不同强度海水珊瑚骨料混凝土断裂性能对比研究

韩宇栋, 王振波, 刘伟康, 岳清瑞, 丁小平

(1.中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088; 2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083; 3.北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083)

近年来,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,制备海水珊瑚骨料混凝土(SCAC),已逐渐展现其成本控制、缩短工期的优势[1-2].早期的SCAC多为中低强度的C15～C30[1-4],而随着混凝土强度要求的不断提高,复掺矿物掺和料、珊瑚骨料改性等方法逐渐被应用于提升SCAC的强度[5-6].本课题组在前期研究中通过复掺固盐剂获得了强度超50MPa的SCAC[7],并将就地取材率(海水、珊瑚骨料质量占混凝土总质量的比例)成功控制在70%以上.

强度不断提高的SCAC面临更严重的开裂问题,裂缝一旦出现,外部环境的有害物质将侵入材料内部,威胁其结构耐久性[1,8-9].因此,SCAC的断裂性能对于认识结构裂损机制至关重要[10-13].张贤舜等[10]开展了C30珊瑚混凝土在不同养护条件下的断裂参数研究,结果表明珊瑚混凝土的脆性较大且延性较差;Xu等[11]测试了50MPa强度等级碱激发珊瑚混凝土的断裂性能,发现所有试件均为骨料贯穿破坏.另外,混凝土断裂性能与其强度等级、骨料体积含量等因素高度相关[14-15].

本文对不同强度等级的SCAC开展了抗压、劈裂拉伸以及预切口梁三点弯曲试验,得到了SCAC荷载-裂纹口张开宽度关系以及断裂能、特征长度等断裂参数,研究了强度等级对SCAC力学性能及断裂参数的影响.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥为唐山冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥.骨料采自某热带海域岛礁,经颚式破碎机现场破碎后运输至实验室,再适当筛分得到,其中：粗骨料为粒径5～20mm连续级配的破碎珊瑚礁石,筒压强度2.2MPa,压碎指标31%;细骨料为粒径小于5mm的珊瑚砂,细度模数2.35.复掺固盐剂为中冶建筑研究总院生产的固盐剂[7],其掺入目的为改善混凝土和易性和浆体固盐能力,同时克服长期强度倒缩问题.外加剂为天津冶建特种材料公司生产的聚羧酸减水剂和复合缓凝剂.各类盐均为国药集团生产的化学纯试剂.海水为按照该海域海水质检报告配制的人工海水,其化学组成见表1.

表1 人工海水的化学组成

SCAC是由水泥、破碎珊瑚砂石、海水、固盐剂及外加剂拌和而成,其配合比见表2,试件编号SCAC30表示强度等级为C30的SCAC,其他类推.SCAC中,珊瑚骨料用量为海岛自然含水状态下的计算用量(珊瑚砂的自然含水率1)为8.6%,珊瑚石的自然含水率为6.6%);固盐剂用量占胶凝材料(水泥和固盐剂)总量的30%,同时将就地取材率控制在70%以上,以最大限度利用现场材料.C40普通混凝土的配合比见表3,其骨料用量与SCAC相当.由表2、3可见：随着SCAC强度等级提高,其水胶比逐渐降低,胶凝材料用量逐渐增大,湿容重逐渐提高;C40的水胶比大于同强度的SCAC40,胶凝材料用量低于SCAC40,而湿容重大于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、比例等除特殊说明外均为质量分数或质量比.

1.2 试件制备

北京实验室环境下,珊瑚砂和珊瑚石的实测含水率分别为0.45%和0.21%,接近于绝对干燥状态,加之珊瑚骨料表面疏松多孔,在搅拌成型时易吸收拌和水.为减小吸水影响,将珊瑚骨料混凝土的搅拌流程适当调整：首先,将称量好的珊瑚砂和珊瑚石投入混凝土搅拌机,在搅拌均匀后添加总用水量一半的海水,继续搅拌1min;然后，投入水泥、固盐剂和缓凝剂再搅拌30s;最后,加入剩余的海水和减水剂继续拌和2min左右.停止搅拌后,拌和物中“噼啪”冒泡,待该现象缓解后出料,及时测量拌和物的坍落度和扩展度.拌和物入模后置于振动台振捣1min,覆膜养护24h后拆模,然后将试块移入温度(20±2)℃,相对湿度RH>95%的标准养护室养护至28d.

