橡膠混凝土與常規混凝土組合樁抗震性能分析

盧俊杰

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

地震作為一種自然災害，不但會危及到社會大眾的生命安全，而且會導致公共交通、建筑物受到嚴重的破壞。橡膠集料混凝土（CRC）屬于是一種新型的混凝土，其是秉承廢物再利用的基本原則，將汽車廢棄的輪胎承橡膠顆粒經過科學地處理，把橡膠顆粒作為混凝土混合料中的一種原材料，經過一定的配比攪拌而成。CRC 的彈性模量非常低、阻尼性能比較高、具備良好的延性，這些優點剛好符合建筑物對于抗震的要求，與規性的混凝土相比，具備顯著的抗震優勢。

1 試驗內容

1.1 試件材料

試件材料如下。1）水泥：普通硅酸鹽水泥；2）橡膠集料：橡膠顆粒的粒徑控制在1mm～3mm，檢測得出橡膠顆粒的密度為1030kg/m3（具體參數參照表1）；3）砂：使用中砂，中砂的密度為2620kg/m3；4）石子：粒徑為5mm～25mm 的級配碎石，碎石的密度為2640kg/m3；5）水：普通自來水。

表1 橡膠顆粒粒徑分布表

該試驗中橡膠混凝土配合比的設計應該根據試驗確定出最佳配合比設計方案，基于此確定橡膠混凝土的強度標號，結合實驗室試驗來對原材料的配比進行合理的調整，從而確定出最佳配合比。將橡膠混凝土與常規性混凝土的配合比進行對比分析，結合《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）的相關要求計算，再次借助試驗來對配合比進行優化。最終確定出：橡膠混凝土的強度標號為C35。

1.2 試驗方案

混凝土配合比試驗使用落錘激振模擬實驗，重錘的重量控制在300kg，振源距離夯擊點的距離為9m，其中，地上部位設計為3m，地下部分設計為6m。為了精準地研究出荷載對于橡膠混凝土樁段的動力影響，在樁頂位置安裝反力梁設備，并施加12t 的配重，堆載裝置及樁方位如圖1 所示。為精準地檢測出橡膠混凝土樁段的抗震性能，在橡膠混凝土樁頂部位、樁段底部、常規性混凝土的樁頂位置分貝安裝速度傳感器，用來收集研究數據。傳感器選擇使用的是TST126 磁電式傳感器，傳感器的頻率保持在0.25Hz～100Hz，加速度傳感器安裝位置如圖2 所示。

圖1 堆載反力梁裝置及樁位分布圖

圖2 加速度傳感器監測點位置示意圖

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土材性試驗

在實際試驗時由于條件有限，所以并未進行應變關系全曲線試驗。橡膠混凝土樁段的棱柱的應變曲線試驗可以結合參考文獻進行實驗。檢測結果可以參照圖3 中信息。結合圖3中所展示的信息可以發現：橡膠混凝土曲線處于峰值時，應力前斜率最低，彈性模量比較??；進一步計算得出，橡膠混凝土的應變力是常規性混凝土的1.17 倍，橡膠混凝土的應力是常規性混凝土的0.93 倍。

圖3 混凝土應力-應變曲線圖（上升段）

1.3.2 橡膠混凝土樁段抗震性能試驗

為有效研究出橡膠混凝土樁段的抗震性能，該文設計出4 種類型的試驗樁。4 種類型的試驗樁的樁段長度分別為0m、0.3m、0.5m、1.0m。試驗樁的直徑設計為0.5m，試驗樁的長度設計為6m，鋼筋籠的主筋使用的是HRB400E 抗震鋼筋，箍筋使用的是HPB300 熱軋光圓鋼筋。試驗樁部位的混凝土使用的是C30 混凝土，樁身部位的橡膠混凝土將C40 混凝土作為基準混凝土，橡膠顆粒的摻加量為1.31%。基準混凝土的配合比情況可以參照表2 信息。

