海水海洋骨料混凝土霍普金森压杆动态力学性能试验研究

2022-08-05徐金俊唐月月陈宇良陈宗平

振动与冲击 2022年14期

徐金俊，唐月月，陈宇良，陈宗平

(1. 南京工业大学土木工程学院，南京 211816； 2. 南京工业大学工程结构综合防护国际研究中心，南京 211816；3. 广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006； 4. 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004；5. 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004)

我国是一个拥有3.2万km海岸线和丰富海岛资源的海洋大国。党的十八大报告提出“海洋强国”战略，党的十九大报告又进一步提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的战略部署，海洋资源开发及海岛工程建设正在稳步推进。工程建设需消耗大量的建筑材料，从内陆运输建筑材料耗时费财，而就地取材利用海上资源将有效缩短建设工期、降低成本，同时对节约陆地资源具有重要意义。

丰富的海水、海砂、珊瑚等海上资源可作为制备海工及港工混凝土的原材料，由其替代传统意义上的淡水、河砂以及碎石骨料，国内外学者对海水海洋骨料混凝土已经开展了系列研究。刘伟等[1]、卢予奇等[2]、黄一杰等[3]、陈宗平等[4]、Etxeberria等[5]、Shayan等[6]、臧朝会等[7]分别从海水海砂碎石混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量、断裂敏感性等角度与淡水河砂碎石混凝土进行了对比试验研究，发现海砂对混凝土轴压力学性能无显著影响，但海水对海砂混凝土具有早强作用。珊瑚与常规碎石在主要成分方面相同，均为碳酸钙，因此具有稳定的物理力学性能。但是作为骨料而言，珊瑚所具有的形状多变、粗糙多孔、轻质低强等特点造就其与碎石骨料差异较大[8]；普遍来看，珊瑚混凝土适用于强度等级较低的一类混凝土工程。王以贵[9]利用南海珊瑚礁砂配制出了C20强度等级的珊瑚骨料混凝土，证明了珊瑚混凝土应用于防洪堤、基础设施的可行性。韦灼彬等[10]、糜人杰等[11]、马林建等[12-13]、苏晨等[14]、Arumugam等[15]分别通过静力受压、疲劳寿命、阻尼特性、耐久性能等试验揭示了珊瑚骨料混凝土的受力机理与破坏规律。

事实上，海工及港工结构物很难避免海浪的拍打和船只的撞击，这些外部作用隶属于动力荷载，相应地对结构材料具有动态效应，研究其动态力学行为意义重大。岳承军等[16-17]、Ma等[18]和吴家文等[19]采用小直径(75 mm和100 mm)分离式霍普金森压杆(separated Hopkinson pressure bar ，SHPB)对全珊瑚混凝土完成了动态力学性能试验，结果表明全珊瑚混凝土试块的动态强度放大系数(dynamic increasing factor，DIF)与应变率的0.5次方呈线性正相关，且高于同等级普通硅酸盐混凝土。

就现阶段而言，多数研究聚焦于单一类型的海洋骨料混凝土静态及动态力学行为，而针对采用骨料类型较为全面的海水海洋骨料混凝土动态受压性能的研究成果并不多见，但往往拌合海水-多类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。为此，本文采用大直径(155 mm)分离式霍普金森压杆试验装置开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)在不同冲击气压下的动力荷载试验研究，并与其在静力荷载作用下的受压性能进行对比分析，以期揭示应变率、骨料类型对混凝土冲击破坏及动态受力机理的影响，为海工及港工混凝土动态力学响应的设计与评估提供科学依据。

1 试验概况

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为研究对象进行试验设计，其中混凝土采用的原材料包括：①P.II52.5普通硅酸盐水泥，由南京江南-小野田水泥厂生产制造；②粗骨料—天然碎石和珊瑚；③细骨料—河砂和海砂；④拌合用水—淡水(普通自来水)和海水。所用珊瑚骨料和海砂均来自河北某海岛。各类粗、细骨料的实物照片如图1所示，相应的级配曲线如图2所示，物理性能如表1所示。海水采用人工配制而成，其依据标准为美国规范ASTMD 1141—2003[20]，相应的化学成分如表2所示。