1.3 试验方法

SCAC抗压和劈裂拉伸试验均在电液压力试验机上进行,试块尺寸为100mm×100mm×100mm,每组成型3个试块,结果取平均值.根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,对试块连续均匀施加荷载,抗压、劈裂拉伸试验的加载速率均为0.60MPa/s,直至试块破碎后停止试验并记录峰值荷载.

预切口梁三点弯曲试验在MTS材料力学试验机上进行,以位移控制模式加载,加载速率为0.05mm/min,试块尺寸为100mm×100mm×400mm,支座跨距为350mm,试块底部预制宽2mm、深10mm的通宽切口,在预切口底部夹持标距10mm的引伸计,测量裂纹口张开宽度(CMOD).在获得的荷载-裂纹口张开宽度(P-CMOD)曲线基础上,借助黏性裂纹模型求解SCAC的断裂本构关系(即应力-裂纹宽度(σ-w)关系).该方法是在裂纹扩展过程中建立的关于荷载、应力、裂纹长度及宽度的平衡方程,采用离散化的矩阵形式求解未知量,使计算荷载及CMOD与试验值相差最小,以获得完整的σ-w曲线.最终以σ-w曲线的下覆面积为断裂能Gf,计算特征长度lch[16]：

lch=EGf/σt2

(1)

式中：E为混凝土弹性模量;σt为抗拉强度.

2 结果与讨论

2.1 抗压强度与劈裂抗拉强度

图1为SCAC和C40的抗压强度(fcu)和劈裂抗拉强度(fts).由图1可见：SCAC的抗压强度为33.9～58.0MPa;在保证就地取材率高于70%的前提下,SCAC抗压强度随水胶比降低、胶凝材料用量增大而提高;C40普通混凝土的抗压强度为48.1MPa,与SCAC40较为接近.珊瑚骨料多孔、轻质、低强的特性决定了其骨架支撑作用大为降低,材料支撑体系已由骨料骨架转变为水泥石骨架,因此SCAC的强度制约相主要是珊瑚石粗骨料.

图1 SCAC和C40的抗压强度和劈裂抗拉强度Fig.1 Compressive strength and splitting tensile strength of SCAC and C40

由图1还可见：SCAC30、SCAC40和SCAC50的劈裂抗拉强度分别为2.7、3.1和4.1MPa,相应的拉压强度比分别为8.0%、7.2%和7.1%,即随着强度等级的提高,SCAC的劈裂抗拉强度逐渐增大,而拉压强度比表现为降低的趋势;C40普通混凝土的劈裂抗拉强度为3.5MPa,拉压强度比为7.3%,与SCAC40接近.SCAC和C40普通混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度的关系见图2.由图2可见,SCAC的劈裂抗拉强度与抗压强度的关系与普通混凝土的经典换算公式[17]吻合良好.

图2 SCAC和C40的劈裂抗拉强度与抗压强度的关系Fig.2 Relationship between splitting tensile strength and compressive strength of SCAC and C40

2.2 荷载-裂纹口张开宽度曲线

SCAC和C40的P-CMOD曲线见图3.由图3可见：不同强度等级SCAC的P-CMOD曲线特征相似,在加载初期,荷载随裂纹口张开宽度线性增大,在预切口尖端起裂后开始偏离线性,随后很快达到峰值,在峰值后,荷载快速地线性下降,这与试块光滑的断口形状相对应;随着SCAC强度等级的提高,其峰值荷载逐渐增大,但曲线在峰值附近趋窄,断裂过程愈加剧烈,这表明SCAC的脆性随强度提高有所增大[18];C40的峰值荷载明显高于同强度等级的SCAC40,且其P-CMOD曲线形状饱满,即使裂纹口宽度达到0.40mm,C40仍可保留较高的承载力,断裂过程较SCAC平缓.

