不同強度海水珊瑚骨料混凝土斷裂性能對比研究

韓宇棟, 王振波, 劉偉康, 岳清瑞, 丁小平

(1.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088; 2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院,北京 100083; 3.北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083)

近年來,就地取用存量巨大的海水和珊瑚礁砂石等海洋地域性原材料,制備海水珊瑚骨料混凝土(SCAC),已逐漸展現其成本控制、縮短工期的優勢[1-2].早期的SCAC多為中低強度的C15～C30[1-4],而隨著混凝土強度要求的不斷提高,復摻礦物摻和料、珊瑚骨料改性等方法逐漸被應用于提升SCAC的強度[5-6].本課題組在前期研究中通過復摻固鹽劑獲得了強度超50MPa的SCAC[7],并將就地取材率(海水、珊瑚骨料質量占混凝土總質量的比例)成功控制在70%以上.

強度不斷提高的SCAC面臨更嚴重的開裂問題,裂縫一旦出現,外部環境的有害物質將侵入材料內部,威脅其結構耐久性[1,8-9].因此,SCAC的斷裂性能對于認識結構裂損機制至關重要[10-13].張賢舜等[10]開展了C30珊瑚混凝土在不同養護條件下的斷裂參數研究,結果表明珊瑚混凝土的脆性較大且延性較差;Xu等[11]測試了50MPa強度等級堿激發珊瑚混凝土的斷裂性能,發現所有試件均為骨料貫穿破壞.另外,混凝土斷裂性能與其強度等級、骨料體積含量等因素高度相關[14-15].

本文對不同強度等級的SCAC開展了抗壓、劈裂拉伸以及預切口梁三點彎曲試驗,得到了SCAC荷載-裂紋口張開寬度關系以及斷裂能、特征長度等斷裂參數,研究了強度等級對SCAC力學性能及斷裂參數的影響.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥為唐山冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.骨料采自某熱帶海域島礁,經顎式破碎機現場破碎后運輸至實驗室,再適當篩分得到,其中：粗骨料為粒徑5～20mm連續級配的破碎珊瑚礁石,筒壓強度2.2MPa,壓碎指標31%;細骨料為粒徑小于5mm的珊瑚砂,細度模數2.35.復摻固鹽劑為中冶建筑研究總院生產的固鹽劑[7],其摻入目的為改善混凝土和易性和漿體固鹽能力,同時克服長期強度倒縮問題.外加劑為天津冶建特種材料公司生產的聚羧酸減水劑和復合緩凝劑.各類鹽均為國藥集團生產的化學純試劑.海水為按照該海域海水質檢報告配制的人工海水,其化學組成見表1.

表1 人工海水的化學組成

SCAC是由水泥、破碎珊瑚砂石、海水、固鹽劑及外加劑拌和而成,其配合比見表2,試件編號SCAC30表示強度等級為C30的SCAC,其他類推.SCAC中,珊瑚骨料用量為海島自然含水狀態下的計算用量(珊瑚砂的自然含水率1)為8.6%,珊瑚石的自然含水率為6.6%);固鹽劑用量占膠凝材料(水泥和固鹽劑)總量的30%,同時將就地取材率控制在70%以上,以最大限度利用現場材料.C40普通混凝土的配合比見表3,其骨料用量與SCAC相當.由表2、3可見：隨著SCAC強度等級提高,其水膠比逐漸降低,膠凝材料用量逐漸增大,濕容重逐漸提高;C40的水膠比大于同強度的SCAC40,膠凝材料用量低于SCAC40,而濕容重大于SCAC40.

表2 SCAC的配合比

表3 C40普通混凝土的配合比

1)文中涉及的含水率、比例等除特殊說明外均為質量分數或質量比.

1.2 試件制備

北京實驗室環境下,珊瑚砂和珊瑚石的實測含水率分別為0.45%和0.21%,接近于絕對干燥狀態,加之珊瑚骨料表面疏松多孔,在攪拌成型時易吸收拌和水.為減小吸水影響,將珊瑚骨料混凝土的攪拌流程適當調整：首先,將稱量好的珊瑚砂和珊瑚石投入混凝土攪拌機,在攪拌均勻后添加總用水量一半的海水,繼續攪拌1min;然后，投入水泥、固鹽劑和緩凝劑再攪拌30s;最后,加入剩余的海水和減水劑繼續拌和2min左右.停止攪拌后,拌和物中“噼啪”冒泡,待該現象緩解后出料,及時測量拌和物的坍落度和擴展度.拌和物入模后置于振動臺振搗1min,覆膜養護24h后拆模,然后將試塊移入溫度(20±2)℃,相對濕度RH>95%的標準養護室養護至28d.