图1 原材料Fig.1 Raw materials

图2 骨料的级配曲线Fig.2 Aggregate grading curves

表1 原材料的物理性能指标Tab.1 Physical properties of raw materials

表2 人工海水组成成分及含量

1.2 试件设计

所有混凝土目标设计强度等级均为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设计配合比，而海水海砂珊瑚混凝土基于轻质混凝土的属性设计其配合比。每立方米混凝土各原材料的详细用量，如表3所示。表3中，NC、SSMC、SSCC分别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。每种类型的混凝土试件设计成直径为150 mm、高300 mm的标准圆柱体试样，其中3个用于静态力学性能试验、5个用于动态力学性能试验，累计24个标准圆柱体混凝土试件。采用标准塑料模具进行试件的浇筑，待24 h后脱模放入标准养护室养护至28 d进行静、动态试验。对于静态力学性能试验，试验体为标准圆柱体；对于动态力学性能试验，试验体直径为150 mm、高75 mm的非标准圆柱体，需从标准圆柱体中切割得到，并将两个切割面的平整度误差控制在0.02 mm以内，其试块成样如图3所示。

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

图3 SHPB试块成样过程Fig.3 Forming process of SHPB samples

1.3 试验方法

1.3.1 静态力学性能试验

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[21]对标准圆柱体混凝土试样进行静力单轴受压力学性能试验。试验前将试件的加载面采用高强石膏进行找平，其平整过程借助玻璃平板和水平尺的不断调节以此达到上下两端齐平的效果，用以消除端部混凝土因浇筑后找平困难而产生的不平整性。静态力学性能试验是在岩石与混凝土力学试验机RMT-301上完成的，该设备由中国科学院武汉岩土力学研究所研发得到，可实现位移控制的加载模式。本次试验中，采用位移控制的加载模式并设定加载速率为0.02 mm/s进行试样的单调加载，每种类型的混凝土重复3次试验，共计9个试件完成预设目标试验，相应的加载装置如图4所示。

图4 RMT-301试验机Fig.4 RMT-301 testing machine

1.3.2 动态力学性能试验

(1)

图5 SHPB试验装置Fig.5 SHPB test device

在SHPB试验中，应用铜片作为波形整形器可有效减小应力波的弥散效应[23]。试验开始前，采用直径为35 mm、厚度为3 mm、规格为T2的紫铜片作为波形整形元器件粘贴于入射杆前端面，该过程参考本课题组前期的研究过程[24]，如图6(a)所示；通过在非标准圆柱体试件的两个端面均匀涂抹一层凡士林，用以减小试件与入射杆、透射杆接触面之间的端部摩擦效应，如图6(b)所示。动态力学性能试验共设计三种应变率，对应气压分别为0.3 MPa，0.6 MPa以及0.9 MPa。每种气压下同类混凝土进行5次重复试验，共计45个试块完成预设目标试验。

图6 应力波弥散效应和杆件端部摩擦效应的消除方式Fig.6 Elimination solutions of stress wave dispersion effect and friction effect at the end of bar

2 试验结果与分析

2.1 静态力学性能

2.1.1 试验过程和破坏形态

海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土与淡水河砂碎石混凝土的破坏模式相似，均为劈裂破坏。所有试件在加载初期无肉眼可见的裂缝；随着荷载的增大，试件出现纵向微裂纹并伴有轻微撕裂的声音，继续加载裂纹稳定发展直至破坏，试件的最终破坏形态如图7所示。由图7可见，淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破坏面均绕开骨料而出现在骨料与水泥浆体的界面区，海水海砂珊瑚混凝土的破坏面直接贯穿珊瑚骨料。这表明在混凝土强度等级不高的情况下，碎石骨料与水泥浆体的界面区是此类骨料混凝土的薄弱区，而珊瑚骨料本身强度不高、粗糙多孔的特性决定了该种混凝土的破坏常常发生在骨料本身。

图7 准静态受压试件破坏形态Fig.7 Failure pattern of quasi-static compressive specimens

2.1.2 静力受压应力-应变全曲线

每种类型的混凝土静力受压应力-应变过程全曲线，如图8所示。由图8可见，对于每种类型的混凝土，加载初期的受压应力-应变关系曲线基本重合，随着荷载的增大其曲线相互之间产生一定的分离，表明随着试验荷载水平的提高，混凝土作为多相复合材料其内部结构分布不均匀性在宏观力学性能方面得以体现，但这类离散程度尚小且总体较为接近，因此可不予考虑。通过对比可知，海水海砂碎石混凝土和海水海砂珊瑚混凝土与淡水河砂碎石混凝土具有相似的受压应力-应变本构关系，其全过程曲线分为直线上升段、曲线上升段以及快速下降段。三类混凝土的上升过程基本保持一致，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段后到达峰值应力。海水海砂碎石混凝土的下降过程与淡水河砂碎石混凝土的下降过程差别不大，均表现为较为缓慢的下降，而海水海砂珊瑚混凝土则出现断崖式下降，表明海水海砂珊瑚混凝土的破坏比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土来得突然，脆性更加显著，这与其前述破坏特征是相关联的，即破坏时珊瑚骨料的脆性一般要比水泥砂浆的大[25]。

