高強珊瑚混凝土(HSCC)單軸受壓性能試驗研究

張繼旺，黃滿鋒，蘇仕參，易 金，覃慶龍，王 磊

(1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，桂林 541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071)

0 引 言

高性能混凝土(high performance concrete, HPC)因具有高抗壓強度、高韌性、高耐久性和良好耐磨性等優(yōu)異性能，得到了國內(nèi)外科研和工程人員的高度關(guān)注[1-2]，并解決了橋梁結(jié)構(gòu)、抗爆結(jié)構(gòu)及大型預應力結(jié)構(gòu)等工程復雜受力和加固問題[3-4]。但珊瑚混凝土存在強度低、孔隙率高和脆性大等問題，使得珊瑚混凝土只能應用于一般構(gòu)筑物、墊層和防坡堤壩等基礎工程[5-6]。隨著“海洋強國”的提出和應用范圍逐步擴大，珊瑚混凝土研究已成為了一個熱點問題，國內(nèi)外研究人員對其改性增強、破壞機理分析等進行了大量研究[6-8]。胡堯等[9]通過珊瑚砂和空心玻璃微珠替代石英砂制備超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)發(fā)現(xiàn)，采用處理過的珊瑚砂替代石英砂仍能制備出抗壓強度超過120 MPa的UHPC，抗壓強度僅比未替換時降低12.7%。陳飛翔等[10]研究表明，珊瑚礁砂UHPC的最佳膠砂質(zhì)量比為1 ∶1，珊瑚礁砂的最佳質(zhì)量取代比例為30%。張志豪等[11]研究指出，珊瑚礁石粉對UHPC的流變性能、流動度和強度存在較大的影響，其成核效應促進了膠凝材料的水化作用，形成更為致密的結(jié)構(gòu)。目前，制備更高強度珊瑚混凝土應用于臺風侵襲、高速海浪沖刷甚至突發(fā)爆炸沖擊等極端動荷載作用下的基礎防護工程已成為業(yè)內(nèi)學者重點關(guān)注的方向。

高強珊瑚混凝土(high strength coral concrete， HSCC)是一種具有較高力學性能和致密結(jié)構(gòu)的新型水泥基復合材料，為改善其脆性特征，往往在HSCC中摻入纖維，提高材料的韌性和抗拉強度。王磊等[8]研究表明，纖維材料能明顯改善珊瑚混凝土的脆性，增加韌性，使其抗折性能顯著提高，改變珊瑚混凝土的破壞形態(tài)，試件破壞時依然能保持良好的整體性。王星堯[12]采用細度模數(shù)為2.0的珊瑚砂，摻加體積率為2.0%的鋼纖維制備出抗壓強度為146.7 MPa的地聚合物基超高強珊瑚混凝土，但鋼纖維在珊瑚混凝土中的氯鹽侵蝕行為仍不明確。目前，關(guān)于HSCC的研究較少，對其單軸受壓性能的研究有助于進一步了解HSCC的強度特征、破壞模式和應力-應變關(guān)系，解決島礁高強混凝土設計或防護結(jié)構(gòu)應用等問題。

因此，本文通過優(yōu)化珊瑚砂摻量和膠凝材料配合比，摻加輕質(zhì)、耐腐蝕的聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)制備HSCC，進行基本力學性能、破壞機理和單軸受壓作用下應力-應變曲線等方面的研究，為珊瑚混凝土推廣應用及海洋島礁工程設計施工提供必要的參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

珊瑚砂照片如圖1所示，表觀密度為2 553 kg/m3，堆積密度為1 527 kg/m3，細度模數(shù)為2.17，吸水率為4.98%(質(zhì)量分數(shù))。膠凝材料采用P·II 52.5硅酸鹽水泥、一級粉煤灰(fly ash, FA)和硅灰(silica fume, SF)，膠凝材料的主要化學成分如表1所示。拌合水為參考美國標準ASTMD 1141—2003配制的人工海水，摻加減水率為25%的聚羧酸系高性能減水劑、聚醚改性有機硅消泡劑以及粒徑約為1.7 μm的石英粉(quartz powder, QP)。纖維采用如圖2所示的PPF，摻量為4 kg/m3(體積率為0.43%)，其基本參數(shù)如表2所示。

