海水海砂橡胶混凝土填充不锈钢圆管轴压性能研究

《Results in Engineering》：AXIAL COMPRESSIVE PERFORMANCE OF SEAWATER SEA SAND RUBBERISED CONCRETE FILLED STAINLESS STEEL TUBES

　　

本研究介绍了一项关于海水海砂橡胶混凝土(SWSSRuC)填充圆形不锈钢短柱轴压性能的实验研究。SWSSRuC减少了对传统原材料（即河砂和淡水）的依赖，同时促进了废弃轮胎的回收利用。为减轻SWSSRuC强度和刚度的降低，采用了不锈钢管的约束作用。共测试了12个约束试件，考虑了不同混凝土强度等级、橡胶取代率和径厚比(d/t)的影响。评估了它们对破坏模式、荷载?位移行为、应变发展、约束 mobilization、初始轴向刚度和延性指数(DI)的贡献，为不锈钢管与掺入橡胶骨料的混凝土核心之间的相互作用提供了新见解。结果表明，SWSSRuC力学性能的退化得到有效恢复，不锈钢管与SWSSRuC核心的配对增强了峰后性能，可能使这些组合柱成为需要优异延性的轻量化可持续海洋基础设施的可行解决方案。由于文献中现有设计模型无法准确预测试件的轴压承载力，基于更广泛的数据库提出了一个精细化方程来估算填充各类混凝土的不锈钢管的峰值荷载(Pp)。

该研究针对传统混凝土生产过度消耗河砂与淡水、废弃轮胎处置困难及海水海砂混凝土(SWSSC)伴生氯离子腐蚀常规碳钢等问题，提出将废弃轮胎制成的橡胶骨料引入海水海砂混凝土形成海水海砂橡胶混凝土(SWSSRuC)，以兼顾轻量化、高吸能性与生态可持续性，并采用耐腐蚀且具高延性的316L奥氏体不锈钢管对其约束，弥补橡胶掺入导致的强度与刚度损失，探究该组合构件在海洋基础设施中的应用潜力。现有研究对不锈钢管约束SWSSRuC及橡胶骨料对约束机制的影响尚属空白，且既有轴压承载力模型对该新型组合柱预测精度不足，故开展系统实验与理论修正。

研究人员制作了12个SWSSRuC填充不锈钢管短柱及2个空不锈钢管对照件，不锈钢管直径分101.6 mm（记为100 mm级）与152.4 mm（记为150 mm级），壁厚均为1.6 mm，长400 mm；SWSSRuC设普通强度（水灰比0.40，目标抗压强度50 MPa）与高强度（水灰比0.30，目标80 MPa）两类基材，橡胶按海砂质量取代率分0%、10%、20%；通过轴向压缩试验获取破坏形态、荷载?位移曲线、应变响应等数据，计算约束因子(ξ)、强度指数(SI)、延性指数(DI)与初始弹性刚度(EA)，并基于206组试件数据库线性回归提出峰值荷载(P_p)预测式。

1. Introduction

研究人员指出传统混凝土引发自然资源不可持续开采，SWSSC虽环保但因高氯致碳钢腐蚀，橡胶混凝土(RuC)可再利用废胎但强度刚度下降、弹性模量降低；二者结合的SWSSRuC兼具环保与高吸能、抗冲击优势，适用于防波堤等海岸工程，但其强度刚度劣化需约束补偿；相较纤维增强聚合物管，不锈钢管具更优延性、应变硬化与耐火性，而橡胶骨料对不锈钢管约束效果的影响尚未系统研究，故确立以径厚比(d/t)、SWSSC强度等级、橡胶取代率为变量开展实验，并评估既有模型及提出新方程。

2. Experimental Program

2.1. General

研究人员制备12个填充试件与2个空管，标注规则含直径、强度等级（N普通/H高强）、橡胶取代率，如150H20；尺寸参数列明直径(d)、壁厚(t)、长度(L)、径厚比(d/t)及对应混凝土强度与橡胶比例。

