧化钠溶液对橡胶颗粒进行预处理，然后在加入混凝土混合物之前用水泥进行预涂。其他研究表明，替代处理方法，如水处理，也可以提高混凝土抗压强度。[2.21].
TC配合比设计在28天后的目标抗压强度为45~50 MPa。对于所有的混合料，水灰比保持在0.5。调整超塑化剂(SP)的剂量，并将其用于每种混合物，以确保所有的混合物得到类似的下降量约为75。
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- 试样制备
根据AS 1012.8.1[22]的要求，对每一种混合物、TC、CRC6、CRC 12和CRC 18进行铸制。浇铸24小时后，将钢瓶脱模，在雾室连续湿固化28天。在测试开始前的28天，测量试样的尺寸和重量，然后两端都是平的和平行的，为每个混凝土混合材料准备三个样本测试和分析。
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- 测试设置和测试程序
试验是在Baldwin压缩机上进行的(图2)，连接到计算机进行数据记录。用两个摄像头记录了试样的加载过程、可见变形、裂纹扩展过程和破坏模式，并通过Grasshop软件在屏幕上显示。在试验开始时，降低上板，并在试件上施加了很小的固定载荷。按照Rilem标准[23]，在整个试验过程中，以0.001 mm/s的恒定加载速率对试件施加位移控制载荷。用LVDT测量平板位移，与试件无接触，试验数据不受试样开裂和剥落的影响。测试的持续时间直到试件强度失效约为50 min。在软化阶段，当应变达到0.005左右或荷载达到接近恒定值时，加载停止。
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实验结果和数据分析
- 应力应变曲线
图中给出了各组试件的完整应力应变曲线，分别为图3-6。对每组3个试件的平均值进行结果分析。
结果表明，不同混合材料的应力-应变曲线均呈现相似的变化趋势。曲线的初始部分是线性的，然后应力增加较慢，直到出现峰值应力。在较高的应变下，下降部分趋于恒定的应力水平。
表2列出了橡胶的百分比和相应的平均抗压强度、弹性模量和峰值应力点的应变。在混凝土中加入碎屑橡胶明显降低了混凝土的极限抗压强度，CRC 18的最大抗压强度下降了31.9%。弹性模量也有相同的变化趋势，但最大降幅仅为13.7%。随着橡胶含量的增加，CRC组的峰值应变略有下降，其主要原因是混凝土强度下降的影响。
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- 峰值应力
表2显示，与TC相比，CRC 18的强度下降最大，比TC下降31.9%。Aslani[24]在一个包含298个混合物的大型数据库中，基于非线性回归分析，提出了一种通用的CRC峰值应力预测模型。它以方程(1)表示。
（1）
其中是CRC的抗压强度，是TC的抗压强度，是橡胶替代率。(体积占总集料的百分比，但可以转换为砂)。和是CRC抗压强度系数，通过对试验结果的回归分析确定。通过对TC、CRC6、CRC 12和CRC 18试验结果的回归分析，确定；。
方程(1)适用于研究不同橡胶含量的混合物CRC的峰值应力预测。用本研究确定的一组系数，方程(1)与Aslani[24]的广泛实验结果进行比较(表3)。Aslani[24]的测试结果与预测方程(1)之间有很好的一致性。
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- 弹性模量
考虑到橡胶含量对弹性模量的影响，Aslani[24]提出了与橡胶含量有关的CRC弹性模量的一般公式。它是从广泛的实验数据审查和分析中得到的，并表示为下列方程式：
（2）
其中，是CRC在橡胶百分比下的弹性模量，是TC的弹性模量，是橡胶含量的百分比，和是弹性模量系数。经回归分析，确定和可作为本研究的具体配合比设计和橡胶来源。
用本研究确定的一组系数，方程(2)与Aslani[24]的广泛实验结果进行比较(表4)。
以上结果验证了方程的正确性。方程(2)能够准确预测不同集料来源和不同配合比设计的混凝土的弹性模量。
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- 峰值应力点应变
表2列出了不同试验组峰值应力点应变的平均实验结果。现有的TC应力峰值应变预测公式是由Popovics[12](方程(3))，Tomaszewicz[25](方程(4))和Carreira和Chuu[13](方程(5))提出的。
（3）
（4）
（5）
平均而言，上述模型表明，峰值应力对应的应变随抗压强度的增加而增大。就CRC而言，一些研究工作报告了类似的趋势，随着橡胶含量的增加，峰值应变降低。[4，16-18]。还发现了一些相互矛盾的结果。Son等人[26]已经证实，即使CRC强度较低，CRC的峰值应变也比TC有所增加。在这次研究中，发现CRC的峰值应变略低于TC，如表2所示。Li等人[17]提出了CRC抗压强度峰值应变预测模型，并在此基础上对实验结果进行了非线性回归分析，建立了CRC混合物的峰值应变预测方程：
（6）
为了进一步揭示峰值应变与橡胶含量之间的关系，引用Aslani工作的预测公式[24](方程(7))通过本研究的实验数据进行了验证。
（7）
通过对实验结果的非线性数据回归分析，发现和。值得注意的是，在不同的混合配合比设计和材料来源中，和值可能有所不同。
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- 压缩韧度
韧性是描述一种材料在不发生断裂的情况下吸收能量和塑性变形的能力。Khaloo等人采用了[18]韧性指数的计算方法。它是通过在应力应变下划分面积得到的，曲线达到峰值后最大峰值应力的80%的区域（图7中的A B），通过应力应变曲线下的面积得到极限应力（图7中的A）。表5列出了所有混合物的计算韧性指标值。
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