图8 静力受压应力-应变曲线Fig.8 Static compression stress-strain curves

为评价应力-应变全过程曲线特征点的应力和应变，采用能量等值法确定屈服点，该特征点为人为假定混凝土材料达到屈服状态，其确定过程如图9所示；此外，以应力降低至85%的峰值应力点命名为混凝土破坏点。基于破坏点和屈服点的应变，将两者的比值定义为应变延性系数，以此定量评定三类混凝土的延性特征，相应的结果如表4所示。从峰值应力比较来看，海水海砂珊瑚混凝土的应力最大，海水海砂碎石混凝土的应力次之，淡水河砂碎石混凝土的应力最小，究其原因在于以下三个方面：①海水海砂珊瑚混凝土的有效水灰比较其他两类混凝土的小，导致其混凝土的强度略有提高；②从级配曲线而言，海砂的粒径相对河砂较粗的成分更多，在强度等级不高的情况下(C30)骨料本身的致密程度是高于水泥砂浆的，细骨料略粗在一定程度上有利于混凝土强度的提升，其表现为在配合比相同的前提下海水海砂碎石混凝土强度比淡水河砂碎石混凝土的大；③由图10的电镜扫描(scanning electron microscope，SEM)结果来看，海水海砂碎石混凝土水泥浆体间的孔隙明显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，这主要是由于海水中含有大量氯盐、硫酸盐等物质会促进水泥的水化反应[26]，相应的水化产物(即白色结晶物)在海水海砂珊瑚混凝土水泥浆体中显示得更加明显；此外，由于珊瑚本身具有多孔的物理性质，水泥浆体会充分渗入到珊瑚骨料的内部空腔，形成致密的复合骨料，这也是海水海砂珊瑚混凝土强度较之淡水河砂碎石混凝土高的一大原因。总体而言，三类混凝土的强度等级均满足C30设计强度等级目标。

图9 能量等值法确定屈服点Fig.9 Determination of yield point using energy equivalence method

表4 混凝土静力受压应力-应变曲线试验结果Tab.4 Results of stress-strain curves tested under static compression

图10 电镜扫描图片Fig.10 Scanning electron microscope images

从应变的角度看，海水海砂珊瑚混凝土的屈服应变、峰值应变以及破坏应变均比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大，这是由于珊瑚骨料内部的孔洞在受压过程中变形造成的。在三类混凝土中，海水海砂珊瑚混凝土的应变延性系数最小，这也很好地印证了前述破坏过程的特点，即这是由于珊瑚骨料脆性较大引起的。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应变和应变延性系数都较为接近，表明海水替换淡水、海砂替换河砂在变形和延性方面的影响不显著。

2.2 动态力学性能

2.2.1 破坏形态

由于5组重复试验的破坏形态相似，故每一类型的每组混凝土在每个气压下取一个试块的破坏形态予以讨论，相应的破坏形态如图11所示。由图11可见，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试块的破碎程度均随着冲击气压(也即应变率)的增加而增大。混凝土试块经0.3 MPa气压加载后还存在较大的块状碎块，而经0.9 MPa气压加载后混凝土试块被撞击成尺寸更小、破碎更均匀的碎块，同时伴随着粉末状破碎物的产生。对比三种混凝土的破坏形态发现，在相同冲击气压下，不同类型的混凝土破坏形貌虽然相似但其破坏情况有所侧重：淡水河砂碎石混凝土与海水海砂碎石混凝土的破碎主要呈块状，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎为片条状，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的碎块主要是碎石块，其发生在水泥浆体与碎石骨料之间，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎直接贯穿珊瑚骨料，这与静态受压试验下的破坏形态较为一致。