2.2. Seawater sea sand rubberised concrete

2.2.1. SWSSRuC constituents

研究人员取自昆士兰东南海滩海水海砂，过1 mm筛除贝壳等，细度模数1.29；橡胶细度模数1.60接近海砂，粗骨料为10 mm玄武岩；河砂细度模数2.76作对比。

2.2.2. Mixing procedure

研究人员依前期SWSSRuC工艺：干拌粗细骨料与橡胶1分钟、加10%海水1分钟、加水泥1分钟、分两次加余水各1分钟，高强混凝土视工作性延长搅拌，并掺高效减水剂(HRWR)控坍落度120–150 mm防橡胶离析。

2.2.3. Mix proportions and properties of SWSSRuC

研究人员确定普通强度水灰比0.40、高强度0.30，橡胶按0%、10%、20%取代海砂得6组配比；测得其抗压强度(f'_c)分别为N0:53.66 MPa、N10:27.26 MPa、N20:14.09 MPa、H0:80.55 MPa、H10:46.57 MPa、H20:32.53 MPa，密度随橡胶增加而降，20%橡胶时普通与高强度较素SWSSC分别降73.7%与59.6%。

2.3. Stainless steel properties

研究人员采用ASTM A554 Grade 316L焊接圆管，拉伸得100 mm级管屈服强度(f_y)367 MPa、极限强度(f_u)650 MPa、Ramberg?Osgood应变硬化指数(n)7.8；150 mm级相应为348 MPa、662 MPa、n=7.2，呈非线性圆滑应力?应变曲线与显著应变硬化。

2.4. Fabrication of specimens

研究人员切管磨平端头，底板粘5 mm亚克力防漏，SWSSRuC分四层轻捣入管免橡胶离析，塑料膜裹养28天；因收缩产生顶端间隙填高强环氧砂浆补平以确保共同受力，再磨平顶面待试。

2.5. Testing setup and instrumentation

研究人员用4000 kN压力机位移控制1 mm/min加载，机内LVDT与荷载传感器采轴向缩短与荷载，激光位移计校核，中部布4片应变片测轴向与横向应变，保证同心加载并统一数据采集。

3. Results & discussion

3.1. Failure mechanism

研究人员观察到空管为一端内外局部屈曲呈环?菱形模式；填充试件无向内屈曲，破坏为芯部SWSSRuC剪切斜裂伴端部钢管局部屈曲，及钢管环向向外鼓曲；100 mm管径更小、径厚比(d/t)小者对橡胶含量更敏感，高橡胶下由局部屈曲折进整体屈曲，但钢管未断裂显高变形能力。

3.2. Axial load–displacement behaviour

研究人员将曲线分三类：Type 1持续硬化上升、Type 2初峰后降再升超初峰、Type 3初峰后显著降后持稳；多数试件呈Type 3，高约束因子(ξ)者显Type 2，无Type 1；ξ<0.56多为Type 3，ξ=0.75–1.72多为Type 2；峰后荷载跌落幅度随d/t增大、SWSSC强度提高、橡胶减少而加剧；弹性段长度随SWSSC强度提高、d/t增大、橡胶减少而增加。

3.3. Peak load and Strength index

研究人员定义峰值荷载(P_p)为5%轴向应变内最大荷载，Type 2者终极荷载(P_u)超P_p亦记录；P_p随橡胶增而降，随SWSSC强度增而升，随d/t减小（管径减小）而降；约束后SWSSRuC抗压强度(f'_c^cc)较未约束提升，100 mm管约束效率平均高于150 mm管约27%，强度指数(SI)=P_p/(A_cf'_c+A_sf_y)显小管径SI更高，约束效随d/t增大而减弱。

3.4. Axial load–strain curves

研究人员测得弹性阶段 hoop 应变小于轴向应变，峰时 hoop?轴向应变比随橡胶增而降（150N0:0.72→150N20:0.48；100N0:0.64→100N20:0.45），橡胶使体积变化偏受压、侧向膨胀受抑、约束 mobilisation 延迟；高强度芯部钢管于峰载附近达屈服应变，普通强度者峰后 hoop 方向才达屈服，显芯部强度主导峰载程度不同；峰后轴向与 hoop 应变均速增，不锈钢管凭应变硬化持续提供约束。

