全珊瑚海水混凝土靜動態(tài)力學(xué)性能與數(shù)值模擬

麻海燕， 余紅發(fā)，*， 郭建博， 梅其泉， 劉 婷

（1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106； 2.三江學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

中國南海諸島大部分為珊瑚島礁，具有豐富的珊瑚資源.自中國提出“一帶一路”和“海洋強國”等戰(zhàn)略后，對南海諸島基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)已初具規(guī)模.為降低成本，縮短建設(shè)周期和解決原材料來源等問題，在不破壞島礁現(xiàn)有生態(tài)壞境的前提下，就地取材，充分利用珊瑚碎屑和珊瑚砂來代替普通砂石骨料，用海水加以拌和制備全珊瑚海水混凝土（CASC）. 在對工程結(jié)構(gòu)，尤其是一些軍事防護工程及重要設(shè)施進行設(shè)計和分析時，既要考慮基本受力情況，也要考慮沖擊、爆炸等因素. 因此，深入研究CASC 高溫前后的靜動態(tài)力學(xué)性能、抗侵徹和防爆性能，對保證島礁工程的結(jié)構(gòu)安全具有重要理論意義和較高實用價值.

鑒于此，本文介紹了本課題組自2018 年以來開展的CASC 系列研究成果，其中包括CASC 的靜態(tài)力學(xué)性能[1-8］、動態(tài)力學(xué)性能[2-3，，9-13］、抗侵徹與抗爆炸性能[14-16］和數(shù)值模擬[17-23］等.這些研究不僅為島礁工程建筑的多維度評定提供參考依據(jù)，還為CASC 在島礁工程中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持.

1 試驗

1.1 原材料

水泥選用南京江南-小野田水泥有限公司產(chǎn)P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥和沈陽市嘉寶環(huán)球?qū)崢I(yè)有限公司產(chǎn)52.5 型堿式硫酸鎂水泥，其中后者的主要成分是輕燒氧化鎂、硫酸鎂、磨細(xì)礦渣與核心外加劑，具有較高的韌性.粉煤灰（FA）為南京電熱廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰.礦渣（SG）為江蘇江南粉磨公司S95 級磨細(xì)礦渣.珊瑚和珊瑚砂均來自南海某島礁，其中珊瑚為5～15 mm 連續(xù)級配，珊瑚砂為中砂，細(xì)度模數(shù)2.44.減水劑為江蘇蘇博特新材料有限公司聚羧酸高效減水劑.人工海水為3.5%的NaCl 溶液.劍麻纖維為廣西劍麻集團產(chǎn)劍麻纖維，直徑為0.03 mm.

1.2 配合比

基于高性能輕骨料混凝土（采用輕骨料配制出的混凝土，其表觀密度不大于1 950 kg/m3）配合比設(shè)計原理及富漿理論[1］，來配制C30～C70 強度等級的CASC. 試件制備及試驗方法參考文獻(xiàn)[1］.

2 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)單軸受壓試驗

2.1.1 常溫下的力學(xué)性能

2.1.1.1 彈性模量

圖1 為4 種混凝土彈性模量Ec與軸心抗壓強度fc的關(guān)系. 圖中CASC 為全珊瑚海水混凝土、SFCASC 為劍麻纖維全珊瑚海水混凝土、BMSCCASC 為堿式硫酸鎂水泥全珊瑚海水混凝土、BMSCC 為堿式硫酸鎂水泥混凝土.由圖1 可見：4 種混凝土的彈性模量均隨著軸心抗壓強度的增大逐漸增大；由于C30 強度等級的SFCASC 存在劍麻上浮現(xiàn)象，導(dǎo)致試件承載力降低，從而使得其彈性模量偏小；BMSCCASC 的彈性模量增速明顯高于CASC 和SFCASC，說明堿式硫酸鎂水泥BMSC對CASC 的彈性模量增強效果較為明顯；CASC 的彈性模量整體遠(yuǎn)低于BMSCC，這是由于珊瑚骨料相對于普通石子來說強度較低，內(nèi)部存在很多孔洞，容易發(fā)生脆性破壞.

圖1 4 種混凝土彈性模量與軸心抗壓強度的關(guān)系Fig.1 Relationship between elastic modulus and axial compressive strength of four kinds of concretes[13］

2.1.1.2 壓縮韌性

圖2 為CASC 與SFCASC 的靜態(tài)壓縮韌性指數(shù)ηc10. 由 圖2 可 見，SFCASC 的ηc10為CASC 的1.12～1.18 倍，表明劍麻纖維對CASC 的靜態(tài)壓縮性能具有明顯增韌作用，當(dāng)混凝土破壞時，試件內(nèi)部的劍麻纖維拉力會抑制裂紋擴展，提升整體韌性.

