海水海洋骨料混凝土霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

徐金俊， 唐月月， 陳宇良， 陳宗平

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 南京 211816； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)國(guó)際研究中心， 南京 211816；3. 廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 柳州 545006； 4. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；5. 廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004)

我國(guó)是一個(gè)擁有3.2萬(wàn)km海岸線和豐富海島資源的海洋大國(guó)。黨的十八大報(bào)告提出“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，黨的十九大報(bào)告又進(jìn)一步提出“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略部署，海洋資源開發(fā)及海島工程建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)。工程建設(shè)需消耗大量的建筑材料，從內(nèi)陸運(yùn)輸建筑材料耗時(shí)費(fèi)財(cái)，而就地取材利用海上資源將有效縮短建設(shè)工期、降低成本，同時(shí)對(duì)節(jié)約陸地資源具有重要意義。

豐富的海水、海砂、珊瑚等海上資源可作為制備海工及港工混凝土的原材料，由其替代傳統(tǒng)意義上的淡水、河砂以及碎石骨料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海水海洋骨料混凝土已經(jīng)開展了系列研究。劉偉等[1]、盧予奇等[2]、黃一杰等[3]、陳宗平等[4]、Etxeberria等[5]、Shayan等[6]、臧朝會(huì)等[7]分別從海水海砂碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、斷裂敏感性等角度與淡水河砂碎石混凝土進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)海砂對(duì)混凝土軸壓力學(xué)性能無(wú)顯著影響，但海水對(duì)海砂混凝土具有早強(qiáng)作用。珊瑚與常規(guī)碎石在主要成分方面相同，均為碳酸鈣，因此具有穩(wěn)定的物理力學(xué)性能。但是作為骨料而言，珊瑚所具有的形狀多變、粗糙多孔、輕質(zhì)低強(qiáng)等特點(diǎn)造就其與碎石骨料差異較大[8]；普遍來(lái)看，珊瑚混凝土適用于強(qiáng)度等級(jí)較低的一類混凝土工程。王以貴[9]利用南海珊瑚礁砂配制出了C20強(qiáng)度等級(jí)的珊瑚骨料混凝土，證明了珊瑚混凝土應(yīng)用于防洪堤、基礎(chǔ)設(shè)施的可行性。韋灼彬等[10]、糜人杰等[11]、馬林建等[12-13]、蘇晨等[14]、Arumugam等[15]分別通過(guò)靜力受壓、疲勞壽命、阻尼特性、耐久性能等試驗(yàn)揭示了珊瑚骨料混凝土的受力機(jī)理與破壞規(guī)律。

事實(shí)上，海工及港工結(jié)構(gòu)物很難避免海浪的拍打和船只的撞擊，這些外部作用隸屬于動(dòng)力荷載，相應(yīng)地對(duì)結(jié)構(gòu)材料具有動(dòng)態(tài)效應(yīng)，研究其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為意義重大。岳承軍等[16-17]、Ma等[18]和吳家文等[19]采用小直徑(75 mm和100 mm)分離式霍普金森壓桿(separated Hopkinson pressure bar ，SHPB)對(duì)全珊瑚混凝土完成了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明全珊瑚混凝土試塊的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)(dynamic increasing factor，DIF)與應(yīng)變率的0.5次方呈線性正相關(guān)，且高于同等級(jí)普通硅酸鹽混凝土。

就現(xiàn)階段而言，多數(shù)研究聚焦于單一類型的海洋骨料混凝土靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，而針對(duì)采用骨料類型較為全面的海水海洋骨料混凝土動(dòng)態(tài)受壓性能的研究成果并不多見，但往往拌合海水-多類型海洋骨料于海工及港工混凝土才是就地取材的最大初衷。為此，本文采用大直徑(155 mm)分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置開展了淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土(海水海砂碎石混凝土和海水海砂珊瑚混凝土)在不同沖擊氣壓下的動(dòng)力荷載試驗(yàn)研究，并與其在靜力荷載作用下的受壓性能進(jìn)行對(duì)比分析，以期揭示應(yīng)變率、骨料類型對(duì)混凝土沖擊破壞及動(dòng)態(tài)受力機(jī)理的影響，為海工及港工混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

以淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中混凝土采用的原材料包括：①P.II52.5普通硅酸鹽水泥，由南京江南-小野田水泥廠生產(chǎn)制造；②粗骨料—天然碎石和珊瑚；③細(xì)骨料—河砂和海砂；④拌合用水—淡水(普通自來(lái)水)和海水。所用珊瑚骨料和海砂均來(lái)自河北某海島。各類粗、細(xì)骨料的實(shí)物照片如圖1所示，相應(yīng)的級(jí)配曲線如圖2所示，物理性能如表1所示。海水采用人工配制而成，其依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)規(guī)范ASTMD 1141—2003[20]，相應(yīng)的化學(xué)成分如表2所示。

圖1 原材料Fig.1 Raw materials

圖2 骨料的級(jí)配曲線Fig.2 Aggregate grading curves

表1 原材料的物理性能指標(biāo)Tab.1 Physical properties of raw materials

表2 人工海水組成成分及含量

1.2 試件設(shè)計(jì)

所有混凝土目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C30，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土具有相同的設(shè)計(jì)配合比，而海水海砂珊瑚混凝土基于輕質(zhì)混凝土的屬性設(shè)計(jì)其配合比。每立方米混凝土各原材料的詳細(xì)用量，如表3所示。表3中，NC、SSMC、SSCC分別表示淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土。每種類型的混凝土試件設(shè)計(jì)成直徑為150 mm、高300 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，其中3個(gè)用于靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)、5個(gè)用于動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，累計(jì)24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體混凝土試件。采用標(biāo)準(zhǔn)塑料模具進(jìn)行試件的澆筑，待24 h后脫模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。對(duì)于靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)體為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體；對(duì)于動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)體直徑為150 mm、高75 mm的非標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，需從標(biāo)準(zhǔn)圓柱體中切割得到，并將兩個(gè)切割面的平整度誤差控制在0.02 mm以內(nèi)，其試塊成樣如圖3所示。

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of concrete (kg/m3)

圖3 SHPB試塊成樣過(guò)程Fig.3 Forming process of SHPB samples

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體混凝土試樣進(jìn)行靜力單軸受壓力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前將試件的加載面采用高強(qiáng)石膏進(jìn)行找平，其平整過(guò)程借助玻璃平板和水平尺的不斷調(diào)節(jié)以此達(dá)到上下兩端齊平的效果，用以消除端部混凝土因澆筑后找平困難而產(chǎn)生的不平整性。靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)是在巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī)RMT-301上完成的，該設(shè)備由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)得到，可實(shí)現(xiàn)位移控制的加載模式。本次試驗(yàn)中，采用位移控制的加載模式并設(shè)定加載速率為0.02 mm/s進(jìn)行試樣的單調(diào)加載，每種類型的混凝土重復(fù)3次試驗(yàn)，共計(jì)9個(gè)試件完成預(yù)設(shè)目標(biāo)試驗(yàn)，相應(yīng)的加載裝置如圖4所示。

圖4 RMT-301試驗(yàn)機(jī)Fig.4 RMT-301 testing machine

1.3.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

(1)

圖5 SHPB試驗(yàn)裝置Fig.5 SHPB test device

在SHPB試驗(yàn)中，應(yīng)用銅片作為波形整形器可有效減小應(yīng)力波的彌散效應(yīng)[23]。試驗(yàn)開始前，采用直徑為35 mm、厚度為3 mm、規(guī)格為T2的紫銅片作為波形整形元器件粘貼于入射桿前端面，該過(guò)程參考本課題組前期的研究過(guò)程[24]，如圖6(a)所示；通過(guò)在非標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件的兩個(gè)端面均勻涂抹一層凡士林，用以減小試件與入射桿、透射桿接觸面之間的端部摩擦效應(yīng)，如圖6(b)所示。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)三種應(yīng)變率，對(duì)應(yīng)氣壓分別為0.3 MPa，0.6 MPa以及0.9 MPa。每種氣壓下同類混凝土進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，共計(jì)45個(gè)試塊完成預(yù)設(shè)目標(biāo)試驗(yàn)。