表2 基準混凝土配比

2 結論分析

2.1 樁頂荷載對組合樁抗震性能影響分析

結合試驗所收集到的樁頂空載以及90kN 重載，配合圖4 可以了解到，橡膠混凝土樁段樁頂的荷載波動會對樁的激振響應造成巨大的影響。當樁頂處于空載狀態時，激振響應的時間會對樁頂水平方向的峰值響應速度造成較大的影響，當樁頂部位的荷載增加至90kN 時，樁頂部位水平方向的峰值加速度則開始降低。之所以出現這種現象，主要是因為當裝訂處于空載狀態時，樁頂應該是自由端，但是當樁頂部位的荷載增加至90kN以后，因樁頂表面不光滑，會產生一定的摩擦力，導致側向作用力出現，在這種情況下，樁身部位的水平方向的承載能力必然會提升，同時樁身該部位的水平峰值加速度會降低。

橡膠混凝土樁段的樁頂部位受到的荷載側向約束力在一定深度范圍內會對峰值角速度造成影響。具體來說，即橡膠混凝土樁段樁頂處于空載與樁頂荷載為90kN 時，在這兩種情況下，樁身的峰值加速度差異性會隨著樁身的深度增大而逐漸降低，主要原因如下。1）樁身的原材料突然的發生變化，導致豎向約束力傳播受到阻礙。當橡膠混凝土樁段的長度與樁身長度之間的比例大于1/6 時，樁頂部位荷載的約束力在距離樁頂1/6 樁長部位，則非常的模糊，且不易被發現。2）當橡膠混凝土樁段樁頂荷載處于90kN 時，假若橡膠混凝土樁段的長度低于樁身長度的1/6，那么橡膠混凝土樁段與常規混凝土樁段的荷載作用力會對峰值加速度造成影響；反之，側向約束力將會成為樁身長度的主要影響因素。

2.2 震源距離對組合樁抗震性能影響分析

應該確定出樁位與震源之間的距離，4#樁與10#樁距離震源的距離為8.32m，5#樁與11#樁距離震源的距離為13.15m，6#樁與12#樁距離震源的距離為19.50m。結合圖4 中信息來看，當樁位與震源非常近時，10#樁樁頂水平方向的峰值加速度檢測結構為1.1586m/s2，4#樁頂部的加速度檢測為0.6660m/s2，二者之間的差異為0.4926m/s2，由此可以斷定橡膠混凝土樁段的抗震性能比較強。

圖4 不同位置處樁身水平峰值加速度曲線圖

當橡膠混凝土樁位與震源之間的距離增大時，常規性混凝土樁12#樁的加速度檢測結果為0.1497m/s2，橡膠混凝土樁段的6#樁的加速度檢測結果為0.0893m/s2，兩者之間的差距為0.0604m/s2，由此可以發現當樁位距離震源比較遠時，橡膠混凝土的抗震效果不顯著。主要原因是橡膠混凝土樁位距離震源過遠時，樁頂水平方向的峰值加速度非常小，在這種情況下，橡膠混凝土的抗震性能與抗震優勢無法展現出來。該文全面、深入地對比分析了樁身水平方向的峰值加速度波動，當橡膠混凝土樁位距離震源過近時，橡膠混凝土樁段的4#樁與常規性混凝土樁段的10#樁，峰值加速度大致相同，并未出現較大的差異。當橡膠混凝土樁位距離震源過遠時，橡膠混凝土樁段的6#樁與常規性混凝土樁段的12#樁，峰值加速度基本上相同，由此可以得出，在激振作用下，橡膠混凝土的抗震性能并未全部發揮出來。

2.3 橡膠混凝土樁段對常規混凝土樁段的影響分析

為分析橡膠混凝土樁段對常規混凝土樁段的影響，分別在橡膠混凝土樁段與常規混凝土樁段交界位置以下0.1m 處設置加速度傳感器，收集相關加速度數據。從圖5 可以明顯看出，受橡膠混凝土樁段影響，常規混凝土樁段頂部的水平峰值加速度明顯減小。以0.5m 橡膠混凝土樁段為例，當樁位距震源8.32m 時，0.5m 橡膠混凝土樁段（3#樁）的-0.6m 位置處的水平峰值加速度為0.3316m/s2，無橡膠混凝土樁段（10#樁）的-0.6m 位置處的水平峰值加速度為0.5472m/s2，水平峰值加速度減小大約40%，減震效果明顯。由此可以發現，樁位距離震源越遠，橡膠混凝土的抗震性能發揮出來的作用越小。