圖2 CASC 與SFCASC 的靜態(tài)壓縮韌性指數(shù)Fig.2 Static compression toughness indices of CASC and SFCASC[10］

2.1.1.3 不同種類混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€對比

圖3 為C50 強度等級CASC[3］、SFCASC[4］、LAC（火山巖、黏土、頁巖石輕骨料混凝土）[24］和OPC（普通混凝土）的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€.圖中ε和εpr分別為混凝土的應(yīng)變和最大應(yīng)變，σ和σpr分別為混凝土的應(yīng)力和最大應(yīng)力.由圖3 可見：CASC 和SFCASC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段比LAC 和OPC 的線彈性階段長；CASC 和SFCASC 下降段比OPC 和LAC 陡，說明CASC 有著較高的脆性，通過增添纖維和使用高韌性水泥，可以降低CASC 的脆性.

圖3 不同種類混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.3 Stress-strain curves for different types of concretes[4］

2.1.2 高溫后的力學(xué)性能

2.1.2.1 相對殘余軸心抗壓強度

圖4為不同強度等級（C35、C55、C70 和C80）CASC 的相對殘余軸心抗壓強度fcT/fc25與 溫 度T的關(guān)系. 其中fcT和fc25分別為混凝土在不同溫度T和25 ℃時的軸心抗壓強度. 由圖4 可見：在25～100 ℃區(qū)間內(nèi)，CASC 的相對殘余軸心抗壓強度隨著溫度的升高而增大；當(dāng)溫度超過100 ℃后，CASC 的相對殘余軸心抗壓強度隨著溫度的升高而快速降低.

圖4 CASC 的相對殘余軸心抗壓強度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative residual axial compressive strength and temperature of CASC[2］

2.1.2.2 彈性模量

彈性模量是衡量混凝土材料變形能力的重要指標(biāo). 圖5為CASC 的初始彈性模量ET0隨溫度T的變化曲線.由圖5 可見：隨著溫度的提高，CASC 初始彈性模量的下降幅度高于其抗壓強度的下降幅度，這是因為在高溫作用下水泥漿體收縮而粗骨料膨脹，兩者界面過渡區(qū)出現(xiàn)裂縫，且珊瑚骨料自身也存在高溫?fù)p傷.

圖5 CASC 的初始彈性模量隨溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of the initial elastic modulus with temperature of CASC[2］

2.1.2.3 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程

圖6 為高溫后3 種強度等級（C30、C50 和C70）CASC 的應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）全曲線.由圖6 可見：CASC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的上升段和下降段有各自明顯特征，CASC 作為輕骨料混凝土，與普通混凝土相比，具有較大的脆性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的直線段較長，下降段較陡；隨著溫度的升高，CASC 的應(yīng)力先增加后降低，應(yīng)變持續(xù)增大，說明高溫導(dǎo)致CASC 變得酥脆，力學(xué)性能顯著降低.

圖6 高溫后3 種強度等級CASC 的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.6 Stress-strain curves of CASCs with three strength grades after high temperature

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)曲線具體情況，確定高溫后CASC的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，表達(dá)式如下：

式中：x=ε/ε0，ε0為峰值應(yīng)變；y=σ/σ0，σ0為峰值應(yīng)力；a、b分別為上升段和下降段曲線的控制參數(shù).

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)單軸受拉試驗

圖7 為CASC、SFCASC 和OPC 的靜態(tài)軸心抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 由圖7 可見：隨著強度等級的提高，各混凝土的軸心抗拉強度增長率均逐漸降低；相同強度等級下，CASC 的軸心抗拉強度比OPC 高，主要原因是珊瑚骨料多孔結(jié)構(gòu)使得骨料具有吸水和返水作用，導(dǎo)致后期骨料附近水化更充分，增強了骨料與水泥漿體的機械咬合力，而普通砂石骨料表面較為光滑，與水泥石的咬合力遠(yuǎn)小于珊瑚骨料.

圖7 各混凝土的靜態(tài)軸心抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Static axial tensile stress-strain curves of various concretes[11］

2.3 動態(tài)力學(xué)試驗

2.3.1 常溫下動態(tài)沖擊壓縮力學(xué)性能

圖8 為C30 強度等級CASC 和SFCASC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 由圖8 可見：隨著應(yīng)變率ε?的增加，CASC 表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率硬化效應(yīng)；添加劍麻纖維后，CASC 的峰值應(yīng)力有所下降，但韌性有所提高，且應(yīng)變率越大，韌性提高越明顯.

