柔性集料混凝土抗震應(yīng)用研究必要性與可行性

段壯志 張宗強(qiáng) 強(qiáng)文斌

我國處于環(huán)太平洋地震帶及歐亞地震帶之間，有41%的國土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地區(qū)，6度及6度以上地區(qū)占國土面積的79%，我國大部分地區(qū)對房屋等建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為6度～7度。目前，建筑結(jié)構(gòu)抗震主要有剛性抗震和柔性抗震兩種措施。剛性抗震主要是以加大建筑結(jié)構(gòu)面積為出發(fā)點(diǎn)提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的傳統(tǒng)方法;而柔性抗震主要是以采用柔性材料進(jìn)行隔震、消能為出發(fā)點(diǎn)來提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的新技術(shù)、新理念。采用柔性抗震措施對提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的可研究空間及對柔性抗震材料性能的可挖掘潛力很大。柔性集料混凝土是一種以柔性集料(比如一定顆粒級配的橡膠粒、塑膠或泡沫粒等)全部或部分代替普通混凝土中的粗、細(xì)骨料(砂、石等)，與水泥、水及一定的外加劑經(jīng)拌合而得到的新型混凝土。從柔性抗震為出發(fā)點(diǎn)，如果將柔性集料混凝土應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，從理論角度，這種材料內(nèi)部的柔性組分(柔性集料)所發(fā)揮的抗震作用與建筑結(jié)構(gòu)的柔性抗震(消能)理論是相吻合的。

1 國內(nèi)外柔性集料混凝土研究情況

1． 1 國外橡膠混凝土研究現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)道［1］，在非橡膠制品領(lǐng)域中，美國將膠粉70%以上用于建筑工程以消耗大量的膠粉。在橡膠集料混凝土物理力學(xué)性能研究與拌合工藝性能研究中，美國俄勒岡州大學(xué)對橡膠粒表面污物用水洗法去除前后橡膠混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了對比研究，同時(shí)，對粒徑不同的橡膠粒粗細(xì)集料橡膠混凝土的抗壓性能進(jìn)行了對比研究;美國賓夕法尼亞大學(xué)對橡膠粉用水、四氯化碳溶劑、膠乳清洗劑等去除表面污物前后的抗壓性能進(jìn)行了對比研究;土耳其Eskisehir Osmangazi大學(xué)用橡膠粉取代15%～45%普通混凝土集料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、變形性能、脆性與韌性性能對比研究;英國伯明翰大學(xué)研究了在水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土中摻入膠粒和低等級膠粉后的密度、抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和耐久性等物理力學(xué)性能。此外，美國波多黎格大學(xué)、哈佛大學(xué)、加里福尼亞大學(xué)、法國庇卡底大學(xué)、西班牙馬德里技術(shù)大學(xué)等均對橡膠集料混凝土的物理力學(xué)或拌合工藝性能有相應(yīng)的研究［2］。

1． 2 國內(nèi)橡膠混凝土研究現(xiàn)狀

在我國也有許多大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)對橡膠集料混凝土的物理力學(xué)性能和拌合工藝性能做了大量的研究，并取得了許多相關(guān)的研究成果。比如，石家莊鐵道學(xué)院對橡膠混凝土的抗折、抗壓、抗沖擊性能進(jìn)行了研究，同時(shí)，該學(xué)院對橡膠混凝土中橡膠粉與混凝土結(jié)合界面的工藝性能也作了一定研究;蘭州軍區(qū)對橡膠混凝土的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行了研究;此外，同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、廣東建筑材料研究院、天津大學(xué)及東南大學(xué)等對橡膠混凝土的硬度、延伸性、抗磨耗與抗老化性能、韌性、抗疲勞性能等物理力學(xué)性能及橡膠粒(粉)與其他集料的配比等工藝性能作了研究并取得了大量研究成果［2］。

1． 3 國內(nèi)外研究成果應(yīng)用的局限

比較國內(nèi)外橡膠集料混凝土研究成果可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對橡膠集料混凝土性能的研究成果主要體現(xiàn)在該材料的物理力學(xué)性能和拌合工藝兩個(gè)方面。值得注意的是，其研究成果的應(yīng)用目的局限于廢棄橡膠輪胎的回收再利用，應(yīng)用途徑是在建筑結(jié)構(gòu)的普通混凝土構(gòu)件中以橡膠集料混凝土代替普通混凝土。然而，橡膠集料混凝土在力學(xué)性能強(qiáng)度指標(biāo)上的大幅衰減成為制約橡膠集料混凝土應(yīng)用的瓶頸。由此，一方面，橡膠集料混凝土雖有約15年以上研究歷史，但其在工程實(shí)際中依然沒有得到進(jìn)一步的合理應(yīng)用。另一方面，綜合以上所有的國內(nèi)外研究成果表明，在對橡膠集料混凝土材料物理力學(xué)性能與拌合工藝性能研究取得大量成果的同時(shí)，對該材料的抗震性能并沒有展開并深入研究。