圖6 應(yīng)力波彌散效應(yīng)和桿件端部摩擦效應(yīng)的消除方式Fig.6 Elimination solutions of stress wave dispersion effect and friction effect at the end of bar

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

2.1.1 試驗(yàn)過(guò)程和破壞形態(tài)

海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土與淡水河砂碎石混凝土的破壞模式相似，均為劈裂破壞。所有試件在加載初期無(wú)肉眼可見的裂縫；隨著荷載的增大，試件出現(xiàn)縱向微裂紋并伴有輕微撕裂的聲音，繼續(xù)加載裂紋穩(wěn)定發(fā)展直至破壞，試件的最終破壞形態(tài)如圖7所示。由圖7可見，淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破壞面均繞開骨料而出現(xiàn)在骨料與水泥漿體的界面區(qū)，海水海砂珊瑚混凝土的破壞面直接貫穿珊瑚骨料。這表明在混凝土強(qiáng)度等級(jí)不高的情況下，碎石骨料與水泥漿體的界面區(qū)是此類骨料混凝土的薄弱區(qū)，而珊瑚骨料本身強(qiáng)度不高、粗糙多孔的特性決定了該種混凝土的破壞常常發(fā)生在骨料本身。

圖7 準(zhǔn)靜態(tài)受壓試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure pattern of quasi-static compressive specimens

2.1.2 靜力受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

每種類型的混凝土靜力受壓應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程全曲線，如圖8所示。由圖8可見，對(duì)于每種類型的混凝土，加載初期的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本重合，隨著荷載的增大其曲線相互之間產(chǎn)生一定的分離，表明隨著試驗(yàn)荷載水平的提高，混凝土作為多相復(fù)合材料其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布不均勻性在宏觀力學(xué)性能方面得以體現(xiàn)，但這類離散程度尚小且總體較為接近，因此可不予考慮。通過(guò)對(duì)比可知，海水海砂碎石混凝土和海水海砂珊瑚混凝土與淡水河砂碎石混凝土具有相似的受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，其全過(guò)程曲線分為直線上升段、曲線上升段以及快速下降段。三類混凝土的上升過(guò)程基本保持一致，均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段后到達(dá)峰值應(yīng)力。海水海砂碎石混凝土的下降過(guò)程與淡水河砂碎石混凝土的下降過(guò)程差別不大，均表現(xiàn)為較為緩慢的下降，而海水海砂珊瑚混凝土則出現(xiàn)斷崖式下降，表明海水海砂珊瑚混凝土的破壞比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土來(lái)得突然，脆性更加顯著，這與其前述破壞特征是相關(guān)聯(lián)的，即破壞時(shí)珊瑚骨料的脆性一般要比水泥砂漿的大[25]。

圖8 靜力受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Static compression stress-strain curves

