全珊瑚海水混凝土沖擊壓縮性能試驗研究與數值模擬

岳承軍, 余紅發, 麻海燕, 梅其泉, 劉 婷

(南京航空航天大學 民航學院, 江蘇 南京 211100)

珊瑚礁是一種特殊的巖土類型,其主要的礦物成分是文石和高鎂方解石,碳酸鈣含量在96%以上[1].這些特殊的島礁堆積物可以作為一種新型的建筑材料[2]——珊瑚骨料(CA).近些年由于南海爭端問題日趨嚴重,南海島礁工程的建設成為中國南海開發的當務之急.全珊瑚海水混凝土(CASC)的配制采取就地取材的原則,利用當地島礁豐富的珊瑚資源作為原材料,為南海島礁工程建設提供了便捷的建筑原材料.在南海復雜的自然環境中,建筑物除受到基本準靜態荷載外,可能還會受到劇烈的沖擊荷載,如防護堤會受到海浪沖擊力,機場跑道要承受飛機降落的沖擊力,高層建筑會受到風荷載的作用,地震區建筑會受到地震荷載作用等.因此,對CASC的研究具有非常重要的現實意義和實用價值.

美國是最早研究和利用珊瑚混凝土的國家.早在二戰期間,美國和日本都曾在太平洋島礁上,大量使用珊瑚混凝土修建防御工程、道路和機場.20世紀50年代,美國海軍土木工程實驗室[3-4]報道了有關珊瑚骨料開采和加工、珊瑚混凝土配合比和攪拌標準等研究.英國、丹麥、澳大利亞等國家也使用珊瑚混凝土作為建筑材料.中國最早于20世紀80年代開始對珊瑚混凝土進行研究.珊瑚混凝土從骨料類型上可分為3類：(1)以珊瑚砂作為細骨料,普通碎石作為粗骨料的混凝土;(2)以普通河砂作為細骨料,珊瑚作為粗骨料的混凝土;(3)以珊瑚作為粗骨料,珊瑚砂作為細骨料,并采用海水拌和的全珊瑚海水混凝土.2013年以前,國內對珊瑚混凝土的研究大多集中在其基本力學性能及疲勞性能等方面[5-11].自2013年起,南京航空航天大學余紅發課題組[12-22]對全珊瑚海水混凝土的配合比優化、基本力學性能、沖擊、侵徹與爆炸等動態力學行為及其數值模擬、氯離子擴散行為、珊瑚混凝土中的鋼筋銹蝕、梁柱構件的力學性能、珊瑚混凝土結構壽命可靠度等方面展開了系統性的研究,為珊瑚混凝土在島礁工程中的應用奠定了堅實的基礎.

本文采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)研究了CASC在高速沖擊荷載作用下的力學性能響應,比較了不同強度等級的CASC動態壓縮應力-應變曲線的特點,使用劍麻纖維改善CASC的脆性,并采用數值模擬的方法對CASC的動態力學性能展開討論,以揭示CASC在應變率荷載下的動態響應機理.

1 試驗

1.1 原材料及其基本性能

粗骨料采用南沙某島礁的珊瑚,經人工破碎篩分成5～15mm連續級配;細骨料采用南沙某島礁的珊瑚砂,細度模數2.44,Ⅱ區級配,屬于中砂;水泥采用南京江南小野田公司生產的P·Ⅱ 52.5型硅酸鹽水泥,其性能指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》;粉煤灰(FA)采用南京電熱廠生產的Ⅰ級粉煤灰,性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》;礦渣(SG)采用江蘇江南粉磨公司S95級磨細礦渣,比表面積為461m2/kg;減水劑采用西卡生產的3301C型聚羧酸高性能減水劑,性能符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》,固含量(1)文中涉及的含量、減水率、比值等特別說明外均為質量分數或質量比.30%,減水率達20%以上,Na2SO4含量0.18%,氯離子含量0.01%;海水按照美國ASTM D1141—2003《Standard practice for the preparation of substitute ocean water》規定配制;劍麻纖維(SF)采用廣西劍麻集團生產的劍麻纖維,性能符合GB/T 15031—2009《劍麻纖維》,直徑0.03mm,束纖維斷裂力780N,回潮率小于13%[23],使用時將劍麻纖維切割成15mm長的短絲.

