島礁全珊瑚混凝土的力學性能及提升措施

達波， 馮基恒， 倪雷， 王佳怡， 方琳濤， 賀藝航， 陳達,2

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

在人類社會不斷發(fā)展的大背景下，陸地資源十分有限，世界上具有海洋權(quán)益的國家將戰(zhàn)略目標轉(zhuǎn)移至具有豐富礦產(chǎn)和石油資源的海洋。然而在遠離大陸的熱帶島礁上建設(shè)和修復建筑工程，有時不得不從大陸用船舶運輸大量的砂石和淡水，不僅運費高昂，而且受風浪等自然條件限制，工期難以保證[1-5]。

為滿足島礁建設(shè)的需求，珊瑚混凝土(coral aggregate concrete，CAC)的研究應用日益增多[6]，眾多學者研究發(fā)現(xiàn)，利用珊瑚作為骨料配制混凝土是可行的[4,7-8]。CAC是一種以島礁上豐富的珊瑚礁砂資源為骨料制備的混凝土，能夠極大減少工程建設(shè)成本，縮短建設(shè)工期[9]。目前，根據(jù)混凝土粗、細骨料的替換情況，可將珊瑚混凝土分為全珊瑚混凝土(all coral aggregate concrete，ACC)、珊瑚河砂混凝土和碎石珊瑚砂混凝土3類[6-7,10]。在遠海島礁環(huán)境惡劣、資源匱乏的條件下，采用ACC對于遠海油氣鉆采平臺、人工島礁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更具實際工程意義[10]。

基于此，本文采用試驗和理論分析相結(jié)合的方法，對ACC的基本力學性能研究現(xiàn)狀進行梳理，建立ACC的軸心抗壓強度(fc)、劈裂抗拉強度(fsp)、抗折強度(ft)與立方體抗壓強度(fcu)之間的轉(zhuǎn)換模型，探明ACC與輕骨料混凝土、普通骨料混凝土等其他種類混凝土力學性能的異同，提出ACC力學性能的改善措施，對深遠海島礁ACC結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工具有重要指導意義。

1 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度

1.1 數(shù)學模型

實際工程中受壓構(gòu)件的長度常比其截面尺寸大得多，因此軸心抗壓強度(fc)比立方體抗壓強度(fcu)更能反映混凝土的實際抗壓能力。而目前常采用立方體試件評定混凝土的強度等級，因此，建立混凝土fc和fcu之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系非常必要。近年來，糜人杰[11]、Huang[12-13]、達波[14-17]、蘇晨[18]、高屹[19]等眾多學者開展了fc與fcu的研究，并提出ACC的fc和fcu之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見表1)。

表1 全珊瑚混凝土fc與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 1 The transform relationships between fc and fcu of ACC

對高屹等[19]的實驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)強度等級高于C50的ACC，其fc隨fcu的改變上下浮動，fc和fcu之間沒有明顯的線性關(guān)系。圖1為全珊瑚混凝土fc與fcu之間的關(guān)系。通過對糜人杰[11]、Huang[12-13]、達波[14-17]、蘇晨[18]等的實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，建立了強度等級為C20～C50的全珊瑚混凝土fc和fcu之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見表1)。

圖1 全珊瑚混凝土的fc與fcu之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between fc and fcu of ACC

1.2 不同種類混凝土對比

圖2為全珊瑚混凝土(ACC)、輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LAC)、普通骨料混凝土(ordinary aggregate concrete,OAC)的fc和fcu之間的對比關(guān)系。表2為ACC、LAC、OAC的fc與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由圖表可知：ACC的fc隨fcu增長速率與OAC基本相似，并且相同強度等級ACC的fc高于OAC。ACC的fc隨fcu增長速率明顯低于LAC，對于強度等級較低的ACC，其fc要高于LAC，但隨著強度等級的提升，ACC的fc逐漸低于LAC。其原因在于[11,14,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料間的機械咬合力更大，強度相對高于其他兩類混凝土。但隨著強度等級提高，珊瑚骨料本身脆性大的“缺陷”凸顯，導致ACC強度要略低于LAC。

圖2 不同種類混凝土fc與fcu之間的對比關(guān)系Fig.2 Relationship between fc and fcu of different kinds of concrete

表2 不同種類混凝土fc與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 2 The transform relationships between fc and fcu of different kinds of concrete

同時，考慮珊瑚骨料孔隙率高，脆性大的“缺陷”[18,20-22]，建議采用本身強度較高的鹿角狀珊瑚骨料(其內(nèi)部多為閉合小孔隙)和選用新型海工水泥、劍麻纖維等輔助材料，能有效提升ACC的強度等級。

2 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度

2.1 數(shù)學模型

混凝土的劈裂抗拉強度(fsp)與混凝土的抗裂性能密切相關(guān)，是建筑物結(jié)構(gòu)正常極限承載力計算中控制裂縫寬度和裂縫間距的主要指標，同時也是抵抗由于溫度變形導致開裂的重要因素[11]。近年來，陳兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吳彰鈺[28]等眾多學者開展了fsp與fcu的研究，并提出ACC的fsp和fcu之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見表3)。

表3 全珊瑚混凝土fsp與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 3 The transform relationships between fsp and fcu of ACC

