糜人杰, 余紅發, 麻海燕, 達 波, 袁銀峰, 張小平, 朱海威, 竇雪梅
(1. 南京航空航天大學 土木工程系,江蘇 南京 210016; 2. 江蘇交科交通設計研究院,江蘇 淮安 223001)
全珊瑚骨料海水混凝土力學性能試驗研究
糜人杰1, 余紅發1, 麻海燕1, 達 波1, 袁銀峰2, 張小平1, 朱海威1, 竇雪梅1
(1. 南京航空航天大學 土木工程系,江蘇 南京 210016; 2. 江蘇交科交通設計研究院,江蘇 淮安 223001)
為了探討全珊瑚骨料海水混凝土的基本力學性能,并比較其與普通混凝土和輕集料混凝土的差異,通過實驗系統測定了珊瑚混凝土的基本力學性能,建立了其軸心抗壓強度(fc,m)、劈裂抗拉強度(fsp,m)、抗折強度(ft,m)與立方體抗壓強度(fcu,m)之間的線性關系與計算公式。結果表明:在強度等級C20~C50的范圍內,珊瑚混凝土的fc,m和fsp,m分別比普通混凝土的fc,m和fsp,m高出10%~48%和9%~33%,隨著強度等級的提高,兩種混凝土之間的差距在減小。珊瑚混凝土的ft,m與普通混凝土的ft,m之間的差異規律與強度等級有關,較低強度等級的C30珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m要高4%,而較高強度等級的C55珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m低13%。較高強度等級的C50珊瑚混凝土fc,m、fsp,m和ft,m分別比頁巖陶粒輕集料混凝土的fc,m、fsp,m和ft,m低11%、0.9%和4%。
全珊瑚骨料海水混凝土;立方體抗壓強度;軸心抗壓強度;劈裂抗拉強度;抗折強度
Abstract: To investigate the mechanical property of coral concrete and compare it with those of ordinary concrete and lightweight aggregate concrete, the mechanical property was measured through the experiment. The linear relationship between cube compressive strength(fcu,m) and axial compressive strength (fc,m), tensile splitting strength(fsp,m), rupture strength(ft,m) was built and relevant calculation formulas were obtained. The results show that: Between the strength grade of C20 ~ C50, thefc,mandfsp,mof the coral concrete are higher than those of ordinary concrete, which is 10%~48% and 9%~33%. With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is reducing. The difference between theft,mof coral concrete and theft,mof ordinary concrete is related to the strength grade. Theft,mof coral concrete, which is C30 of low strength grade, is higher than that of ordinary concrete, which is 4%. Theft,mof coral concrete, which is C55 of high strength grade, is lower than that of ordinary concrete, which is 13%. Thefc,m、fsp,mandft,mof coral concrete, which is C50 of high strength grade, is lower than that of haydite lightweight aggregate concrete, which is 11%、0.9% and 4%.
Keywords: coral concrete; compressive strength; axial compressive strength; tensile splitting strength; rupture strength
全珊瑚骨料海水混凝土由珊瑚、珊瑚砂、水泥、化學外加劑、礦物摻合料和海水按一定比例配合制成[1-2]。珊瑚質輕、多孔,孔隙率大,吸水性強,屬于天然輕集料。作為混凝土骨料,珊瑚骨料既不同于碎石粗骨料,也不完全同于陶粒、煤矸石等輕集料,多孔的特質使其具有較高的吸水率,表面粗糙使得與水泥之間的摩擦力較大。另外,其特殊的形狀要求更多的水泥包裹以便得到較好的施工性能。
1991年美國學者Rick等[3]考察了太平洋比基尼島的3座珊瑚混凝土建筑物,認為“珊瑚混凝土的強度能夠滿足工程結構的設計要求”。1993年盧博等[4]認為,在遠離大陸、缺少淡水的情況下,用海水珊瑚砂制作混凝土有顯著的社會和經濟效益。1995年梁元博等[5]通過研究發現,利用珊瑚砂和碎礁作骨料時,混凝土28 d抗壓強度可達22 MPa以上。2011年趙艷林等[6]用珊瑚、河沙、普通硅酸鹽水泥配制了珊瑚河沙海水混凝土,并研究了其基本力學性能。2015年袁銀峰[7]用珊瑚、珊瑚砂、海水研究了全珊瑚海水混凝土的配合比設計方法。
在國內外珊瑚混凝土的研究現狀以及全珊瑚骨料海水混凝土配合比設計的基礎上,通過對不同強度等級的全珊瑚骨料海水混凝土基本力學性能的測定分析,系統研究了其基本力學性能,對遠海島礁環境下全珊瑚骨料海水混凝土結構設計具有實際意義,并為未來開發鋼筋珊瑚混凝土結構積累基礎。
南京江南一小野田公司生產的P·II 52.5型硅酸鹽水泥,其性能指標符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[8]中硅酸鹽水泥要求,各項物理力學性能如表1所示,其化學成分如表2所示。珊瑚為粗骨料,取自南海海域某島,采用經過處理工藝的未風化珊瑚,堆積密度1 000 kg/m3,表觀密度2 300 kg/m3,筒壓強度3.8 MPa,空隙率56.5%,1 h吸水率10.7%,含泥量2.35%,針片狀顆粒含量5.5%,氯離子含量0.074%。珊瑚砂,取自南海海域某島,大部分為珊瑚碎屑,少部分為貝殼碎屑,II區級配,屬于中砂,細度模數為2.44,堆積密度1 115 kg/m3,表觀密度2 500 kg/m3,空隙率45%,1 h吸水率11%,含泥量0.5%,氯離子含量0.112%。采用江蘇某熱電廠生產的I級粉煤灰(fly ash,FA),性能符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[9]中I級粉煤灰要求,其化學組份如表2所示。采用江蘇江南粉磨公司的S95級磨細礦渣,其化學組分如表2所示。采用蘇博特新材料有限公司生產的萘系減水劑,性能符合GB8076-2008《混凝土外加劑》[10]的規定,減水率可達25%。

