粗骨料粒徑對(duì)珊瑚混凝土力學(xué)性能的影響

王冬冬 張文清

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

近年來中國海洋產(chǎn)業(yè)取得了突破,十八大強(qiáng)調(diào)要實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略[1]。珊瑚礁是南海礁中一種特有的巖石CaCO3含量高達(dá)96%[2]，這些珊瑚殘屑為南海建設(shè)提供了一種新的材料——珊瑚骨料[3]。粗骨料作為珊瑚混凝土的關(guān)鍵成分，在提高強(qiáng)度與斷裂性方面有著重要作用。馬林建等[4]敘述了國內(nèi)外幾十年珊瑚混凝土的物理特性強(qiáng)度和變形特征為以后研究提供理論依據(jù)。MAL等[5]研究發(fā)現(xiàn)珊瑚骨料混凝土與傳統(tǒng)混凝土的破壞模式不同，靜動(dòng)態(tài)荷載下珊瑚骨料強(qiáng)度較低。張繼旺等[6]采用小粒徑珊瑚沙代替粗骨料進(jìn)行大量力學(xué)性能試驗(yàn)，通過骨料粒徑和配合比制備出高強(qiáng)度珊瑚混凝土。

綜上所述表明，珊瑚混凝土與普通混凝土力學(xué)性能方面具有差異。珊瑚骨料具有多孔結(jié)構(gòu)和低強(qiáng)度特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)珊瑚骨料的物理特性與各種混合配方比方面研究較多。但是關(guān)于不同粗骨料粒徑對(duì)珊瑚混凝土的力學(xué)影響研究較少。本文設(shè)置了五組不同粒徑的粗骨料，采用RMT-150 巖石壓力機(jī)進(jìn)行靜態(tài)抗壓抗拉試驗(yàn)，得出不同粒徑的珊瑚混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能，研究成果為珊瑚混凝土工業(yè)化和國防化提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比

實(shí)驗(yàn)所使用的材料包括：硅酸鹽水泥、礁灰?guī)r粗骨料、珊瑚礁砂細(xì)骨料、聚羧酸-高效減水劑、礦粉，粉煤灰、實(shí)驗(yàn)用水為人工拌制海水。將礁灰?guī)r粗骨料篩分成5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm這4 個(gè)粒徑區(qū)間對(duì)其物理性能參數(shù)進(jìn)行了測試，一般混凝土的配合比達(dá)不到實(shí)際工程需要，因此需要新的配合比，該實(shí)驗(yàn)根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002），結(jié)合國內(nèi)外研究者對(duì)于珊瑚混凝土配合比的研究，最終確定了珊瑚混凝土的基本配比。本次實(shí)驗(yàn)選用5～25mm粒徑的礁灰?guī)r粗骨料，5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm這4 個(gè)粒徑區(qū)間使用珊瑚混凝土基本配比進(jìn)行配比。對(duì)照組選用連續(xù)級(jí)配珊瑚礁混凝土慣用的5～16mm粒徑。

1.2 試件制備

各物料按照配合比稱量后開始進(jìn)行試件制作。本次實(shí)驗(yàn)采用Φ50mm×100mm和Φ65mm×35mm圓柱體試件。首先測量珊瑚砂的吸水率，之后曬干稱重，將干燥的粗細(xì)骨料與剩余一半水混合進(jìn)行攪拌，最后將剩余的水泥粉煤灰和減水劑倒入進(jìn)行攪拌，攪拌完成后將珊瑚混凝土倒入模具中，采用振搗的方法進(jìn)行澆筑混凝土，完畢后將試件放在室內(nèi)放置24h，之后進(jìn)行脫模對(duì)Φ50mm×100mm的圓柱體試件分別進(jìn)行了7d 和28d 的養(yǎng)護(hù)，Φ65mm×35mm圓柱體試件進(jìn)行28d的養(yǎng)護(hù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

本文為深入研究珊瑚混凝土的靜動(dòng)態(tài)基本力學(xué)性能，采用了粒徑為5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm的礁灰?guī)r骨料制備試件。通過靜力學(xué)抗壓抗拉試驗(yàn)得出了珊瑚混凝土的靜態(tài)抗壓抗拉強(qiáng)度。分析不同粒徑的粗骨料摻入會(huì)對(duì)珊瑚混凝土造成的力學(xué)性能影響。因此，本文研究將以下幾個(gè)角度進(jìn)行深入探討：

