高强珊瑚混凝土(HSCC)单轴受压性能试验研究

2022-08-08张继旺黄满锋苏仕参覃庆龙

硅酸盐通报 2022年7期

张继旺，黄满锋，苏仕参，易金，覃庆龙，王磊

(1.广西建筑新能源与节能重点实验室，桂林 541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071)

0 引言

高性能混凝土(high performance concrete, HPC)因具有高抗压强度、高韧性、高耐久性和良好耐磨性等优异性能，得到了国内外科研和工程人员的高度关注[1-2]，并解决了桥梁结构、抗爆结构及大型预应力结构等工程复杂受力和加固问题[3-4]。但珊瑚混凝土存在强度低、孔隙率高和脆性大等问题，使得珊瑚混凝土只能应用于一般构筑物、垫层和防坡堤坝等基础工程[5-6]。随着“海洋强国”的提出和应用范围逐步扩大，珊瑚混凝土研究已成为了一个热点问题，国内外研究人员对其改性增强、破坏机理分析等进行了大量研究[6-8]。胡尧等[9]通过珊瑚砂和空心玻璃微珠替代石英砂制备超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)发现，采用处理过的珊瑚砂替代石英砂仍能制备出抗压强度超过120 MPa的UHPC，抗压强度仅比未替换时降低12.7%。陈飞翔等[10]研究表明，珊瑚礁砂UHPC的最佳胶砂质量比为1 ∶1，珊瑚礁砂的最佳质量取代比例为30%。张志豪等[11]研究指出，珊瑚礁石粉对UHPC的流变性能、流动度和强度存在较大的影响，其成核效应促进了胶凝材料的水化作用，形成更为致密的结构。目前，制备更高强度珊瑚混凝土应用于台风侵袭、高速海浪冲刷甚至突发爆炸冲击等极端动荷载作用下的基础防护工程已成为业内学者重点关注的方向。

高强珊瑚混凝土(high strength coral concrete， HSCC)是一种具有较高力学性能和致密结构的新型水泥基复合材料，为改善其脆性特征，往往在HSCC中掺入纤维，提高材料的韧性和抗拉强度。王磊等[8]研究表明，纤维材料能明显改善珊瑚混凝土的脆性，增加韧性，使其抗折性能显著提高，改变珊瑚混凝土的破坏形态，试件破坏时依然能保持良好的整体性。王星尧[12]采用细度模数为2.0的珊瑚砂，掺加体积率为2.0%的钢纤维制备出抗压强度为146.7 MPa的地聚合物基超高强珊瑚混凝土，但钢纤维在珊瑚混凝土中的氯盐侵蚀行为仍不明确。目前，关于HSCC的研究较少，对其单轴受压性能的研究有助于进一步了解HSCC的强度特征、破坏模式和应力-应变关系，解决岛礁高强混凝土设计或防护结构应用等问题。

因此，本文通过优化珊瑚砂掺量和胶凝材料配合比，掺加轻质、耐腐蚀的聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PPF)制备HSCC，进行基本力学性能、破坏机理和单轴受压作用下应力-应变曲线等方面的研究，为珊瑚混凝土推广应用及海洋岛礁工程设计施工提供必要的参考依据。

1 实验

1.1 原材料

珊瑚砂照片如图1所示，表观密度为2 553 kg/m3，堆积密度为1 527 kg/m3，细度模数为2.17，吸水率为4.98%(质量分数)。胶凝材料采用P·II 52.5硅酸盐水泥、一级粉煤灰(fly ash, FA)和硅灰(silica fume, SF)，胶凝材料的主要化学成分如表1所示。拌合水为参考美国标准ASTMD 1141—2003配制的人工海水，掺加减水率为25%的聚羧酸系高性能减水剂、聚醚改性有机硅消泡剂以及粒径约为1.7 μm的石英粉(quartz powder, QP)。纤维采用如图2所示的PPF，掺量为4 kg/m3(体积率为0.43%)，其基本参数如表2所示。

图1 珊瑚砂照片Fig.1 Coral sand photograph

图2 PPF照片Fig.2 PPF photograph

表1 胶凝材料的主要化学成分Table 1 Main chemical components of cementitious materials

表2 PPF基本参数Table 2 Basic parameters of PPF

1.2 配合比设计

根据《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12—2019)、高性能轻骨料配合比设计原则及富浆混凝土理论[13]，采用最大容重的颗粒级配进行试配，并通过调整胶凝材料总量、水胶比(W/B)和砂掺量，最终设计HSCC的强度等级为C105。为改善HSCC的脆性特征，参考文献[2,8]掺入适量的PPF进行改性增强，A、B两组HSCC的配合比如表3所示，其中A组为不掺加纤维的对照组。

表3 HSCC配合比Table 3 Mix ratio of HSCC

1.3 试件制作

采用分批投料的方式，将70%(质量分数)的水泥、珊瑚砂、石英粉、外加剂等原材料置于搅拌机中干拌1 min，然后加入人工海水湿拌3～5 min，再将剩余材料投入继续搅拌3～5 min，出料后分别浇筑标准尺寸(150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm)的HSCC试件。24 h后拆模放置于(20±2) ℃的人工海水中养护，28 d后采用YAW-3000kN万能试验机和NJ-BSJ型真空保水机测量HSCC基本力学性能参数，结果如表4所示。