1.2 試件配合比

基于高性能輕骨料混凝土配合比設計原理及富漿混凝土理論[13]得出,總膠凝材料質量、預吸水率、質量砂率(Sp)、水膠比(mW/mC)是影響CASC強度的主要指標,而JGJ 51—1990《輕骨料混凝土技術規程》中輕骨料混凝土采用的是體積砂率.珊瑚骨料具備多孔的性質,使得珊瑚砂很容易進入珊瑚內,因此在進行配合比設計時,質量砂率比體積砂率效果更好.本文設計了C30和C50強度等級的全珊瑚海水混凝土(CASC)和劍麻纖維增強全珊瑚海水混凝土(SFCASC),參照文獻[24],確定劍麻纖維的用量為3kg/m3,CASC與SFCASC的配合比及拌和性能見表1.

表1 CASC與SFCASC的配合比及拌和性能

采用尺寸為100mm×100mm×100mm的試件來測試全珊瑚海水混凝土的立方體抗壓強度fcu;沖擊壓縮試件為φ70×35mm的圓柱體;此外增加1組尺寸為φ70×70mm的圓柱體試件,測定其準靜態抗壓強度fcy，作為計算動態增強因子(DIF)的靜態抗壓強度,測試方法參照GB/T 5008—2008《普通混凝土力學性能試驗方法標準》.

1.3 試驗設備

沖擊試驗采用霍普金森壓桿(SHPB),桿件直徑為75mm,彈性模量為210GPa,密度為7850kg/m3,入射桿長為5000mm,透射桿長為3000mm,子彈長為600mm.試驗時記錄入射波信號εi(t)、反射波信號εr(t)及透射波信號εt(t),其中t為信號采集時間.

2 結果與分析

2.1 試驗結果

表2 CASC與SFCASC的抗壓強度

圖1 CASC與SFCASC的沖擊壓縮應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of CASC and SFCASC

2.2 應變率效應

從圖1可以看出,CASC與SFCASC具有明顯的應變率效應,即峰值應力隨著應變率的提高而不斷增大.動態增強因子(DIF)用以表征材料在動態荷載作用下引起的強度變化.圖2匯總了本文、章艷[16]論文以及普通C50強度等級混凝土[22]的DIF與應變率的關系.從圖2可以看出,在相同應變率下,隨著靜態抗壓強度的增大,CASC的DIF值減小.可見DIF是關于應變率和靜態抗壓強度的二元函數.此外,CASC的DIF隨應變率變化的敏感性比普通混凝土要高,即在相同的應變率增長量下,CASC的DIF增長量要高于普通混凝土.歐洲混凝土委員會(CEB)[25]推薦的混凝土DIF擬合模型是在大量普通混凝土數據下建立的,在建立CASC的DIF擬合模型時若采用CEB推薦公式則會存在較大誤差.

圖2 DIF與應變率(對數形式)的關系Fig.2 Relationship between DIF and strain rate(logarithmic)

基于以上規律,本文采用文獻[26]中提出的DIF計算模型，擬合出CASC的DIF與應變率、靜態抗壓強度的關系式如下：

(1)

2.3 破壞形態分析

圖3 各試件典型的沖擊破壞形態Fig.3 Typical impact damage patterns of specimens

造成以上破壞形態差異的主要原因是：CASC自身脆性較大,其破壞呈現出典型的脆性破壞,多數碎塊從整體中剝離;摻入劍麻纖維后,試件內部各個小單元之間的協調作用與約束作用增強,在承受相同沖擊荷載時,其破壞程度比未摻劍麻組試件要小.因此,從破壞形態分析可知,劍麻纖維能有效增強CASC的抗沖擊性能.

3 數值模擬

本文采用動力有限元軟件LS-DYNA對SHPB沖擊試驗進行模擬，選用軟件模型庫中的HJC模型作為CASC的本構模型，HJC模型能夠較為準確地反映混凝土在高應變率荷載作用下的力學性能響應[27].

