粗骨料粒径对珊瑚混凝土力学性能的影响

王冬冬 张文清

（安徽理工大学安全科学与工程学院煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室）

近年来中国海洋产业取得了突破,十八大强调要实现海洋强国战略[1]。珊瑚礁是南海礁中一种特有的岩石CaCO3含量高达96%[2]，这些珊瑚残屑为南海建设提供了一种新的材料——珊瑚骨料[3]。粗骨料作为珊瑚混凝土的关键成分，在提高强度与断裂性方面有着重要作用。马林建等[4]叙述了国内外几十年珊瑚混凝土的物理特性强度和变形特征为以后研究提供理论依据。MAL等[5]研究发现珊瑚骨料混凝土与传统混凝土的破坏模式不同，静动态荷载下珊瑚骨料强度较低。张继旺等[6]采用小粒径珊瑚沙代替粗骨料进行大量力学性能试验，通过骨料粒径和配合比制备出高强度珊瑚混凝土。

综上所述表明，珊瑚混凝土与普通混凝土力学性能方面具有差异。珊瑚骨料具有多孔结构和低强度特点，国内外学者对珊瑚骨料的物理特性与各种混合配方比方面研究较多。但是关于不同粗骨料粒径对珊瑚混凝土的力学影响研究较少。本文设置了五组不同粒径的粗骨料，采用RMT-150 岩石压力机进行静态抗压抗拉试验，得出不同粒径的珊瑚混凝土的静态力学性能，研究成果为珊瑚混凝土工业化和国防化提供参考依据。

1 实验概况

1.1 原材料及配合比

实验所使用的材料包括：硅酸盐水泥、礁灰岩粗骨料、珊瑚礁砂细骨料、聚羧酸-高效减水剂、矿粉，粉煤灰、实验用水为人工拌制海水。将礁灰岩粗骨料筛分成5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm这4 个粒径区间对其物理性能参数进行了测试，一般混凝土的配合比达不到实际工程需要，因此需要新的配合比，该实验根据《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002），结合国内外研究者对于珊瑚混凝土配合比的研究，最终确定了珊瑚混凝土的基本配比。本次实验选用5～25mm粒径的礁灰岩粗骨料，5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm这4 个粒径区间使用珊瑚混凝土基本配比进行配比。对照组选用连续级配珊瑚礁混凝土惯用的5～16mm粒径。

1.2 试件制备

各物料按照配合比称量后开始进行试件制作。本次实验采用Φ50mm×100mm和Φ65mm×35mm圆柱体试件。首先测量珊瑚砂的吸水率，之后晒干称重，将干燥的粗细骨料与剩余一半水混合进行搅拌，最后将剩余的水泥粉煤灰和减水剂倒入进行搅拌，搅拌完成后将珊瑚混凝土倒入模具中，采用振捣的方法进行浇筑混凝土，完毕后将试件放在室内放置24h，之后进行脱模对Φ50mm×100mm的圆柱体试件分别进行了7d 和28d 的养护，Φ65mm×35mm圆柱体试件进行28d的养护。

1.3 实验内容及方法

本文为深入研究珊瑚混凝土的静动态基本力学性能，采用了粒径为5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm的礁灰岩骨料制备试件。通过静力学抗压抗拉试验得出了珊瑚混凝土的静态抗压抗拉强度。分析不同粒径的粗骨料掺入会对珊瑚混凝土造成的力学性能影响。因此，本文研究将以下几个角度进行深入探讨：

⑴利用RMT-150 岩石力学实验机，对不同粗骨料粒径珊瑚混凝土进行静态力学测试，研究掺入不同粗骨料粒径珊瑚混凝土不同龄期（7d、28d）的抗压抗拉强度以及一些基本物理参数，并绘制了趋势图得到了粗骨料粒径珊瑚混凝土的静态力学特性。