為評(píng)價(jià)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線特征點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，采用能量等值法確定屈服點(diǎn)，該特征點(diǎn)為人為假定混凝土材料達(dá)到屈服狀態(tài)，其確定過(guò)程如圖9所示；此外，以應(yīng)力降低至85%的峰值應(yīng)力點(diǎn)命名為混凝土破壞點(diǎn)?；谄茐狞c(diǎn)和屈服點(diǎn)的應(yīng)變，將兩者的比值定義為應(yīng)變延性系數(shù)，以此定量評(píng)定三類混凝土的延性特征，相應(yīng)的結(jié)果如表4所示。從峰值應(yīng)力比較來(lái)看，海水海砂珊瑚混凝土的應(yīng)力最大，海水海砂碎石混凝土的應(yīng)力次之，淡水河砂碎石混凝土的應(yīng)力最小，究其原因在于以下三個(gè)方面：①海水海砂珊瑚混凝土的有效水灰比較其他兩類混凝土的小，導(dǎo)致其混凝土的強(qiáng)度略有提高；②從級(jí)配曲線而言，海砂的粒徑相對(duì)河砂較粗的成分更多，在強(qiáng)度等級(jí)不高的情況下(C30)骨料本身的致密程度是高于水泥砂漿的，細(xì)骨料略粗在一定程度上有利于混凝土強(qiáng)度的提升，其表現(xiàn)為在配合比相同的前提下海水海砂碎石混凝土強(qiáng)度比淡水河砂碎石混凝土的大；③由圖10的電鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)結(jié)果來(lái)看，海水海砂碎石混凝土水泥漿體間的孔隙明顯少于淡水河砂碎石混凝土，表明在海水海砂碎石混凝土中水泥的水化程度高于淡水河砂碎石混凝土，這主要是由于海水中含有大量氯鹽、硫酸鹽等物質(zhì)會(huì)促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)[26]，相應(yīng)的水化產(chǎn)物(即白色結(jié)晶物)在海水海砂珊瑚混凝土水泥漿體中顯示得更加明顯；此外，由于珊瑚本身具有多孔的物理性質(zhì)，水泥漿體會(huì)充分滲入到珊瑚骨料的內(nèi)部空腔，形成致密的復(fù)合骨料，這也是海水海砂珊瑚混凝土強(qiáng)度較之淡水河砂碎石混凝土高的一大原因?？傮w而言，三類混凝土的強(qiáng)度等級(jí)均滿足C30設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)目標(biāo)。

圖9 能量等值法確定屈服點(diǎn)Fig.9 Determination of yield point using energy equivalence method

表4 混凝土靜力受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of stress-strain curves tested under static compression

圖10 電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.10 Scanning electron microscope images

從應(yīng)變的角度看，海水海砂珊瑚混凝土的屈服應(yīng)變、峰值應(yīng)變以及破壞應(yīng)變均比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大，這是由于珊瑚骨料內(nèi)部的孔洞在受壓過(guò)程中變形造成的。在三類混凝土中，海水海砂珊瑚混凝土的應(yīng)變延性系數(shù)最小，這也很好地印證了前述破壞過(guò)程的特點(diǎn)，即這是由于珊瑚骨料脆性較大引起的。此外，海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的均值特征應(yīng)變和應(yīng)變延性系數(shù)都較為接近，表明海水替換淡水、海砂替換河砂在變形和延性方面的影響不顯著。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

2.2.1 破壞形態(tài)

由于5組重復(fù)試驗(yàn)的破壞形態(tài)相似，故每一類型的每組混凝土在每個(gè)氣壓下取一個(gè)試塊的破壞形態(tài)予以討論，相應(yīng)的破壞形態(tài)如圖11所示。由圖11可見，淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土試塊的破碎程度均隨著沖擊氣壓(也即應(yīng)變率)的增加而增大?；炷猎噳K經(jīng)0.3 MPa氣壓加載后還存在較大的塊狀碎塊，而經(jīng)0.9 MPa氣壓加載后混凝土試塊被撞擊成尺寸更小、破碎更均勻的碎塊，同時(shí)伴隨著粉末狀破碎物的產(chǎn)生。對(duì)比三種混凝土的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，在相同沖擊氣壓下，不同類型的混凝土破壞形貌雖然相似但其破壞情況有所側(cè)重：淡水河砂碎石混凝土與海水海砂碎石混凝土的破碎主要呈塊狀，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎為片條狀，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的碎塊主要是碎石塊，其發(fā)生在水泥漿體與碎石骨料之間，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎直接貫穿珊瑚骨料，這與靜態(tài)受壓試驗(yàn)下的破壞形態(tài)較為一致。