2 柔性集料混凝土抗震性能研究必要性與可行性

2． 1 柔性集料混凝土抗震性能研究必要性

我國近期發(fā)生的特大地震災(zāi)害表明，強(qiáng)震烈度條件下建筑結(jié)構(gòu)的抗震問題并未得到根本解決，如果通過研究可以探索出橡膠集料(集料)混凝土材料具有良好的抗震性能并能在建筑結(jié)構(gòu)抗震中得到實(shí)際應(yīng)用，不僅對于保證國家財(cái)產(chǎn)與人民生命安全意義重大，而且對建筑結(jié)構(gòu)抗震材料也是一大進(jìn)步，同時(shí)，從環(huán)保的角度，對以廢棄汽車輪胎為代表的廢棄橡膠材料的回收再利用意義也是十分重大的。因此，對橡膠集料混凝土材料的抗震性能及應(yīng)用進(jìn)行研究是有一定現(xiàn)實(shí)意義的。

2．1．1 柔性集料混凝土應(yīng)用研究的一般現(xiàn)實(shí)意義

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢舊輪胎急劇增加，全世界汽車輪胎年報(bào)廢有10億條以上，中國每年有5 000萬條～6 000萬條，并且以每年15%左右的速度在遞增［3］。輪胎橡膠在自然條件下難降解，填埋和堆放地易成為蚊蟲的孳生場所，污染環(huán)境，傳染疾病，并有可能引起火災(zāi)［4］。日益增加的廢橡膠的處理已成為全球性環(huán)境及資源難題。如果將廢棄輪胎橡膠以一定顆粒級配加工成柔性集料混凝土應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，從環(huán)境保護(hù)及廢物回收與利用的角度，具有普遍應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

2．1．2 柔性集料混凝土應(yīng)用研究對結(jié)構(gòu)抗震的現(xiàn)實(shí)意義

從建筑結(jié)構(gòu)柔性抗震要求或建筑材料柔性抗震性能角度作為研究的出發(fā)點(diǎn)，將以橡膠集料混凝土為代表的柔性集料混凝土材料研究與應(yīng)用目的由原來單純的對普通混凝土替換轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝约匣炷敛牧系目拐鹦阅苎芯颗c應(yīng)用，對該材料的研究意義與實(shí)用意義來講是重大的。因?yàn)椋环矫?，以四川省汶川大地震為代表的血的歷史教訓(xùn)進(jìn)一步表明我國建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的提高與強(qiáng)地震烈度條件下建筑結(jié)構(gòu)抗震問題的解決刻不容緩;另一方面，從柔性抗震理論出發(fā)，對以橡膠集料混凝土為代表的柔性集料混凝土材料的柔性抗震性能進(jìn)一步展開探索與研究，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值;與此同時(shí)，以橡膠集料混凝土為代表的柔性集料混凝土材料的大量現(xiàn)有研究成果可以得到合理的借鑒與利用，而且，作為環(huán)保垃圾的大量廢棄橡膠輪胎得到了進(jìn)一步的合理利用。

綜上，如果柔性集料混凝土是一種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將科學(xué)的研究成果在建筑結(jié)構(gòu)抗震中進(jìn)行合理應(yīng)用關(guān)系到國家財(cái)產(chǎn)與人民生命安全，同時(shí)可以解決數(shù)量巨大的廢棄橡膠輪胎等環(huán)保垃圾的再利用問題。

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決的問題

以粒徑2 mm～20 mm橡膠粒(或其他的柔性材料)按一定配比摻入普通混凝土中，和砂、碎石共同作為粗、細(xì)集料，或者橡膠集料完全代替普通混凝土中的粗、細(xì)集料，首先制成橡膠集料混凝土試件研究其基本的物理力學(xué)性能與拌合工藝性能(國內(nèi)外已有的成果經(jīng)比較分析后可直接借鑒、借用);第二，在詳細(xì)把握橡膠集料混凝土材料性能的基礎(chǔ)上，將該材料制備成建筑結(jié)構(gòu)模型，與普通混凝土制備的建筑結(jié)構(gòu)模型對比試驗(yàn)，研究其抗震性能。由此，在進(jìn)一步研究柔性集料混凝土的抗震性能時(shí)，應(yīng)著力解決好以下六個(gè)方面的主要問題:

