不同強(qiáng)度海水珊瑚骨料混凝土斷裂性能對(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083; 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

近年來(lái),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(xiàn)其成本控制、縮短工期的優(yōu)勢(shì)[1-2].早期的SCAC多為中低強(qiáng)度的C15～C30[1-4],而隨著混凝土強(qiáng)度要求的不斷提高,復(fù)摻礦物摻和料、珊瑚骨料改性等方法逐漸被應(yīng)用于提升SCAC的強(qiáng)度[5-6].本課題組在前期研究中通過(guò)復(fù)摻固鹽劑獲得了強(qiáng)度超50MPa的SCAC[7],并將就地取材率(海水、珊瑚骨料質(zhì)量占混凝土總質(zhì)量的比例)成功控制在70%以上.

強(qiáng)度不斷提高的SCAC面臨更嚴(yán)重的開(kāi)裂問(wèn)題,裂縫一旦出現(xiàn),外部環(huán)境的有害物質(zhì)將侵入材料內(nèi)部,威脅其結(jié)構(gòu)耐久性[1,8-9].因此,SCAC的斷裂性能對(duì)于認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)裂損機(jī)制至關(guān)重要[10-13].張賢舜等[10]開(kāi)展了C30珊瑚混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的斷裂參數(shù)研究,結(jié)果表明珊瑚混凝土的脆性較大且延性較差;Xu等[11]測(cè)試了50MPa強(qiáng)度等級(jí)堿激發(fā)珊瑚混凝土的斷裂性能,發(fā)現(xiàn)所有試件均為骨料貫穿破壞.另外,混凝土斷裂性能與其強(qiáng)度等級(jí)、骨料體積含量等因素高度相關(guān)[14-15].

本文對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的SCAC開(kāi)展了抗壓、劈裂拉伸以及預(yù)切口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),得到了SCAC荷載-裂紋口張開(kāi)寬度關(guān)系以及斷裂能、特征長(zhǎng)度等斷裂參數(shù),研究了強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SCAC力學(xué)性能及斷裂參數(shù)的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥為唐山冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.骨料采自某熱帶海域島礁,經(jīng)顎式破碎機(jī)現(xiàn)場(chǎng)破碎后運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,再適當(dāng)篩分得到,其中：粗骨料為粒徑5～20mm連續(xù)級(jí)配的破碎珊瑚礁石,筒壓強(qiáng)度2.2MPa,壓碎指標(biāo)31%;細(xì)骨料為粒徑小于5mm的珊瑚砂,細(xì)度模數(shù)2.35.復(fù)摻固鹽劑為中冶建筑研究總院生產(chǎn)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(shí)克服長(zhǎng)期強(qiáng)度倒縮問(wèn)題.外加劑為天津冶建特種材料公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑和復(fù)合緩凝劑.各類鹽均為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的化學(xué)純?cè)噭?海水為按照該海域海水質(zhì)檢報(bào)告配制的人工海水,其化學(xué)組成見(jiàn)表1.

表1 人工海水的化學(xué)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(jiàn)表2,試件編號(hào)SCAC30表示強(qiáng)度等級(jí)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(tài)下的計(jì)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(shí)將就地取材率控制在70%以上,以最大限度利用現(xiàn)場(chǎng)材料.C40普通混凝土的配合比見(jiàn)表3,其骨料用量與SCAC相當(dāng).由表2、3可見(jiàn)：隨著SCAC強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)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(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

1.2 試件制備

北京實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,珊瑚砂和珊瑚石的實(shí)測(cè)含水率分別為0.45%和0.21%,接近于絕對(duì)干燥狀態(tài),加之珊瑚骨料表面疏松多孔,在攪拌成型時(shí)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(dāng)調(diào)整：首先,將稱量好的珊瑚砂和珊瑚石投入混凝土攪拌機(jī),在攪拌均勻后添加總用水量一半的海水,繼續(xù)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(xù)拌和2min左右.停止攪拌后,拌和物中“噼啪”冒泡,待該現(xiàn)象緩解后出料,及時(shí)測(cè)量拌和物的坍落度和擴(kuò)展度.拌和物入模后置于振動(dòng)臺(tái)振搗1min,覆膜養(yǎng)護(hù)24h后拆模,然后將試塊移入溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度RH>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d.