圖1 珊瑚砂照片F(xiàn)ig.1 Coral sand photograph

圖2 PPF照片F(xiàn)ig.2 PPF photograph

表1 膠凝材料的主要化學成分Table 1 Main chemical components of cementitious materials

表2 PPF基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of PPF

1.2 配合比設計

根據(jù)《輕骨料混凝土應用技術(shù)標準》(JGJ/T 12—2019)、高性能輕骨料配合比設計原則及富漿混凝土理論[13]，采用最大容重的顆粒級配進行試配，并通過調(diào)整膠凝材料總量、水膠比(W/B)和砂摻量，最終設計HSCC的強度等級為C105。為改善HSCC的脆性特征，參考文獻[2,8]摻入適量的PPF進行改性增強，A、B兩組HSCC的配合比如表3所示，其中A組為不摻加纖維的對照組。

表3 HSCC配合比Table 3 Mix ratio of HSCC

1.3 試件制作

采用分批投料的方式，將70%(質(zhì)量分數(shù))的水泥、珊瑚砂、石英粉、外加劑等原材料置于攪拌機中干拌1 min，然后加入人工海水濕拌3～5 min，再將剩余材料投入繼續(xù)攪拌3～5 min，出料后分別澆筑標準尺寸(150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm)的HSCC試件。24 h后拆模放置于(20±2) ℃的人工海水中養(yǎng)護，28 d后采用YAW-3000kN萬能試驗機和NJ-BSJ型真空保水機測量HSCC基本力學性能參數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 HSCC基本力學性能參數(shù)Table 4 Basic mechanical performance parameters of HSCC

1.4 試驗方法

參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)，采用YEW-5000kN高剛度電液伺服壓力試驗機對養(yǎng)護28 d后的棱柱體試塊進行應力-應變?nèi)€測量。其中變形采用千分表進行測量，并采用雙攝像頭對顯示器和千分表進行同步錄像取數(shù)，且在兩側(cè)的豎向和橫向粘貼膠基式BX120-50AA應變片測量混凝土應變；加載系統(tǒng)采用位移控制和力控制，破壞前加載速率為0.5～1.0 kN/s，破壞后按0.5 mm/min的速率進行加載。另外，對試件進行取芯觀察和電鏡掃描，觀察HSCC宏觀孔隙和骨料填充效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 HSCC的破壞特征

HSCC破壞形態(tài)如圖3所示，未摻加纖維的A組試件為脆性破壞，當荷載達到極限荷載的80%～85%時，試塊表面開始出現(xiàn)少量的豎向裂縫，應力峰值時表現(xiàn)為爆炸性破壞模式，內(nèi)部具有與普通混凝土相似的上下倒三角破壞形態(tài)特征。摻纖維的B組試件表現(xiàn)為延性破壞，破壞時宏觀裂縫相對較少，主要為豎向裂縫和少量橫向裂縫，纖維的橋接作用使試件整體性保留較好，荷載達到應力峰值后仍具有一定的承載力。

對HSCC的棱柱體試件進行單軸受壓試驗時發(fā)現(xiàn)，荷載達到峰值應力的80%～90%時，A、B組試件靠近中間位置開始出現(xiàn)豎向貫穿裂縫，接近應力峰值時，表面開始有少量混凝土剝落。破壞模式的不同導致A組試件破壞時完全失去承載作用，B組試件破壞后仍能繼續(xù)承載，加載結(jié)束后的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖3 HSCC的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of HSCC

圖4 HSCC棱柱體單軸受壓破壞形態(tài)Fig.4 Uniaxial compression failure mode of HSCC prism

2.2 HSCC的強度特征關(guān)系

較多學者[8,14-15]認為,珊瑚混凝土的彈性模量低于普通混凝土，并隨強度的提高而提高。彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系如圖5所示。強度等級為C60時珊瑚混凝土彈性模量與普通混凝土基本相近；強度等級超過C60時，珊瑚混凝土彈性模量的增長速度開始減緩，彈性模量與抗壓強度呈一種非線性關(guān)系。相同條件下，珊瑚混凝土的強度主要由砂率來控制，珊瑚粗骨料與細骨料的比例越低則強度越高。當細骨料完全取代粗骨料制備成HSCC時，HSCC彈性模量大約為44.71 GPa，與同種強度等級的高強混凝土基本相近。

軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值如圖6所示，HSCC的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值基本在0.86～0.94，而普通珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值在0.75～0.97，均高于普通混凝土。分析認為，主要是珊瑚骨料具有吸水、返水作用的微管系統(tǒng)[16]，吸水作用能降低水灰比而提升“骨料-水泥石”界面強度，水泥水化過程中骨料排出水分有利于界面水泥石充分水化，這種“微泵”作用使結(jié)構(gòu)變得更為密實。需要注意的是，制備HSCC的珊瑚細骨料同樣存在粗骨料的“微泵”特征，但細骨料形狀更為規(guī)則，孔隙小且內(nèi)部幾乎不存在較大“空腔”，比水泥更為細小的硅灰和粉煤灰進入孔隙填充和水化，間接提高了骨料的強度，成為制備高性能甚至超高性能珊瑚混凝土的關(guān)鍵。

理論上，摻加纖維可以大大提高混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度。但HSCC中，B組試件的劈裂抗拉強度提高了5.2%～6.3%，抗折強度提高了10.7%～12.9%，與普通強度的纖維珊瑚混凝土相比，其抗折強度增幅有所降低，劈裂抗拉強度變化范圍不大，珊瑚混凝土力學性能如表5所示。主要是由于珊瑚混凝土中粗骨料面積占比較大，所需的最佳纖維較低，而HSCC屬于珊瑚砂水泥基復合材料，所需的纖維摻量應該與活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)、工程水泥基復合材料(engineering cementitious composites, ECC)(體積率為1%～3%)等類型混凝土相近。盡管PPF摻量較低，與A組試件的爆炸性破壞模式相比，B組試件已有較為明顯的延性破壞特征，纖維的橋接作用使HSCC破壞后仍保存較好的整體性和一定的承載能力。較多研究[2,6,8]表明，摻加大量纖維在一定程度上影響混凝土的抗壓強度和流動性能，導致內(nèi)部界面微裂縫和局部應力集中，強度降低。

圖5 彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between elastic modulus and cube compressive strength

圖6 軸心抗壓強度(fc)與立方體抗壓強度(fcu)比值Fig.6 Ratio of axial compressive strength (fc) to cube compressive strength (fcu)

表5 珊瑚混凝土力學性能Table 5 Mechanical properties of coral concrete

2.3 HSCC的應力-應變?nèi)€

圖7為HSCC表面應變片實測曲線和位移測量的應力(σ)-應變(ε)全曲線。從圖7(a)發(fā)現(xiàn)，荷載到達應力峰值的80%～90%(85～97 MPa)時，HSCC開始出現(xiàn)裂縫或表面混凝土剝落，導致應變片失效。圖7(b)為不同類型、不同強度混凝土的應力-應變?nèi)€，結(jié)合應變片實測曲線對比發(fā)現(xiàn)：(1)HSCC應變達到1.83×10-3附近時，原本近似線性的曲線開始發(fā)生變化，說明混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，彈性極限位置較高。(2)未摻加PPF的HSCC從微裂縫產(chǎn)生、積累到破壞的過程比普通混凝土短，能量釋放十分迅速，強度等級超過C80時均表現(xiàn)為爆炸性破壞而無法測量下降段曲線；摻加PPF的HSCC具有明顯的下降段曲線，基本在極限強度的20%～30%進入殘余強度轉(zhuǎn)折點。(3)應力水平相同時，珊瑚混凝土(C60以下)的變形量比普通混凝土大，骨料貫穿破壞的特點使骨料與水泥石無法產(chǎn)生機械咬合力，下降段曲線更陡峭，殘余強度低于同強度等級的普通混凝土。(4)應變一般在1.5×10-3～2×10-3時珊瑚混凝土開始產(chǎn)生宏觀裂縫[15]，略晚于同強度等級的普通混凝土(1.4×10-3～1.8×10-3)，宏觀上表現(xiàn)為曲線的“大變形階段”比普通混凝土的短。

為了更直觀地反映上升段與下降段的差異以及殘余強度的變化特點，采用應力(σ)與應力峰值(σ0)比值、應變(ε)與應變峰值(ε0)比值繪制應力-應變曲線，σr為殘余應變。不同類型混凝土應力-應變?nèi)€如圖8所示，HSCC上升段線性特征比較明顯，σ/σ0隨ε/ε0的變化趨勢基本一致。普通珊瑚混凝土上升段曲線與普混凝土基本相似，ε/ε0隨σ/σ0的增大而逐漸增大。下降段中，HSCC、普通珊瑚混凝土和輕骨料混凝土的曲線比普通混凝土的陡峭，而珊瑚混凝土陡峭程度更高，說明珊瑚混凝土和輕骨料混凝土脆性比普通混凝土大，輕骨料混凝土的脆性更為明顯。主要原因是三者的破壞模式有所不同，普通混凝土到達應力峰值之后，骨料與水泥石之間的機械咬合力能減緩應力的下降，骨料貫穿破壞模式的珊瑚混凝土幾乎不存在機械咬合力，但骨料吸水、返水作用使“骨料-水泥石”界面強度高于輕骨料混凝土，σr降低速度相比有所減緩。