3.1 模型建立

采用Ls-prepost建立簡化模型,其中入射桿和透射桿長均為1.5m,直徑為70mm,試件尺寸為φ70mm×35mm,使用的單位制為kg-m-s,采用八節點六面體(Solid 164)單元.為了保證模擬結果的精確度,在應力波脈沖持續時間內,其傳播的路徑上應有足夠數量(n)的單元網格[28],相關文獻[29]中建議使用n≥10,本文取n=20.將入射桿和透射桿在桿長方向上分為100等份,周長方向上分為80等份.試件在長度方向上分為20等份,周長方向上分為80等份,模型共639731 個節點、422400個單元.桿件及子彈為同種類型的鋼材,采用理想的彈性材料本構模型*MAT_ELASTIC,彈性模量為210GPa,密度為7840kg/m3.桿件與試件的接觸類型選擇面面接觸進行定義,關鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACETO SURFACE.

3.2 模型參數及模擬結果

根據文獻[30]中的方法,混凝土最關鍵的屬性是靜態抗壓強度,可以利用有限的試驗數據得到復雜模型的計算參數.HJC模型參數主要由材料的基本參數(ρ、fc、G),強度參數(A、B、C、N、T和Sf,max),損傷參數(D1、D2、εf,min)和壓力參數(K1、K2、K3、Pcrush、Ucrush、Pclock、Uclock)4個部分組成.各符號含義在LS-DYNA用戶手冊中有說明，文中不再贅述.其中ρ、fc、G、T均可由較為簡單的靜態試驗獲得;損傷參數由于缺少已有試驗數據,且Holmquist等[30]假定損傷參數與混凝土強度無關,仍取原始文獻[31]值D1=0.04,D2=1.0,εf,min=0.01;Pcrush=f′c/3,μcrush=Pcrush/Kelastic,μclock=ρgrain/ρ0-1,ρgrain為CASC壓實密度,ρ0為表觀密度;Pclock可根據插值法確定,已知f′c=48MPa時Pclock=0.8GPa,f′c=140MPa 時Pclock=1GPa,則Pclock=0.8+(1-0.8)×(f′c-48)/(140-48).

圖4 CASC-C50的應力-應變試驗與模擬曲線對比圖Fig.4 Comparison of test and simulated stress-strain curves of CASC-C50

表3 CASC-C50沖擊壓縮數值模擬HJC模型參數

為了能夠模擬試件的沖擊破壞形態,在定義混凝土材料參數時添加關鍵字*MAT_ADD_EROSION來計算混凝土的侵蝕失效單元.圖5為CASC-C50試件模擬破壞形態圖.結合圖3和圖5可以看出,模擬圖與實際破壞形態較為相似.

圖5 CASC-C50試件模擬破壞形態圖Fig.5 Specimen simulated failure pattern diagram of CASC-C50

3.3 沖擊壓縮模擬結果與試驗結果對比

表4為CASC-C50沖擊試驗結果與模擬結果的對比.由表4可見,在模擬的4個工況下,模擬動態抗壓強度與試驗值的誤差為1.0%～4.9%,模擬動態臨界應變與試驗值的誤差為4.3%～18.3%,模擬效果較好.

表4 CASC-C50沖擊試驗結果與模擬結果對比

4 結論

(1)劍麻纖維對水灰比較大(mW/mC=0.59)的CASC抗壓強度不具增強作用,對水灰比較小(mW/mC=0.28)的CASC抗壓強度具有增強作用.

(2)CASC與SFCASC具有明顯的應變率效應,且動態增強因子DIF對應變率的敏感度比普通混凝土高,擬合出DIF與應變率、立方體抗壓強度的計算模型參數.

(3)從試件破壞形態分析劍麻纖維能夠有效增強CASC的抗沖擊性能,CASC自身脆性較大,其破壞呈典型的脆性破壞形態,摻入劍麻纖維后,試件內部各個小單元之間的協調作用與約束作用增強,在承受相同沖擊荷載時,其破壞程度比未摻劍麻組試件要小.

(4)采用LS-DYNA軟件對CASC沖擊過程進行模擬,混凝土模型選用HJC模型,通過試驗測得的參數值及調試參數確定了HJC模型參數,模擬動態抗壓強度與試驗值的誤差范圍為1.0%～4.9%,動態臨界應變的誤差范圍為4.3%～18.3%.