1.3 試驗方法

SCAC抗壓和劈裂拉伸試驗均在電液壓力試驗機上進行,試塊尺寸為100mm×100mm×100mm,每組成型3個試塊,結果取平均值.根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,對試塊連續均勻施加荷載,抗壓、劈裂拉伸試驗的加載速率均為0.60MPa/s,直至試塊破碎后停止試驗并記錄峰值荷載.

預切口梁三點彎曲試驗在MTS材料力學試驗機上進行,以位移控制模式加載,加載速率為0.05mm/min,試塊尺寸為100mm×100mm×400mm,支座跨距為350mm,試塊底部預制寬2mm、深10mm的通寬切口,在預切口底部夾持標距10mm的引伸計,測量裂紋口張開寬度(CMOD).在獲得的荷載-裂紋口張開寬度(P-CMOD)曲線基礎上,借助黏性裂紋模型求解SCAC的斷裂本構關系(即應力-裂紋寬度(σ-w)關系).該方法是在裂紋擴展過程中建立的關于荷載、應力、裂紋長度及寬度的平衡方程,采用離散化的矩陣形式求解未知量,使計算荷載及CMOD與試驗值相差最小,以獲得完整的σ-w曲線.最終以σ-w曲線的下覆面積為斷裂能Gf,計算特征長度lch[16]：

lch=EGf/σt2

(1)

式中：E為混凝土彈性模量;σt為抗拉強度.

2 結果與討論

2.1 抗壓強度與劈裂抗拉強度

圖1為SCAC和C40的抗壓強度(fcu)和劈裂抗拉強度(fts).由圖1可見：SCAC的抗壓強度為33.9～58.0MPa;在保證就地取材率高于70%的前提下,SCAC抗壓強度隨水膠比降低、膠凝材料用量增大而提高;C40普通混凝土的抗壓強度為48.1MPa,與SCAC40較為接近.珊瑚骨料多孔、輕質、低強的特性決定了其骨架支撐作用大為降低,材料支撐體系已由骨料骨架轉變為水泥石骨架,因此SCAC的強度制約相主要是珊瑚石粗骨料.

圖1 SCAC和C40的抗壓強度和劈裂抗拉強度Fig.1 Compressive strength and splitting tensile strength of SCAC and C40

由圖1還可見：SCAC30、SCAC40和SCAC50的劈裂抗拉強度分別為2.7、3.1和4.1MPa,相應的拉壓強度比分別為8.0%、7.2%和7.1%,即隨著強度等級的提高,SCAC的劈裂抗拉強度逐漸增大,而拉壓強度比表現為降低的趨勢;C40普通混凝土的劈裂抗拉強度為3.5MPa,拉壓強度比為7.3%,與SCAC40接近.SCAC和C40普通混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度的關系見圖2.由圖2可見,SCAC的劈裂抗拉強度與抗壓強度的關系與普通混凝土的經典換算公式[17]吻合良好.

圖2 SCAC和C40的劈裂抗拉強度與抗壓強度的關系Fig.2 Relationship between splitting tensile strength and compressive strength of SCAC and C40

2.2 荷載-裂紋口張開寬度曲線

SCAC和C40的P-CMOD曲線見圖3.由圖3可見：不同強度等級SCAC的P-CMOD曲線特征相似,在加載初期,荷載隨裂紋口張開寬度線性增大,在預切口尖端起裂后開始偏離線性,隨后很快達到峰值,在峰值后,荷載快速地線性下降,這與試塊光滑的斷口形狀相對應;隨著SCAC強度等級的提高,其峰值荷載逐漸增大,但曲線在峰值附近趨窄,斷裂過程愈加劇烈,這表明SCAC的脆性隨強度提高有所增大[18];C40的峰值荷載明顯高于同強度等級的SCAC40,且其P-CMOD曲線形狀飽滿,即使裂紋口寬度達到0.40mm,C40仍可保留較高的承載力,斷裂過程較SCAC平緩.