由圖8(b)可知，HSCC的σr/σ0比值約為0.3，珊瑚的σr/σ0比值為0.292～0.525，說明兩者破壞后仍具有較高的殘余強度，但HSCC的殘余強度在破壞后迅速降低。隨著強度的提高，σr/σ0比值反而越低，說明珊瑚混凝土強度越高脆性越大，不摻加纖維的HSCC不存在下降段。摻加PPF的HSCC的下降段整體趨勢與輕骨料混凝土較為相近，都是破壞后強度迅速降低，結(jié)構(gòu)設計中不建議考慮下降段的殘余強度。

圖7 HSCC應力-應變?nèi)€Fig.7 Stress-strain full curves of HSCC

圖8 不同類型混凝土應力-應變?nèi)€Fig.8 Stress-strain full curves of different types of concrete

2.4 HSCC的孔隙率及干表觀密度

采用真空飽水的方法測量HSCC的含水率能較大程度反映其孔隙率范圍，以此方法實測得到的HSCC的孔隙率約在4.7%～6.9%，高于同等強度的普通混凝土[20]。主要是因為珊瑚砂表面粗糙，流動性比普通河砂低，且骨料自身含有大量開放孔隙，水泥漿難以完全填充。HSCC的干表觀密度基本在2 230～2 310 kg/m3，比珊瑚混凝土(1 850～2 150 kg/m3)約高7.4%～24.9%，說明HSCC的密實度有了較大的提升。

為了觀察HSCC宏觀孔隙和骨料孔隙填充情況，對試件進行取芯觀察及電鏡掃描。HSCC與珊瑚混凝土宏觀孔隙如圖9所示，HSCC僅有少量的宏觀孔隙，主要為水化反應或振搗過程中形成的氣體未能及時排出而產(chǎn)生的氣泡孔。與普通珊瑚混凝土相比，骨料粒徑越小的混凝土內(nèi)部更容易形成規(guī)則穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，且?guī)缀醪淮嬖诠橇席B合(集中)增大局部缺陷的情況。骨料剖面SEM照片如圖10所示，骨料表面水泥漿填充較好，但內(nèi)部仍存在較多的未填充孔隙，尤其是骨料中心區(qū)域。初步分析認為，骨料內(nèi)部封閉孔隙容易造成填充中斷，孔徑形狀大小同樣影響水泥漿的滲入，且孔隙內(nèi)部空氣壓力也是水泥漿滲透填充的主要影響因素。如果能用太空混凝土制備方法，在真空或低氣壓條件下進行攪拌出料，理論上可以進一步減少水泥石的毛細管孔，提升骨料的填充體積。

圖9 HSCC與珊瑚混凝土宏觀孔隙Fig.9 Macro pores of HSCC and coral concrete

圖10 骨料剖面SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of aggregate profile

3 結(jié) 論

(1)未摻加纖維的HSCC失效模式為爆炸性破壞，摻加體積率為0.43%的PPF的HSCC表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征，破壞后其應力-應變?nèi)€具有殘余強度約為0.3σ0的下降段，但殘余強度降低速度很快，與輕骨料混凝土基本相似。

(2)HSCC中骨料與水泥石應力傳遞特征并未發(fā)生明顯改變，其軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值基本在0.86～0.94，而普通珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值在0.75～0.97，均高于普通混凝土。珊瑚細骨料與水泥石形成更為穩(wěn)定規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，孔隙小且內(nèi)部幾乎不存在“空腔”情況。

(3)HSCC應變達到1.83×10-3附近時微裂縫開始積累，變形開始增大，并在應力峰值的80%～90%(85～97 MPa)時出現(xiàn)明顯的宏觀裂縫；應力-應變?nèi)€的上升段線性特征比較明顯，彈性極限位置較高。

(4)HSCC的孔隙率約為4.7%～6.9%，干表觀密度基本在2 230～2 310 kg/m3，比普通珊瑚混凝土高7.4%～24.9%，整體密實度較高，骨料邊緣孔隙填充較為良好。

(5)與普通珊瑚混凝土纖維摻量相近時，HSCC劈裂抗拉強度和抗折強度提升效果并不是特別明顯，建議考慮增大纖維體積摻量進一步系統(tǒng)研究。