1.3 試驗(yàn)方法

SCAC抗壓和劈裂拉伸試驗(yàn)均在電液壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試塊尺寸為100mm×100mm×100mm,每組成型3個(gè)試塊,結(jié)果取平均值.根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)試塊連續(xù)均勻施加荷載,抗壓、劈裂拉伸試驗(yàn)的加載速率均為0.60MPa/s,直至試塊破碎后停止試驗(yàn)并記錄峰值荷載.

預(yù)切口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在MTS材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(yù)制寬2mm、深10mm的通寬切口,在預(yù)切口底部夾持標(biāo)距10mm的引伸計(jì),測(cè)量裂紋口張開(kāi)寬度(CMOD).在獲得的荷載-裂紋口張開(kāi)寬度(P-CMOD)曲線基礎(chǔ)上,借助黏性裂紋模型求解SCAC的斷裂本構(gòu)關(guān)系(即應(yīng)力-裂紋寬度(σ-w)關(guān)系).該方法是在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中建立的關(guān)于荷載、應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)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(jì)算荷載及CMOD與試驗(yàn)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(jì)算特征長(zhǎng)度lch[16]：

lch=EGf/σt2

(1)

式中：E為混凝土彈性模量;σt為抗拉強(qiáng)度.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

圖1為SCAC和C40的抗壓強(qiáng)度(fcu)和劈裂抗拉強(qiáng)度(fts).由圖1可見(jiàn)：SCAC的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為48.1MPa,與SCAC40較為接近.珊瑚骨料多孔、輕質(zhì)、低強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)樗嗍羌?因此SCAC的強(qiáng)度制約相主要是珊瑚石粗骨料.

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

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

圖2 SCAC和C40的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between splitting tensile strength and compressive strength of SCAC and C40

2.2 荷載-裂紋口張開(kāi)寬度曲線

SCAC和C40的P-CMOD曲線見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)：不同強(qiáng)度等級(jí)SCAC的P-CMOD曲線特征相似,在加載初期,荷載隨裂紋口張開(kāi)寬度線性增大,在預(yù)切口尖端起裂后開(kāi)始偏離線性,隨后很快達(dá)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(duì)應(yīng);隨著SCAC強(qiáng)度等級(jí)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(guò)程愈加劇烈,這表明SCAC的脆性隨強(qiáng)度提高有所增大[18];C40的峰值荷載明顯高于同強(qiáng)度等級(jí)的SCAC40,且其P-CMOD曲線形狀飽滿,即使裂紋口寬度達(dá)到0.40mm,C40仍可保留較高的承載力,斷裂過(guò)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(jù)P-CMOD曲線確定SCAC和C40的開(kāi)裂荷載、峰值荷載及開(kāi)裂CMOD、峰值CMOD,結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4(a)可見(jiàn):SCAC的開(kāi)裂荷載和峰值荷載隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大;SCAC30、SCAC40和SCAC50的開(kāi)裂荷載與峰值荷載比分別約為76%、81%和84%,開(kāi)裂荷載相對(duì)于峰值荷載的比例隨強(qiáng)度提高逐漸增大,這說(shuō)明強(qiáng)度等級(jí)越高,試件開(kāi)裂后更快達(dá)到峰值荷載,斷裂過(guò)程區(qū)更短;C40的開(kāi)裂荷載為4.7kN,與同強(qiáng)度SCAC40相當(dāng),但其峰值荷載卻可達(dá)7.7kN,顯著高于SCAC40的6.2kN.在開(kāi)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(kuò)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(kāi)裂后的斷裂過(guò)程延長(zhǎng),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(jiàn)：(1)SCAC開(kāi)裂荷載所對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂CMOD值接近,且數(shù)據(jù)離散性較小,這說(shuō)明開(kāi)裂CMOD與強(qiáng)度等級(jí)、骨料種類的關(guān)聯(lián)不大;C40的開(kāi)裂CMOD與SCAC相近.(2)峰值荷載對(duì)應(yīng)的峰值CMOD變化規(guī)律明顯不同,首先,SCAC的峰值CMOD隨強(qiáng)度等級(jí)提高顯著降低,SCAC30、SCAC40和SCAC50對(duì)應(yīng)的峰值CMOD以20%的幅度降低,高強(qiáng)度等級(jí)使珊瑚骨料的薄弱程度更加凸顯;其次,C40的峰值CMOD遠(yuǎn)高于3個(gè)SCAC,相比同強(qiáng)度的SCAC40增幅更是超過(guò)50%.(3)峰值CMOD的數(shù)據(jù)離散性均明顯高于開(kāi)裂CMOD,試件斷面上分布的粗骨料粒徑和數(shù)量存在較大的隨機(jī)性,這會(huì)影響試件的變形測(cè)試結(jié)果.