圖8 C30 強度等級CASC 和SFCASC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of C30 strength grade CASC and SFCASC[10］

2.3.2 高溫后動態(tài)沖擊壓縮力學(xué)性能

2.3.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 為CASC 在不同沖擊氣壓pim下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 由圖9 可見：當(dāng)溫度超過300 ℃后，隨著溫度的升高，CASC 的峰值應(yīng)力減小而峰值應(yīng)變增大；當(dāng)溫度超過300 ℃后，高溫軟化效應(yīng)與應(yīng)變率增強效應(yīng)相比，前者占主導(dǎo)地位.

圖9 CASC 在不同沖擊氣壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of CASC at different impact air pressures of CASC

2.3.2.2 高溫后峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的發(fā)展規(guī)律

圖10 為高溫后CASC 動態(tài)峰值應(yīng)力σd隨應(yīng)變率ε?的變化規(guī)律. 由圖10 可見：隨著高溫溫度的升高，CASC 的動態(tài)峰值應(yīng)力的增長率隨著應(yīng)變率的增加而降低，即高溫弱化效應(yīng)越來越明顯，表明在高溫動態(tài)沖擊試驗中存在應(yīng)變率和高溫溫度的耦合作用，且當(dāng)溫度超過300 ℃后，高溫弱化效應(yīng)較顯著.

2、針腐，多發(fā)生于幼苗立針期到2葉期，病苗心葉枯黃，葉片不展開，基部變褐，有時葉鞘上生有褐斑，病根也逐漸變?yōu)辄S褐色。種子與幼苗基部交界處生有霉層，莖基軟弱，易折斷，育苗床中幼苗常成簇，成片發(fā)生與死亡。

圖10 高溫后CASC 動態(tài)峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化Fig.10 Variation of dynamic peak stress with strain rate of CASC after high temperature[2］

2.3.3 動態(tài)沖擊劈拉力學(xué)性能

圖11 為C50 強度等級CASC、SFCASC 和OPC的沖擊劈拉強度σT對比. 由圖11 可見：在相同應(yīng)變率下，SFCASC 的沖擊劈拉強度明顯高于CASC 與OPC，說明劍麻纖維在高應(yīng)變率沖擊荷載作用下，仍能發(fā)揮其增強劈裂抗拉性能的作用，使得混凝土整體韌性提升；因OPC 骨料強度和剛度均優(yōu)于珊瑚，其劈拉強度高于CASC；CASC 劈拉裂縫直接貫穿珊瑚骨料，其沖擊劈拉強度最小.

圖11 C50 強度等級CASC、SFCASC 與OPC 的沖擊劈拉強度對比Fig.11 Comparison of the impact split strength of C50 strength grade CASC， SFCASC and OPC[10］

2.3.4 沖擊拉伸力學(xué)性能

圖12 為CASC 與SFCASC 的沖擊軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，縱坐標(biāo)為沖擊軸拉強度σT. 由圖12 可見：（1）CASC 的沖擊軸拉強度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，其峰值強度隨著應(yīng)變率的增大而增大；CASC 的沖擊軸拉與沖擊壓縮和沖擊劈拉表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但沖擊軸拉強度對應(yīng)變率的敏感度比沖擊壓縮高.（2）SFCASC 在沖擊軸拉下具有更強的韌性，證明劍麻纖維在混凝土中起到很好的約束作用.

圖12 CASC 和SFCASC 沖擊軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Impact axis tensile stress-strain curves of CASC and SFCASC[11］

2.4 侵徹試驗

CASC 侵徹試驗中，子彈的總質(zhì)量為（180.0±1.5） g，子彈速率基本保持在300 m/s. 通過高速攝影機確定彈丸在著靶前的彈姿為水平狀態(tài)，彈丸僅對靶體侵徹面形成宏觀破壞，破壞形態(tài)呈漏斗狀，靶體侵徹背面和側(cè)面無任何變化. 不同強度等級的CASC 靶體被侵徹后，彈坑直徑及深度均隨著混凝土強度等級的提高有所減小.

圖13 為CASC 侵徹試驗的高速攝影照片.由圖13 可見，當(dāng)子彈接觸CASC 靶體時，靶體表面形成大面積破碎剝落，攜帶大塊混凝土材料大量噴射而出.