表4 HSCC基本力学性能参数Table 4 Basic mechanical performance parameters of HSCC

1.4 试验方法

参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，采用YEW-5000kN高刚度电液伺服压力试验机对养护28 d后的棱柱体试块进行应力-应变全曲线测量。其中变形采用千分表进行测量，并采用双摄像头对显示器和千分表进行同步录像取数，且在两侧的竖向和横向粘贴胶基式BX120-50AA应变片测量混凝土应变；加载系统采用位移控制和力控制，破坏前加载速率为0.5～1.0 kN/s，破坏后按0.5 mm/min的速率进行加载。另外，对试件进行取芯观察和电镜扫描，观察HSCC宏观孔隙和骨料填充效果。

2 结果与讨论

2.1 HSCC的破坏特征

HSCC破坏形态如图3所示，未掺加纤维的A组试件为脆性破坏，当荷载达到极限荷载的80%～85%时，试块表面开始出现少量的竖向裂缝，应力峰值时表现为爆炸性破坏模式，内部具有与普通混凝土相似的上下倒三角破坏形态特征。掺纤维的B组试件表现为延性破坏，破坏时宏观裂缝相对较少，主要为竖向裂缝和少量横向裂缝，纤维的桥接作用使试件整体性保留较好，荷载达到应力峰值后仍具有一定的承载力。

对HSCC的棱柱体试件进行单轴受压试验时发现，荷载达到峰值应力的80%～90%时，A、B组试件靠近中间位置开始出现竖向贯穿裂缝，接近应力峰值时，表面开始有少量混凝土剥落。破坏模式的不同导致A组试件破坏时完全失去承载作用，B组试件破坏后仍能继续承载，加载结束后的破坏形态如图4所示。

图3 HSCC的破坏形态Fig.3 Failure mode of HSCC

图4 HSCC棱柱体单轴受压破坏形态Fig.4 Uniaxial compression failure mode of HSCC prism

2.2 HSCC的强度特征关系

较多学者[8,14-15]认为,珊瑚混凝土的弹性模量低于普通混凝土，并随强度的提高而提高。弹性模量与立方体抗压强度的关系如图5所示。强度等级为C60时珊瑚混凝土弹性模量与普通混凝土基本相近；强度等级超过C60时，珊瑚混凝土弹性模量的增长速度开始减缓，弹性模量与抗压强度呈一种非线性关系。相同条件下，珊瑚混凝土的强度主要由砂率来控制，珊瑚粗骨料与细骨料的比例越低则强度越高。当细骨料完全取代粗骨料制备成HSCC时，HSCC弹性模量大约为44.71 GPa，与同种强度等级的高强混凝土基本相近。

轴心抗压强度与立方体抗压强度比值如图6所示，HSCC的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值基本在0.86～0.94，而普通珊瑚混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值在0.75～0.97，均高于普通混凝土。分析认为，主要是珊瑚骨料具有吸水、返水作用的微管系统[16]，吸水作用能降低水灰比而提升“骨料-水泥石”界面强度，水泥水化过程中骨料排出水分有利于界面水泥石充分水化，这种“微泵”作用使结构变得更为密实。需要注意的是，制备HSCC的珊瑚细骨料同样存在粗骨料的“微泵”特征，但细骨料形状更为规则，孔隙小且内部几乎不存在较大“空腔”，比水泥更为细小的硅灰和粉煤灰进入孔隙填充和水化，间接提高了骨料的强度，成为制备高性能甚至超高性能珊瑚混凝土的关键。

理论上，掺加纤维可以大大提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。但HSCC中，B组试件的劈裂抗拉强度提高了5.2%～6.3%，抗折强度提高了10.7%～12.9%，与普通强度的纤维珊瑚混凝土相比，其抗折强度增幅有所降低，劈裂抗拉强度变化范围不大，珊瑚混凝土力学性能如表5所示。主要是由于珊瑚混凝土中粗骨料面积占比较大，所需的最佳纤维较低，而HSCC属于珊瑚砂水泥基复合材料，所需的纤维掺量应该与活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)、工程水泥基复合材料(engineering cementitious composites, ECC)(体积率为1%～3%)等类型混凝土相近。尽管PPF掺量较低，与A组试件的爆炸性破坏模式相比，B组试件已有较为明显的延性破坏特征，纤维的桥接作用使HSCC破坏后仍保存较好的整体性和一定的承载能力。较多研究[2,6,8]表明，掺加大量纤维在一定程度上影响混凝土的抗压强度和流动性能，导致内部界面微裂缝和局部应力集中，强度降低。

图5 弹性模量与立方体抗压强度的关系Fig.5 Relationship between elastic modulus and cube compressive strength

图6 轴心抗压强度(fc)与立方体抗压强度(fcu)比值Fig.6 Ratio of axial compressive strength (fc) to cube compressive strength (fcu)