图11 不同气压下混凝土的破坏形态Fig.11 Failure pattern of concrete under different pressures

2.2.2 动态受压应力-应变全曲线

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实测应变率(分别对应0.3 MPa，0.6 MPa和0.9 MPa冲击气压)下的动态受压应力-应变关系曲线，如图12所示。与静态受压试验结果一样，每一类型混凝土5组重复试验之间存在一定的离散性，但整体差异不大。由图12可见，高应变率下的混凝土受压应力-应变全曲线包络了低应变率下的全曲线；相应地，初始割线模量、峰值应力和峰值应变都随应变率的增加而增长。对比静态受压应力-应变关系曲线可知，动态荷载下的受压应力-应变全曲线各阶段应力和应变均比静态的要大，表明应变率效应十分显著。5组重复试验的峰值应力和峰值应变均值，如表5所示。与静力受压试验结果类似，同条件下海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小；同样地，海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应变比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的要大。可见，即便混凝土受力形式有所改变，但其内在的材料属性依然决定了各自混凝土的宏观力学性能，即静态荷载下的一般规律依然适用于动态荷载，只是应变率效应改变了混凝土受力性能的量级。

图12 混凝土动态受压应力-应变曲线Fig.12 Dynamic compression stress-strain curves of concrete

表5 混凝土动态受压应力-应变曲线试验结果Tab.5 Results of stress-strain curves tested under dynamic compression

2.2.3 能量吸收密度

冲击荷载带来的能量主要被试块吸收，并随着试块的破碎被耗散，试块每单位体积吸收的能量定义为能量吸收密度(ω)，其为衡量混凝土在冲击荷载作用下抵抗破碎能力的指标[27]。能量吸收密度可按式(2)计算

(2)

需特别指出的是，出于可靠性方面的考虑，峰值应力后混凝土试块的能量吸收密度难以用来衡量其能量耗散能力，基于Xiong等给出的建议，文中取峰值应力点处能量吸收密度的大小来讨论。表5列出了SHPB试块在峰值应力点处的能量吸收密度均值。三类混凝土试块的能量吸收密度与应变之间的变化关系，如图13所示。由图13可见，所有混凝土在峰值应力点处的能量吸收密度均随着应变率的增加而增大，这主要是因为应变率越大表征冲击荷载输入给混凝土试块的能量越多，致使材料的破坏程度也越发显著，这与前述破坏状况是相对应的。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，这是由于珊瑚骨料疏松多孔的内部结构和粗糙复杂的外部形貌与胶凝材料的结合较为致密，而天然碎石骨料相比而言则光滑得多，使发生同等程度的破坏时所需的能量便随之增大。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，其内在成因在于海水、海砂中的氯离子、硫酸根离子与水泥的水化物发生化学反应生成膨胀性物质如高硫酸铝酸钙，使混凝土内部组织的内聚作用减小，在同等冲击荷载作用下发生破坏的概率增大。

图13 能量吸收密度与应变的关系Fig.13 Relationship between energy absorption density and strain rate

2.2.4 动态受压强度与动态强度放大系数

三类混凝土动态受压强度与应变率之间的关系，如图14所示。由图14可见，无论何种类型的混凝土，其动态受压强度随应变率的增加而增大。究其原因在于应变率越大混凝土试块吸收的能量越多，大量能量聚集于试块内部而不能被迅速耗散出去，使试块处于高应力状态。据此，引入动态强度放大系数(DIF)用以表征混凝土强度的应变率效应，其数学含义为动态受压强度与对应静态受压强度的比值，相应的计算公式可表示为

(3)

图14 动态强度与应变率的关系Fig.14 Relationship between dynamic strength and strain rate

所有混凝土5次重复试验的DIF测试结果，如表5所示。三类混凝土DIF与应变率之间的关系，如图15所示。其中，CEB是基于欧洲混凝土规范CEB[28]给出的混凝土DIF与应变率有关的预测曲线。由图15可见，三类混凝土的DIF随应变率的变化趋势与基于欧洲混凝土规范CEB的预测曲线基本一致，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的DIF均低于欧洲混凝土规范CEB的预测值，而海水海砂珊瑚混凝土的DIF与预测曲线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应变率效应更加显著，这与2.2.3节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，同时也印证了珊瑚骨料本身就属于应变率敏感性材料这一发现[29]。

图15 动态放大系数DIF与应变率的关系Fig.15 Relationship between DIF and strain rate

2.2.5 动态应变延性系数

三类混凝土5次重复试验的动态延性系数及其平均值见表5。三类混凝土应变延性系数与应变率之间的关系，如图16所示。由图16可见，无论静态还是动态荷载作用下，海水海砂珊瑚混凝土的应变延性系数在三类混凝土中最小，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应变延性系数均随着应变率的增大而提高。在静力受压和应变率为30～35 s-1动态作用下，三类混凝土的应变延性系数较为接近；而在应变率约为70 s-1和80 s-1动态作用下，三类混凝土的应变延性系数差异较大，差异幅度在14%以内。