圖5 不同深度加速度監測對比圖

2.4 橡膠混凝土樁段長度對減震效率的影響分析定義減震效率

該文對橡膠混凝土樁段的減震效果進行分析后，可模擬出不同長度的橡膠混凝土樁段的減震效率，其表達式如式（1）。

式中：y為指減震效率；x為指橡膠混凝土樁段與樁身長度比；K、a、b為任意常數。

結合圖6 中顯示的內容可以了解到，橡膠混凝土樁段的減震效率模擬曲線呈現出“S”形，當橡膠混凝土樁段的長度超過常規性混凝土樁段長度時，橡膠混凝土樁段的減震效果會大幅度降低。因此，在設計樁基礎時，應該確定橡膠混凝土樁段的有效長度，需要考慮橡膠混凝土樁段的長度變化對減震效率造成的影響。

圖6 減震效率隨橡膠混凝土樁段與樁身長度比變化擬合曲線

2.5 罕遇地震作用標準值計算

罕遇地震作用下產生層間彈性地震剪力，反應譜的周期Tg會增加0.05s，實際取值應該是0.3s，計算結果參照表3 中信息所示。

表3 罕遇地震作用下層間彈性地震剪力標準值（單位：kN·m）

結合表3 中信息可以了解到，地下各層的地震剪力都會有所降低，且降低的幅度比較大。在罕遇地震的影響下，因地震剪力比較大，可能會出現柱絞現象，在這種情況下，運用橡膠混凝土，可以大幅度地降低地震剪力造成的影響。

3 改建建議及前景展望

3.1 改建建議

改建建議如下。1）橡膠混凝土的破壞全過程與常規性混凝土的全破壞過程基本上是相同的，二者都會經歷以下四個發展階段：初期開裂階段、貫通性開裂階段、極限開裂階段、結構破壞階段。在混凝土被最終破壞時，混凝土內部會不斷軟化，其內部的鋼筋會逐漸外露，剪切變形現象不斷加劇[1]。2）橡膠混凝土可以延長裂縫出現的時間節點，即使混凝土開裂，橡膠混凝土的框架結構也不會發生較大的波動，橡膠混凝土自身的整體性比較好。3）橡膠混凝土試塊的開裂荷載與屈服強度是相同的，因混凝土的軸壓比增大，促使試塊的豎向約束力增大，這種變化會鉗制裂縫發展的速度。合理地選擇軸壓比，從而提高混凝土的延性性能。4）橡膠混凝土與常規性混凝土在破壞階段的延性狀況基本相同，但是在極限承載階段發展至破壞階段的過程中，橡膠混凝土的延性明顯比常規性混凝土強。

3.2 前景展望

近年來，我國的機動車總數量逐年增長，這意味著未來的發展過程中，廢棄輪胎的數量必然會不斷增大，將廢棄輪胎經過特殊工藝處理后，運用在混凝土中，不但能滿足混凝土的性能要求，同時還可以改善因廢棄輪胎所引發的環境污染問題。對廢棄輪胎進行處理再利用，完全符合我國“十二五”所提出的可持續發展戰略的基本要求?，F階段學術界對于橡膠混凝土的受壓、受拉方面的研究尚處于初期階段，導致該研究橡膠混凝土節點部位的承載力時可能會存在一定的誤差，對于這一問題，在未來的研究過程中對其做進一步分析，以彌補該研究的不足。

4 結語

當樁頂部位施加荷載以后，樁頂在摩擦作用下會形成側向約束作用力，提升樁身部位的承載能力，間接性地提高樁身的抗震性能。結合該試驗來看，樁頂荷載達到90kN 時，橡膠混凝土樁段的長度會對荷載側向約束力造成影響。當樁位與震源之間的距離比較近時，橡膠混凝土樁段的減震效果比較顯著，但是當樁位與震源之間的距離不斷延長時，橡膠混凝土樁段的減震效果則會不斷地降低。此外，橡膠混凝土樁段不但能夠在自身撞斷的情況下發揮出減震作用，同時還能夠對常規性混凝土撞斷起到一定的減震作用。橡膠混凝土樁段長度與自身減震效率的關聯性模擬曲線呈現出“S”形，延長橡膠混凝土樁段的長度，會使橡膠混凝土樁段的減震效率明顯提升。