表5 珊瑚混凝土力学性能Table 5 Mechanical properties of coral concrete

2.3 HSCC的应力-应变全曲线

图7为HSCC表面应变片实测曲线和位移测量的应力(σ)-应变(ε)全曲线。从图7(a)发现，荷载到达应力峰值的80%～90%(85～97 MPa)时，HSCC开始出现裂缝或表面混凝土剥落，导致应变片失效。图7(b)为不同类型、不同强度混凝土的应力-应变全曲线，结合应变片实测曲线对比发现：(1)HSCC应变达到1.83×10-3附近时，原本近似线性的曲线开始发生变化，说明混凝土内部开始出现微裂缝，弹性极限位置较高。(2)未掺加PPF的HSCC从微裂缝产生、积累到破坏的过程比普通混凝土短，能量释放十分迅速，强度等级超过C80时均表现为爆炸性破坏而无法测量下降段曲线；掺加PPF的HSCC具有明显的下降段曲线，基本在极限强度的20%～30%进入残余强度转折点。(3)应力水平相同时，珊瑚混凝土(C60以下)的变形量比普通混凝土大，骨料贯穿破坏的特点使骨料与水泥石无法产生机械咬合力，下降段曲线更陡峭，残余强度低于同强度等级的普通混凝土。(4)应变一般在1.5×10-3～2×10-3时珊瑚混凝土开始产生宏观裂缝[15]，略晚于同强度等级的普通混凝土(1.4×10-3～1.8×10-3)，宏观上表现为曲线的“大变形阶段”比普通混凝土的短。

为了更直观地反映上升段与下降段的差异以及残余强度的变化特点，采用应力(σ)与应力峰值(σ0)比值、应变(ε)与应变峰值(ε0)比值绘制应力-应变曲线，σr为残余应变。不同类型混凝土应力-应变全曲线如图8所示，HSCC上升段线性特征比较明显，σ/σ0随ε/ε0的变化趋势基本一致。普通珊瑚混凝土上升段曲线与普混凝土基本相似，ε/ε0随σ/σ0的增大而逐渐增大。下降段中，HSCC、普通珊瑚混凝土和轻骨料混凝土的曲线比普通混凝土的陡峭，而珊瑚混凝土陡峭程度更高，说明珊瑚混凝土和轻骨料混凝土脆性比普通混凝土大，轻骨料混凝土的脆性更为明显。主要原因是三者的破坏模式有所不同，普通混凝土到达应力峰值之后，骨料与水泥石之间的机械咬合力能减缓应力的下降，骨料贯穿破坏模式的珊瑚混凝土几乎不存在机械咬合力，但骨料吸水、返水作用使“骨料-水泥石”界面强度高于轻骨料混凝土，σr降低速度相比有所减缓。

由图8(b)可知，HSCC的σr/σ0比值约为0.3，珊瑚的σr/σ0比值为0.292～0.525，说明两者破坏后仍具有较高的残余强度，但HSCC的残余强度在破坏后迅速降低。随着强度的提高，σr/σ0比值反而越低，说明珊瑚混凝土强度越高脆性越大，不掺加纤维的HSCC不存在下降段。掺加PPF的HSCC的下降段整体趋势与轻骨料混凝土较为相近，都是破坏后强度迅速降低，结构设计中不建议考虑下降段的残余强度。

图7 HSCC应力-应变全曲线Fig.7 Stress-strain full curves of HSCC

图8 不同类型混凝土应力-应变全曲线Fig.8 Stress-strain full curves of different types of concrete

2.4 HSCC的孔隙率及干表观密度

采用真空饱水的方法测量HSCC的含水率能较大程度反映其孔隙率范围，以此方法实测得到的HSCC的孔隙率约在4.7%～6.9%，高于同等强度的普通混凝土[20]。主要是因为珊瑚砂表面粗糙，流动性比普通河砂低，且骨料自身含有大量开放孔隙，水泥浆难以完全填充。HSCC的干表观密度基本在2 230～2 310 kg/m3，比珊瑚混凝土(1 850～2 150 kg/m3)约高7.4%～24.9%，说明HSCC的密实度有了较大的提升。

为了观察HSCC宏观孔隙和骨料孔隙填充情况，对试件进行取芯观察及电镜扫描。HSCC与珊瑚混凝土宏观孔隙如图9所示，HSCC仅有少量的宏观孔隙，主要为水化反应或振捣过程中形成的气体未能及时排出而产生的气泡孔。与普通珊瑚混凝土相比，骨料粒径越小的混凝土内部更容易形成规则稳定的结构体系，且几乎不存在骨料叠合(集中)增大局部缺陷的情况。骨料剖面SEM照片如图10所示，骨料表面水泥浆填充较好，但内部仍存在较多的未填充孔隙，尤其是骨料中心区域。初步分析认为，骨料内部封闭孔隙容易造成填充中断，孔径形状大小同样影响水泥浆的渗入，且孔隙内部空气压力也是水泥浆渗透填充的主要影响因素。如果能用太空混凝土制备方法，在真空或低气压条件下进行搅拌出料，理论上可以进一步减少水泥石的毛细管孔，提升骨料的填充体积。