圖13 CASC 侵徹試驗及模擬Fig.13 Penetration experiment and numerical simulation of CASC[14］

2.5 爆炸試驗

圖14 CASC 爆炸試驗Fig.14 Explosion experiment of CASC [16］

混凝土強度等級對CASC 靶板的爆坑直徑有顯著影響，隨著強度等級的升高，彈坑直徑減小；而強度等級對彈坑的深度影響較小. 從背爆面的破壞破壞情況可以看出，高強CASC 背爆面不僅會產(chǎn)生以板中心向外擴散的徑向裂紋，還存在多條橫裂紋，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)層裂現(xiàn)象. 由此說明珊瑚混凝土強度等級越高，脆性就越大，背爆面的破壞效果也越顯著.

2.6 數(shù)值模擬研究

2.6.1 靜態(tài)模擬

CASC 的細(xì)觀建模方法可參考文獻(xiàn)[17，21］. 基于三維隨機細(xì)觀模擬方法，對課題組研究的CASC準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能進行數(shù)值模擬. 圖15 為C30 強度等級CASC 數(shù)值應(yīng)力-應(yīng)變曲線[17］，其中v代表準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率，控制在3×10-6s-1. 由圖15 可見，在單軸壓縮荷載作用下，CASC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為4 個階段——孔隙壓實階段、彈性階段、屈服階段和失效破壞階段. 圖16 為CASC 的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞過程[17］. 由圖16 可見：當(dāng)CASC 完全發(fā)生破壞后，內(nèi)部出現(xiàn)大量斜向裂縫，這些裂縫從試件頂面貫穿到試件底面，使得CASC 模型呈現(xiàn)典型的劈裂破壞模式，與課題組的試驗結(jié)果相同. 表明上述三維隨機細(xì)觀模型可以很好地模擬單軸壓縮荷載作用下CASC的破壞形態(tài).

圖15 C30 強度等級CASC 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.15 Quasi-static compression stress-strain curves of C30 strength grade CASC [17］

2.6.2 動態(tài)模擬

針對CASC 圓柱體試件進行沖擊壓縮試驗，采用細(xì)觀模型模擬不同應(yīng)變率下CASC 的破壞形態(tài)和破壞過程，研究其動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及應(yīng)變率效應(yīng). 圖17 為基于三維隨機細(xì)觀模擬方法，得到的不同應(yīng)變率（1～ 200 s-1）壓縮荷載作用下CASC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 圖17 顯示，隨著應(yīng)變率的增大，CASC 的峰值強度不斷增大.

圖18 為不同應(yīng)變率下CASC 的動態(tài)壓縮破壞形態(tài)和破壞過程. 由圖18 可見：在沖擊壓縮荷載作用下，CASC 圓柱體試件最終破壞形式為條狀碎塊崩裂；隨著應(yīng)變率的提高，CASC 的破壞程度逐漸加劇，表現(xiàn)為裂縫數(shù)量和寬度增大，碎塊數(shù)量增多且體積減小，各細(xì)觀組分的開裂程度加劇.

3 結(jié)論

（1）得到不同強度等級全珊瑚海水混凝土（CASC）的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，其上升段斜直線線段較長，在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力90%以上時出現(xiàn)拐點，呈現(xiàn)出明顯脆性；添加劍麻纖維可有效增強CASC 的韌性.

（2）隨著溫度的升高，CASC 的殘余抗壓強度和彈性模量均呈現(xiàn)先增后減趨勢，溫度越高，高溫弱化越明顯；CASC 力學(xué)性能的臨界溫度是300 ℃，對于島礁工程中防火防災(zāi)具有重要意義.建立了高溫后的CASC 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程，可反映CASC 在高溫后受壓后的全部特征.

（3）CASC 在動態(tài)沖擊壓縮、動態(tài)沖擊劈拉及動態(tài)直接拉伸試驗中均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率硬化效應(yīng)，應(yīng)變率越高，其應(yīng)力越大.劍麻纖維的添加可以有效改善CASC 的脆性，增加CASC 的韌性，使其破壞程度明顯降低.

（4）隨著混凝土強度等級的提升，CASC 靶體侵徹深度和開坑面積不斷減小，且伴隨大量破碎剝落；爆炸彈坑直徑減小，但彈坑深度變化較小.

（5）建立了一種適合于CASC 的具有隨機形狀和尺寸的三維隨機骨料模型，并模擬了CASC 在動靜態(tài)作用下的破壞形態(tài)與破壞機理.