⑴利用RMT-150 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同粗骨料粒徑珊瑚混凝土進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)測試，研究摻入不同粗骨料粒徑珊瑚混凝土不同齡期（7d、28d）的抗壓抗拉強(qiáng)度以及一些基本物理參數(shù)，并繪制了趨勢圖得到了粗骨料粒徑珊瑚混凝土的靜態(tài)力學(xué)特性。

2 粗骨料粒徑珊瑚混凝土靜態(tài)力學(xué)性能研究

2.1 粗骨料粒徑珊瑚混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度測試

本次靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用Φ50mm×100mm的圓柱體試件，共五組每組制作的試件個(gè)數(shù)為3 個(gè)。試件共15個(gè)。將試樣垂直放置在壓板中間，以0.02MPa/s 的速度均勻施加力，從而使得

試樣受到壓力發(fā)生變化，最終發(fā)生形變。其中，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如⑴所示：

式中：fcu為試件的單軸抗壓強(qiáng)度；P為峰值荷載；A為試件的截面面積。

2.2 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表1 和圖1 可以明顯看出7d 的珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度與28d 的抗壓強(qiáng)度有著較大的差距，伴隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之增加。不同粒徑粗骨料珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度也不相同，當(dāng)粗骨料粒徑為10～16mm的時(shí)珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度增長最快。28d 比7d 的抗壓強(qiáng)度分別提高了41.1%、42.7%、40.5%、36.3%和38.7%。與對(duì)照組J0 相比，小粒徑的粗骨料珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度增長速度高于后者大粒徑的。隨著珊瑚混凝土粗骨料粒徑的增大，珊瑚混凝土無論7d 還是28d的抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)下降的趨勢。

圖1 珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度折線圖

表1 珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 粗骨料粒徑珊瑚混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度測試

實(shí)驗(yàn)也采用Φ65mm×100mm的圓柱體試件，共五組每組制作的試件個(gè)數(shù)為3 個(gè)。試件共計(jì)15 個(gè)。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試件置在壓力機(jī)承壓板的中央，調(diào)節(jié)有球座的承壓板，使試件均衡受載，并使墊條與試件在同一荷心軸上。以0.02MPa/s 的速度增加，直到試件損壞停止。記下最大破壞載荷和加載過程中的變化情況，計(jì)算試件的抗拉強(qiáng)度如公式⑵所示：

式中fts混凝土靜態(tài)單軸抗；P為峰值荷載；A為試件的劈裂面面積。

2.4 靜態(tài)抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從表2 和圖2 可得隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，珊瑚混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也在增加。28d 比7d 的抗拉強(qiáng)度分別提高了35.2%、30.8%、33.6%、26.3%和36.2%。根據(jù)表2與圖2數(shù)據(jù)說明粗骨料的粒徑對(duì)珊瑚混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有顯著影響，隨著粗骨料粒徑大7d與28d珊瑚混凝土呈下降趨勢。粗骨料粒徑為5～10mm時(shí)其抗拉強(qiáng)度最大為7.10MPa，粒徑為20～25mm時(shí)其抗拉強(qiáng)度最低為5.38MPa。摻入不同粗骨料粒徑的珊瑚混凝土力學(xué)性能發(fā)生了變化。

圖2 珊瑚混凝土抗拉強(qiáng)度折線圖

表2 珊瑚混凝土抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)論

本文通過RMT-150 實(shí)驗(yàn)機(jī)與SHPB 對(duì)五組不同粒徑粗骨料珊瑚混凝土試件進(jìn)行靜態(tài)抗壓抗拉實(shí)驗(yàn)與動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后分析粗骨料粒徑對(duì)珊瑚混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與破壞性的影響。結(jié)論如下：

⑴通過靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm5 組不同粒徑粗骨料珊瑚混凝土7d 和28d 抗壓抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：珊瑚混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度均隨粗骨料粒徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。實(shí)驗(yàn)組中無論7d 還是28d 粒徑為10～16mm的粗骨料粒徑混凝土抗壓抗拉強(qiáng)度增長最快。

⑵對(duì)粗骨料粒徑為5～10 mm、10～16 mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm5 組不同粒徑粗骨料珊瑚混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得出珊瑚混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均隨粗骨料粒徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。粗骨料珊瑚混凝土具有明顯的尺寸效應(yīng)。