3.5. Initial Elastic Stiffness

研究人员取40%P_p处割线刚度EA=0.4P_pL/Δ_0.4，未约束SWSSRuC橡胶20%时EA最大降63%，150 mm管约束下仅降30.7%、100 mm管降39.8%；150 mm管EA始终高于100 mm管，显截面面积效应大于d/t弱化；空管EA仅57692 kN（150 mm）与45864 kN（100 mm），填充后提升达3.36与3.48倍，证复合作用增效。

3.6. Ductility index and fracture energy

研究人员用DI=5.5ε_yield下面积/ε_yield下面积算延性指数(DI)，DI随橡胶增而升，同批次100 mm管DI高于150 mm管；空管DI仅5.38（150 mm）与6.58（100 mm），填充后最高提升1.79与1.51倍；峰值前断裂能(FE_peak)随橡胶增而降，0%→10%降幅大于10%→20%，空管FE_peak远小于填充件。

4. Axial capacity prediction

研究人员检验Han等、Li等（2016,2018）、Lai等模型对本文试件预测比(N_Pred/N_Exp)均值1.19、1.11、1.24、1.16，偏差较大；遂建206组不锈钢管填充混凝土轴压数据库（含本文12组，涵盖普通/海水海砂/再生/橡胶混凝土，f_y225.7–544 MPa，d/t 16.6–106.9，f'_c 14.09–105.97 MPa），剔除峰值判定不一者后回归得f_scy=(1+1.2ξ)f'_c，本文试件预测均值1.03、COV 0.05，全库206组均值0.99、COV 0.09，±10%内吻合佳，适Type 2与Type 3响应试件。

5. Conclusion

研究得出结论如下：

• 所采用配合比下，橡胶取代10%时SWSSRuC抗压强度(f'_c)达46.57 MPa，显示其适于海岸基础设施结构应用；不锈钢管约束受SWSSRuC配合比参数显著影响。

• 填充试件破坏模式为芯部SWSSRuC剪切破坏与钢管局部向外鼓曲；径厚比(d/t)较小之不锈钢管填充试件对橡胶增加引发之局部及整体屈曲更敏感。

• 约束因子(ξ)可关联荷载?位移响应，ξ增大曲线由Type 3转向Type 2，获Type 1需更强约束（如增厚管）。

• SWSSRuC填充不锈钢管峰值荷载(P_p)受SWSSC强度等级、橡胶取代率及d/t比显著影响，随强度等级降低、橡胶取代率增加、d/t减小而下降。

• 约束SWSSRuC抗压强度随橡胶增而降，但降幅小于未约束者；同壁厚100 mm管约束效率平均高于150 mm管约27%。

• 橡胶取代率增加使峰载时约束 mobilisation 延迟，因SWSSRuC体积变化初呈受压主导，侧向膨胀受抑；不锈钢管在峰后能持续提供约束。

• 复合作用显著提升SWSSRuC与空管之初弹性刚度(EA)；未约束SWSSRuC之EA降幅34%–63%，不锈钢管约束下仅9.8%–39.8%。

• 填充试件延性指数(DI)随橡胶取代率增加而升；同配合比下100 mm管（t=1.6 mm）试件DI平均高于150 mm管约9.7%。

• 既有文献轴压承载力公式对本研究试件预测不可靠，基于更广数据库回归提出精细化方程f_scy=(1+1.2ξ)f'_c，可较准确估测填充各类混凝土（含SWSSRuC）之不锈管峰值荷载(P_p)，对Type 2与Type 3曲线试件可靠性最高。

研究人员指出本研究限短柱，所观延性提升与峰后改善源于约束SWSSRuC基本材料响应，预期亦影响细长柱，但全局屈曲凸显时需进一步研究；鉴于SWSSRuC适于海洋环境，后续应评估海水?海砂?橡胶共存下长期性能如氯离子侵入、冻融、硫酸盐侵蚀、吸水、碳化、干湿循环等退化机制。