圖4 SCAC和C40的開(kāi)裂荷載、峰值荷載及開(kāi)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(zhǎng)度

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

由σ-w曲線確定SCAC的斷裂能Gf和特征長(zhǎng)度lch,結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)：SCAC的斷裂能隨強(qiáng)度等級(jí)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(dá)168.2J/m2,明顯高于3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的SCAC,高出同強(qiáng)度的SCAC40 60%以上.骨料的強(qiáng)度特性對(duì)混凝土斷裂能更為關(guān)鍵,因而從技術(shù)角度提高體積含量較大的骨料強(qiáng)度遠(yuǎn)比單純提高基材強(qiáng)度等級(jí)效率更高,但從實(shí)踐角度仍需兼顧骨料改性增強(qiáng)的便捷性和經(jīng)濟(jì)性.

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

由圖5還可見(jiàn)：SCAC的特征長(zhǎng)度隨強(qiáng)度等級(jí)提高近似線性地減小,表明SCAC的脆性增大;C40的特征長(zhǎng)度大于SCAC,這說(shuō)明普通碎石骨料在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的拔出機(jī)制對(duì)改善混凝土脆性大有裨益.要在保證就地取材率的同時(shí)提高SCAC的斷裂能,對(duì)珊瑚骨料本身作增強(qiáng)改性可能是值得探究的方法之一.

3 結(jié)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(qiáng)度等級(jí)逐漸提高,且與濕容重呈正相關(guān);隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高,SCAC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增大,拉壓強(qiáng)度比小幅下降;SCAC的劈裂抗拉強(qiáng)度-抗壓強(qiáng)度關(guān)系與普通混凝土的經(jīng)典換算公式吻合良好.

(2)隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高,SCAC的荷載-裂紋口張開(kāi)寬度曲線在峰值附近趨窄,開(kāi)裂荷載與峰值荷載比明顯增大,開(kāi)裂后的斷裂過(guò)程區(qū)變短,裂紋均貫穿骨料發(fā)展，斷面光滑.SCAC開(kāi)裂荷載對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂CMOD接近,但峰值荷載對(duì)應(yīng)的峰值CMOD隨強(qiáng)度等級(jí)提高顯著降低.C40的開(kāi)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(kuò)展,斷面凹凸不平.

(3)提高SCAC強(qiáng)度等級(jí)能在一定程度上彌補(bǔ)珊瑚骨料的低強(qiáng)度缺陷,使SCAC斷裂能增大.SCAC的特征長(zhǎng)度隨強(qiáng)度等級(jí)提高而線性減小,其脆性相應(yīng)增大.