图3 SCAC和C40的P-CMOD、σ -w曲线Fig.3 P-CMOD curves and σ -w curves of SCAC and C40

根据P-CMOD曲线确定SCAC和C40的开裂荷载、峰值荷载及开裂CMOD、峰值CMOD,结果见图4.由图4(a)可见:SCAC的开裂荷载和峰值荷载随着强度等级的提高而增大;SCAC30、SCAC40和SCAC50的开裂荷载与峰值荷载比分别约为76%、81%和84%,开裂荷载相对于峰值荷载的比例随强度提高逐渐增大,这说明强度等级越高,试件开裂后更快达到峰值荷载,断裂过程区更短;C40的开裂荷载为4.7kN,与同强度SCAC40相当,但其峰值荷载却可达7.7kN,显著高于SCAC40的6.2kN.在开裂以后,SCAC中薄弱面位于大量存在的珊瑚骨料中[10],裂纹尖端贯穿骨料扩展,断面较为平滑,而C40中裂纹倾向于沿着骨料-基材界面绕行,骨料的桥接作用使断裂阻力增大,开裂后的断裂过程延长,形成的断面凹凸不平,因此SCAC40的峰值荷载明显低于C40.综上,SCAC比普通混凝土更偏脆性.

由图4(b)可见：(1)SCAC开裂荷载所对应的开裂CMOD值接近,且数据离散性较小,这说明开裂CMOD与强度等级、骨料种类的关联不大;C40的开裂CMOD与SCAC相近.(2)峰值荷载对应的峰值CMOD变化规律明显不同,首先,SCAC的峰值CMOD随强度等级提高显著降低,SCAC30、SCAC40和SCAC50对应的峰值CMOD以20%的幅度降低,高强度等级使珊瑚骨料的薄弱程度更加凸显;其次,C40的峰值CMOD远高于3个SCAC,相比同强度的SCAC40增幅更是超过50%.(3)峰值CMOD的数据离散性均明显高于开裂CMOD,试件断面上分布的粗骨料粒径和数量存在较大的随机性,这会影响试件的变形测试结果.

图4 SCAC和C40的开裂荷载、峰值荷载及开裂CMOD、峰值CMODFig.4 Cracking load, peak load and cracking CMOD, peak CMOD of SCAC and C40

2.3 断裂能与特征长度

SCAC和C40的应力-裂纹宽度(σ-w)曲线见图3.由图3可见：应力在混凝土开裂后快速下降,应力减半后下降速率放缓;SCAC在裂纹宽度小于0.10mm时具有一定的缝间黏聚力,且随着强度等级提高有增大趋势;C40中的应力作用范围更广,这主要得益于骨料脱黏拔出机制.

由σ-w曲线确定SCAC的断裂能Gf和特征长度lch,结果见图5.由图5可见：SCAC的断裂能随强度等级提高不断增大,SCAC50的断裂能较SCAC30提高了50%以上;C40的断裂能可达168.2J/m2,明显高于3个强度等级的SCAC,高出同强度的SCAC40 60%以上.骨料的强度特性对混凝土断裂能更为关键,因而从技术角度提高体积含量较大的骨料强度远比单纯提高基材强度等级效率更高,但从实践角度仍需兼顾骨料改性增强的便捷性和经济性.

图5 SCAC和C40的断裂能及特征长度Fig.5 Fracture energy and characteristic length of SCAC and C40

由图5还可见：SCAC的特征长度随强度等级提高近似线性地减小,表明SCAC的脆性增大;C40的特征长度大于SCAC,这说明普通碎石骨料在裂纹扩展过程中的拔出机制对改善混凝土脆性大有裨益.要在保证就地取材率的同时提高SCAC的断裂能,对珊瑚骨料本身作增强改性可能是值得探究的方法之一.

3 结论

(1)就地取材率高于70%的前提下,随水胶比降低和胶凝材料用量增大海水珊瑚骨料混凝土(SCAC)的强度等级逐渐提高,且与湿容重呈正相关;随着强度等级的提高,SCAC的抗压强度和劈裂抗拉强度增大,拉压强度比小幅下降;SCAC的劈裂抗拉强度-抗压强度关系与普通混凝土的经典换算公式吻合良好.

(2)随着强度等级的提高,SCAC的荷载-裂纹口张开宽度曲线在峰值附近趋窄,开裂荷载与峰值荷载比明显增大,开裂后的断裂过程区变短,裂纹均贯穿骨料发展，断面光滑.SCAC开裂荷载对应的开裂CMOD接近,但峰值荷载对应的峰值CMOD随强度等级提高显著降低.C40的开裂载荷与峰值荷载比显著低于SCAC,其峰值荷载和变形能力均在SCAC之上,裂纹沿骨料脱黏界面扩展,断面凹凸不平.

(3)提高SCAC强度等级能在一定程度上弥补珊瑚骨料的低强度缺陷,使SCAC断裂能增大.SCAC的特征长度随强度等级提高而线性减小,其脆性相应增大.