圖3為全珊瑚混凝土fsp與fcu之間的關(guān)系。通過對陳兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吳彰鈺[28]等的實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，建立了強度等級為C20～C50的全珊瑚混凝土fsp和fcu之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見表3)。

圖3 全珊瑚混凝土的fsp與fcu之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between fsp and fcu of ACC

2.2 不同種類混凝土對比

圖4為全珊瑚混凝土(ACC)、輕骨料混凝土(LAC)、普通骨料混凝土(OAC)fsp和fcu之間的對比關(guān)系。表4為ACC、LAC、OAC的fsp與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由圖表可知：ACC的fsp隨fcu增長的速率明顯大于OAC。ACC與LAC進行比較，ACC的fsp與LAC十分接近，相同強度等級條件下，ACC的fsp僅比LAC高5%左右。主要原因在于[11-12,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料間的機械咬合力更大，導致ACC強度增長速率高于OAC。

圖4 不同種類混凝土fsp與fcu之間的對比關(guān)系Fig.4 Relationship between fsp and fcu of different kinds of concrete

表4 不同種類混凝土fsp與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 4 The transform relationships between fsp and fcu of different kinds of concrete

3 抗折強度與立方體抗壓強度

混凝土路面由于直接受車輛荷載的重復作用及環(huán)境因素的影響，因而要求混凝土應具有較高的抗折強度(ft)。本文統(tǒng)計了ACC與橡膠骨料混凝土(Rubber aggregate concrete，RAC)、OAC的ft和fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系(見表5)。圖5為ACC、RAC、OAC的ft和fcu之間的關(guān)系。由圖表可知：在強度等級為C30左右時，ACC的ft略高于RAC和OAC，隨著強度等級的提高，ACC的ft明顯低于RAC和OAC，原因在于：珊瑚骨料具有孔隙率高，脆性大的“缺陷”[18,20-22]，導致ACC的抗彎性能劣于RAC、OAC。

圖5 不同種類混凝土ft與fcu之間的對比關(guān)系Fig.5 Relationship between ft and fcu of different kinds of concrete

表5 不同種類混凝土ft與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 5 The transform relationships between ft and fcu of different kinds of concrete

4 力學性能提升措施

綜上研究表明，ACC能滿足工程建設(shè)需求。此外熱帶島礁溫度高、濕度大、鹽度高等環(huán)境特點[33-35]，加速其力學性能劣化，因此，亟需提升ACC的力學性能。目前主要通過摻入纖維、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施提升ACC力學性能。

1) 摻入外加纖維可以有效提高ACC的強度等級。文獻[36-41]通過摻入聚丙烯纖維、鋼纖維與玄武巖纖維等纖維，發(fā)現(xiàn)能有效提高ACC的fsp與ft。為了解決ACC的脆性問題，吳彰鈺等[42]采用新型海工水泥和劍麻纖維制備了一種具有高韌性的新型ACC，發(fā)現(xiàn)其fc隨fcu增長的速率更快，力學性能顯著提升。文獻[43-48]發(fā)現(xiàn)摻入適量劍麻纖維對ACC的強度也有明顯改善。

2) 改善骨料特性可以提升ACC的強度等級。考慮珊瑚骨料孔隙率高、脆性大等天然“缺陷”，竇雪梅[49]、蘇晨[18]等建議采用本身抗壓強度高的鹿角狀珊瑚骨料(其內(nèi)部多為閉合小孔隙)制備ACC，其強度顯著高于一般珊瑚骨料。此外，ACC脆性具有明顯的尺寸效應[50]。當ACC的截面尺寸增大，尤其是高寬比增大時，脆性指數(shù)降低，脆性增大，所以工程中應采取適中的截面尺寸，在保證強度的同時減小脆性帶來的不利影響。

3) 其他措施。摻入硅灰能有效提升ACC的fcu及fsp，但最佳摻量(20%～30%[51-55])明顯高于OAC。張呈強[56]等研究了配合比對ACC強度的影響，指出ACC的抗壓強度隨著珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律，隨著水泥用量增大而增大。利用骨料高孔隙率的特征，充分發(fā)揮其“吸水”、“返水”作用，可以提高ACC的密實性，進而提升強度[57-58]。

5 結(jié)論

1) 全珊瑚混凝土(ACC)的軸心抗壓強度fc與立方體抗壓強度fcu之間具有明顯的線性關(guān)系。ACC的fc隨fcu增長規(guī)律與普通骨料混凝土(OAC)基本相似。ACC的fc隨fcu增長速率明顯低于輕骨料混凝土(LAC)，對于強度等級較低的ACC，其fc高于LAC，但隨著強度等級的提升，ACC的fc逐漸低于LAC。

2) ACC的劈裂抗拉強度fsp與fcu之間具有明顯的線性關(guān)系。ACC的fsp隨fcu增長速率明顯大于OAC，與LAC基本相似，相同強度等級條件下，ACC的fsp僅比LAC高5%左右。

3) ACC的抗折強度ft與fcu之間具有明顯的線性關(guān)系。相同配合比ACC的ft明顯低于OAC和橡膠骨料混凝土(RAC)，導致ACC的抗彎性能劣于RAC、OAC。

4) 由于珊瑚骨料本身具有孔隙率高、脆性大等天然“缺陷”，同時ACC處于高溫、高濕、高鹽的熱帶島礁環(huán)境，建議通過摻入纖維、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施，改善ACC的力學性能。