圖11 不同氣壓下混凝土的破壞形態(tài)Fig.11 Failure pattern of concrete under different pressures

2.2.2 動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土在實(shí)測(cè)應(yīng)變率(分別對(duì)應(yīng)0.3 MPa，0.6 MPa和0.9 MPa沖擊氣壓)下的動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖12所示。與靜態(tài)受壓試驗(yàn)結(jié)果一樣，每一類型混凝土5組重復(fù)試驗(yàn)之間存在一定的離散性，但整體差異不大。由圖12可見，高應(yīng)變率下的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€包絡(luò)了低應(yīng)變率下的全曲線；相應(yīng)地，初始割線模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變都隨應(yīng)變率的增加而增長(zhǎng)。對(duì)比靜態(tài)受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，動(dòng)態(tài)荷載下的受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€各階段應(yīng)力和應(yīng)變均比靜態(tài)的要大，表明應(yīng)變率效應(yīng)十分顯著。5組重復(fù)試驗(yàn)的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均值，如表5所示。與靜力受壓試驗(yàn)結(jié)果類似，同條件下海水海砂珊瑚混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小；同樣地，海水海砂珊瑚混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的要大。可見，即便混凝土受力形式有所改變，但其內(nèi)在的材料屬性依然決定了各自混凝土的宏觀力學(xué)性能，即靜態(tài)荷載下的一般規(guī)律依然適用于動(dòng)態(tài)荷載，只是應(yīng)變率效應(yīng)改變了混凝土受力性能的量級(jí)。

圖12 混凝土動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Dynamic compression stress-strain curves of concrete

表5 混凝土動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of stress-strain curves tested under dynamic compression

2.2.3 能量吸收密度

沖擊荷載帶來(lái)的能量主要被試塊吸收，并隨著試塊的破碎被耗散，試塊每單位體積吸收的能量定義為能量吸收密度(ω)，其為衡量混凝土在沖擊荷載作用下抵抗破碎能力的指標(biāo)[27]。能量吸收密度可按式(2)計(jì)算

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需特別指出的是，出于可靠性方面的考慮，峰值應(yīng)力后混凝土試塊的能量吸收密度難以用來(lái)衡量其能量耗散能力，基于Xiong等給出的建議，文中取峰值應(yīng)力點(diǎn)處能量吸收密度的大小來(lái)討論。表5列出了SHPB試塊在峰值應(yīng)力點(diǎn)處的能量吸收密度均值。三類混凝土試塊的能量吸收密度與應(yīng)變之間的變化關(guān)系，如圖13所示。由圖13可見，所有混凝土在峰值應(yīng)力點(diǎn)處的能量吸收密度均隨著應(yīng)變率的增加而增大，這主要是因?yàn)閼?yīng)變率越大表征沖擊荷載輸入給混凝土試塊的能量越多，致使材料的破壞程度也越發(fā)顯著，這與前述破壞狀況是相對(duì)應(yīng)的。海水海砂珊瑚混凝土的能量吸收密度大于淡水河砂碎石混凝土的能量吸收密度，這是由于珊瑚骨料疏松多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和粗糙復(fù)雜的外部形貌與膠凝材料的結(jié)合較為致密，而天然碎石骨料相比而言則光滑得多，使發(fā)生同等程度的破壞時(shí)所需的能量便隨之增大。此外，海水海砂碎石混凝土的能量吸收密度小于淡水河砂碎石混凝土的能量吸收密度，其內(nèi)在成因在于海水、海砂中的氯離子、硫酸根離子與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)如高硫酸鋁酸鈣，使混凝土內(nèi)部組織的內(nèi)聚作用減小，在同等沖擊荷載作用下發(fā)生破壞的概率增大。

圖13 能量吸收密度與應(yīng)變的關(guān)系Fig.13 Relationship between energy absorption density and strain rate

2.2.4 動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)