2 粗骨料粒径珊瑚混凝土静态力学性能研究

2.1 粗骨料粒径珊瑚混凝土静态抗压强度测试

本次静态力学实验采用Φ50mm×100mm的圆柱体试件，共五组每组制作的试件个数为3 个。试件共15个。将试样垂直放置在压板中间，以0.02MPa/s 的速度均匀施加力，从而使得

试样受到压力发生变化，最终发生形变。其中，静态抗压强度的计算公式如⑴所示：

式中：fcu为试件的单轴抗压强度；P为峰值荷载；A为试件的截面面积。

2.2 静态抗压强度实验结果与分析

根据表1 和图1 可以明显看出7d 的珊瑚混凝土抗压强度与28d 的抗压强度有着较大的差距，伴随着养护时间的增加，珊瑚混凝土的抗压强度也随之增加。不同粒径粗骨料珊瑚混凝土抗压强度也不相同，当粗骨料粒径为10～16mm的时珊瑚混凝土的抗压强度增长最快。28d 比7d 的抗压强度分别提高了41.1%、42.7%、40.5%、36.3%和38.7%。与对照组J0 相比，小粒径的粗骨料珊瑚混凝土抗压强度增长速度高于后者大粒径的。随着珊瑚混凝土粗骨料粒径的增大，珊瑚混凝土无论7d 还是28d的抗压强度都出现下降的趋势。

图1 珊瑚混凝土抗压强度折线图

表1 珊瑚混凝土抗压强度

2.3 粗骨料粒径珊瑚混凝土准静态抗拉强度测试

实验也采用Φ65mm×100mm的圆柱体试件，共五组每组制作的试件个数为3 个。试件共计15 个。为了确保实验的准确性，试件置在压力机承压板的中央，调节有球座的承压板，使试件均衡受载，并使垫条与试件在同一荷心轴上。以0.02MPa/s 的速度增加，直到试件损坏停止。记下最大破坏载荷和加载过程中的变化情况，计算试件的抗拉强度如公式⑵所示：

式中fts混凝土静态单轴抗；P为峰值荷载；A为试件的劈裂面面积。

2.4 静态抗拉强度实验结果与分析

从表2 和图2 可得随着养护时间的增加，珊瑚混凝土的劈裂抗拉强度也在增加。28d 比7d 的抗拉强度分别提高了35.2%、30.8%、33.6%、26.3%和36.2%。根据表2与图2数据说明粗骨料的粒径对珊瑚混凝土的劈裂抗拉强度有显著影响，随着粗骨料粒径大7d与28d珊瑚混凝土呈下降趋势。粗骨料粒径为5～10mm时其抗拉强度最大为7.10MPa，粒径为20～25mm时其抗拉强度最低为5.38MPa。掺入不同粗骨料粒径的珊瑚混凝土力学性能发生了变化。

图2 珊瑚混凝土抗拉强度折线图

表2 珊瑚混凝土抗拉强度

3 结论

本文通过RMT-150 实验机与SHPB 对五组不同粒径粗骨料珊瑚混凝土试件进行静态抗压抗拉实验与动态劈裂实验并分析实验数据。最后分析粗骨料粒径对珊瑚混凝土静动态力学性能与破坏性的影响。结论如下：

⑴通过静力学实验得到5～10mm、10～16mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm5 组不同粒径粗骨料珊瑚混凝土7d 和28d 抗压抗拉强度数据，结果表明：珊瑚混凝土的抗压抗拉强度均随粗骨料粒径的增大呈现出先增大后减小的趋势。实验组中无论7d 还是28d 粒径为10～16mm的粗骨料粒径混凝土抗压抗拉强度增长最快。

⑵对粗骨料粒径为5～10 mm、10～16 mm、16～20mm、20～25mm和5～16mm5 组不同粒径粗骨料珊瑚混凝土进行动态劈裂实验。对实验数据进行整理分析得出珊瑚混凝土的动态抗拉强度均随粗骨料粒径的增大呈现出先增大后减小的趋势。粗骨料珊瑚混凝土具有明显的尺寸效应。