圖3 SCAC和C40的P-CMOD、σ -w曲線Fig.3 P-CMOD curves and σ -w curves of SCAC and C40

根據P-CMOD曲線確定SCAC和C40的開裂荷載、峰值荷載及開裂CMOD、峰值CMOD,結果見圖4.由圖4(a)可見:SCAC的開裂荷載和峰值荷載隨著強度等級的提高而增大;SCAC30、SCAC40和SCAC50的開裂荷載與峰值荷載比分別約為76%、81%和84%,開裂荷載相對于峰值荷載的比例隨強度提高逐漸增大,這說明強度等級越高,試件開裂后更快達到峰值荷載,斷裂過程區更短;C40的開裂荷載為4.7kN,與同強度SCAC40相當,但其峰值荷載卻可達7.7kN,顯著高于SCAC40的6.2kN.在開裂以后,SCAC中薄弱面位于大量存在的珊瑚骨料中[10],裂紋尖端貫穿骨料擴展,斷面較為平滑,而C40中裂紋傾向于沿著骨料-基材界面繞行,骨料的橋接作用使斷裂阻力增大,開裂后的斷裂過程延長,形成的斷面凹凸不平,因此SCAC40的峰值荷載明顯低于C40.綜上,SCAC比普通混凝土更偏脆性.

由圖4(b)可見：(1)SCAC開裂荷載所對應的開裂CMOD值接近,且數據離散性較小,這說明開裂CMOD與強度等級、骨料種類的關聯不大;C40的開裂CMOD與SCAC相近.(2)峰值荷載對應的峰值CMOD變化規律明顯不同,首先,SCAC的峰值CMOD隨強度等級提高顯著降低,SCAC30、SCAC40和SCAC50對應的峰值CMOD以20%的幅度降低,高強度等級使珊瑚骨料的薄弱程度更加凸顯;其次,C40的峰值CMOD遠高于3個SCAC,相比同強度的SCAC40增幅更是超過50%.(3)峰值CMOD的數據離散性均明顯高于開裂CMOD,試件斷面上分布的粗骨料粒徑和數量存在較大的隨機性,這會影響試件的變形測試結果.

圖4 SCAC和C40的開裂荷載、峰值荷載及開裂CMOD、峰值CMODFig.4 Cracking load, peak load and cracking CMOD, peak CMOD of SCAC and C40

2.3 斷裂能與特征長度

SCAC和C40的應力-裂紋寬度(σ-w)曲線見圖3.由圖3可見：應力在混凝土開裂后快速下降,應力減半后下降速率放緩;SCAC在裂紋寬度小于0.10mm時具有一定的縫間黏聚力,且隨著強度等級提高有增大趨勢;C40中的應力作用范圍更廣,這主要得益于骨料脫黏拔出機制.

由σ-w曲線確定SCAC的斷裂能Gf和特征長度lch,結果見圖5.由圖5可見：SCAC的斷裂能隨強度等級提高不斷增大,SCAC50的斷裂能較SCAC30提高了50%以上;C40的斷裂能可達168.2J/m2,明顯高于3個強度等級的SCAC,高出同強度的SCAC40 60%以上.骨料的強度特性對混凝土斷裂能更為關鍵,因而從技術角度提高體積含量較大的骨料強度遠比單純提高基材強度等級效率更高,但從實踐角度仍需兼顧骨料改性增強的便捷性和經濟性.

圖5 SCAC和C40的斷裂能及特征長度Fig.5 Fracture energy and characteristic length of SCAC and C40

由圖5還可見：SCAC的特征長度隨強度等級提高近似線性地減小,表明SCAC的脆性增大;C40的特征長度大于SCAC,這說明普通碎石骨料在裂紋擴展過程中的拔出機制對改善混凝土脆性大有裨益.要在保證就地取材率的同時提高SCAC的斷裂能,對珊瑚骨料本身作增強改性可能是值得探究的方法之一.

3 結論

(1)就地取材率高于70%的前提下,隨水膠比降低和膠凝材料用量增大海水珊瑚骨料混凝土(SCAC)的強度等級逐漸提高,且與濕容重呈正相關;隨著強度等級的提高,SCAC的抗壓強度和劈裂抗拉強度增大,拉壓強度比小幅下降;SCAC的劈裂抗拉強度-抗壓強度關系與普通混凝土的經典換算公式吻合良好.

(2)隨著強度等級的提高,SCAC的荷載-裂紋口張開寬度曲線在峰值附近趨窄,開裂荷載與峰值荷載比明顯增大,開裂后的斷裂過程區變短,裂紋均貫穿骨料發展，斷面光滑.SCAC開裂荷載對應的開裂CMOD接近,但峰值荷載對應的峰值CMOD隨強度等級提高顯著降低.C40的開裂載荷與峰值荷載比顯著低于SCAC,其峰值荷載和變形能力均在SCAC之上,裂紋沿骨料脫黏界面擴展,斷面凹凸不平.

(3)提高SCAC強度等級能在一定程度上彌補珊瑚骨料的低強度缺陷,使SCAC斷裂能增大.SCAC的特征長度隨強度等級提高而線性減小,其脆性相應增大.