1)柔性集料混凝土材料的物理力學(xué)性能。

2)柔性集料混凝土材料的拌合工藝。

3)柔性集料不同顆粒級配、不同配比時(shí)物理力學(xué)性能、工藝性能比較及最佳配比確定。

4)試驗(yàn)室模擬強(qiáng)震烈度條件下的地震環(huán)境。

5)制備柔性集料混凝土材料及普通混凝土材料的建筑結(jié)構(gòu)模型。

6)柔性集料混凝土材料及普通混凝土材料的建筑結(jié)構(gòu)模型抗震對比試驗(yàn)。

2．2．2 柔性集料混凝土抗震性能研究可行性實(shí)施方案

柔性集料混凝土抗震性能研究，首先，采用理論分析與論證的方法對橡膠粒柔性集料混凝土從材料組成與結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行隔震、消能機(jī)理理論分析研究，從理論角度分析證明其具有抗震功能。其次，在借鑒大量已有的國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)點(diǎn)試驗(yàn)的方法，相對準(zhǔn)確地把握柔性集料混凝土材料的物理力學(xué)性能與拌合工藝性能。第三，在試驗(yàn)室模擬強(qiáng)震烈度條件下的地震環(huán)境，對柔性集料混凝土及普通混凝土制備的建筑結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震試驗(yàn)，對比兩種材料的抗震性能，驗(yàn)證柔性集料混凝土材料具有良好的柔性抗震性能。同時(shí)，通過兩種材料建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析，探索柔性集料混凝土材料的抗震性能指標(biāo)。第四，在理論分析與試驗(yàn)室抗震試驗(yàn)?zāi)軌虺晒ψC明柔性集料混凝土材料的抗震性能后，探索不同粒徑、不同顆粒級配、不同配比條件下柔性集料混凝土材料抗震性能的基本規(guī)律，從而確定柔性集料混凝土材料抗震性能最佳時(shí)柔性集料混凝土各組分的配比、粒徑要求及其他參數(shù)與指標(biāo)。第五，柔性集料混凝土材料的應(yīng)用研究。一方面，由于地震波是從地下傳至地表然后經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳到建筑結(jié)構(gòu)整體的，因此，建筑結(jié)構(gòu)抗震措施往往在于基礎(chǔ)部分的改善;另一方面，因?yàn)樵摬牧蠌?qiáng)度的局限性，不可能一個(gè)大型的建筑結(jié)構(gòu)所有的構(gòu)件實(shí)體均采用該材料來代替普通混凝土。因此，不論從建筑結(jié)構(gòu)抗震機(jī)理角度，還是從材料的應(yīng)用角度，均應(yīng)將該材料的應(yīng)用研究重點(diǎn)放在建筑結(jié)構(gòu)抗震的關(guān)鍵部位(即基礎(chǔ)部分)上，也即對建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分進(jìn)行柔性集料混凝土材料的應(yīng)用研究。

在這里，研究的關(guān)鍵有三:其一，柔性集料混凝土材料是否確實(shí)具備良好的柔性抗震性能;其二，該材料所具備的柔性抗震性能如何準(zhǔn)確定量界定;其三，在確實(shí)準(zhǔn)確地界定了該材料的抗震性能后，探索該材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體的哪個(gè)具體部位最能達(dá)到良好的抗震性能，也即對該材料的具體應(yīng)用進(jìn)行研究。

以上各項(xiàng)研究內(nèi)容通過科學(xué)的制定試驗(yàn)方案、分步驟合理有序地展開探索與研究，其方案是可行的。

3 結(jié)語

在綜合利用國內(nèi)外橡膠混凝土研究中已有的物理力學(xué)性能與拌合工藝性能成果基礎(chǔ)上，以橡膠集料混凝土為研究對象，進(jìn)一步探索研究柔性集料混凝土的柔性抗震性能。其主要方法是在準(zhǔn)確把握橡膠集料混凝土物理力學(xué)性能及拌合工藝性能的基礎(chǔ)上，以橡膠集料混凝土和普通混凝土制備建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，通過試驗(yàn)室模擬強(qiáng)震烈度條件下的地震環(huán)境中兩種建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的抗震對比試驗(yàn)，定性與定量分析橡膠集料混凝土材料的柔性抗震性能。在準(zhǔn)確界定柔性集料混凝土的抗震性能后，將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分，對其進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用研究。此外，在橡膠集料混凝土抗震性能研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索研究其他柔性材料(塑膠、硬質(zhì)泡沫等)為集料的混凝土抗震性能。

［1］ 孟 晶．以新技術(shù)開發(fā)貫穿廢橡膠利用始終［EB/OL］．http://www．xiangjiaow．com/Article/print．a(chǎn)sp?ArticleID=6723，2006-09-05．

［2］ 焦楚杰，張傳鎂，張文華．橡膠混凝土研究進(jìn)展［J］．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2):138-145．

［3］ 何永峰，劉玉強(qiáng)．膠粉生產(chǎn)及其應(yīng)用——廢舊橡膠資源化新技術(shù)［M］．北京:中國石化出版社，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．