三類混凝土動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系，如圖14所示。由圖14可見，無(wú)論何種類型的混凝土，其動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增大。究其原因在于應(yīng)變率越大混凝土試塊吸收的能量越多，大量能量聚集于試塊內(nèi)部而不能被迅速耗散出去，使試塊處于高應(yīng)力狀態(tài)。據(jù)此，引入動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)(DIF)用以表征混凝土強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)，其數(shù)學(xué)含義為動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)靜態(tài)受壓強(qiáng)度的比值，相應(yīng)的計(jì)算公式可表示為

(3)

圖14 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.14 Relationship between dynamic strength and strain rate

所有混凝土5次重復(fù)試驗(yàn)的DIF測(cè)試結(jié)果，如表5所示。三類混凝土DIF與應(yīng)變率之間的關(guān)系，如圖15所示。其中，CEB是基于歐洲混凝土規(guī)范CEB[28]給出的混凝土DIF與應(yīng)變率有關(guān)的預(yù)測(cè)曲線。由圖15可見，三類混凝土的DIF隨應(yīng)變率的變化趨勢(shì)與基于歐洲混凝土規(guī)范CEB的預(yù)測(cè)曲線基本一致，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的DIF均低于歐洲混凝土規(guī)范CEB的預(yù)測(cè)值，而海水海砂珊瑚混凝土的DIF與預(yù)測(cè)曲線最吻合且大于淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的DIF，表明海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)更加顯著，這與2.2.3節(jié)中海水海砂珊瑚混凝土的能量吸收密度大于淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的能量吸收密度相契合，同時(shí)也印證了珊瑚骨料本身就屬于應(yīng)變率敏感性材料這一發(fā)現(xiàn)[29]。

圖15 動(dòng)態(tài)放大系數(shù)DIF與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.15 Relationship between DIF and strain rate

2.2.5 動(dòng)態(tài)應(yīng)變延性系數(shù)

三類混凝土5次重復(fù)試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)延性系數(shù)及其平均值見表5。三類混凝土應(yīng)變延性系數(shù)與應(yīng)變率之間的關(guān)系，如圖16所示。由圖16可見，無(wú)論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)荷載作用下，海水海砂珊瑚混凝土的應(yīng)變延性系數(shù)在三類混凝土中最小，海水海砂碎石混凝土次之，淡水河砂碎石混凝土最大；淡水河砂碎石骨料和海水海洋骨料混凝土的應(yīng)變延性系數(shù)均隨著應(yīng)變率的增大而提高。在靜力受壓和應(yīng)變率為30～35 s-1動(dòng)態(tài)作用下，三類混凝土的應(yīng)變延性系數(shù)較為接近；而在應(yīng)變率約為70 s-1和80 s-1動(dòng)態(tài)作用下，三類混凝土的應(yīng)變延性系數(shù)差異較大，差異幅度在14%以內(nèi)。

圖16 延性系數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.16 Relationship between ductility factor and strain rate

3 結(jié) 論

本文利用155 mm大直徑分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置完成了淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土在三種應(yīng)變率效應(yīng)下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，并與其在靜力荷載作用下的受壓性能進(jìn)行了對(duì)照分析，所得結(jié)論如下：

(1) 淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破壞面在于骨料與水泥漿體的界面區(qū)，而海水海砂珊瑚混凝土的薄弱點(diǎn)為珊瑚骨料本身。

(2) 淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土的破碎程度、峰值應(yīng)力(也即受壓強(qiáng)度)、峰值應(yīng)變、能量吸收密度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)均隨應(yīng)變率的增加而增大。

(3) 在同級(jí)應(yīng)變率下，海水海砂珊瑚混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小，而應(yīng)變延性系數(shù)正相反。

(4) 海水海砂珊瑚混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變和能量吸收密度比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大。

(5) 基于歐洲混凝土規(guī)范CEB的預(yù)測(cè)曲線基本能反映海水海洋骨料混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)與應(yīng)變率之間的關(guān)系，而相應(yīng)的吻合程度也體現(xiàn)了海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)更加顯著。