表1 水泥的物理力學性能Tab. 1 Basic physical property of portland cement

表2 主要凝膠材料化學成分Tab. 2 The chemical composition of gelled material
在參考JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]的基礎上,運用富漿混凝土設計理論,并且通過調整膠凝材料總量、礦物摻合料摻量、海水水膠比、珊瑚砂率,以抗壓強度和工作性(含可能性)為評判指標,設計并優化了高性能全珊瑚骨料海水混凝土的配合比(如表3所示),抗壓強度如表4所示。

表3 全珊瑚骨料海水混凝土的配合比與拌合物性能Tab. 3 Mixture proportion and performance of coral concrete

表4 全珊瑚骨料海水混凝土不同齡期的立方體抗壓強度Tab. 4 Compressive strength of coral concrete in standard curing of different time
注:試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,數據已經按0.95折減系數換算。
將水泥、珊瑚、珊瑚砂、外加劑、磨細礦渣等原材料在攪拌機中干拌1 min,再加人工海水濕拌3 min。出料后測定混凝土拌合物的坍落度,由于珊瑚骨料緊缺,澆注、振動成100 mm×100 mm×100 mm,100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試塊。成型后帶模養護24 h,之后拆模,然后移入20±3℃人工海水中養護。人工海水按照美國ASTMD1141-2003的規定,其化學組份如表5所示。

表5 人工海水的化學組成( kg/m3)Tab. 5 Chemical composition of artificial seawater ( kg/m3)
相關力學試驗(fcu,m、fc,m、fsp,m、ft,m)按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[12]進行,測試齡期為90 d。其中fcu,m測試采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊,fc,m測試采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試試塊,ft,m測試采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊,fsp,m測試采用經過抗折試驗的100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊的剩余部分。所得試驗結果均按照文獻[12]乘以相關換算系數,換算為標準結果。
混凝土fc,m比較接近實際構件中混凝土的受壓情況,是結構設計的重要參數。在結構設計中,需要根據fcu,m換算成fc,m,因此,必須建立混凝土fc,m與fcu,m之間的函數關系。
GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[13]列出了普通混凝土fc,m與fcu,m的數據對應表格,如表6所示。經過系統的分析,得出了fc,m與fcu,m的回歸線性方程:
式中:n=14,R2=0.999 1。適用強度范圍C15~C80。
葉列平[14]C15~C50之間列出了普通混凝土fc,m與fcu,m之間的關系:
JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]列出了輕集料混凝土fc,m與fcu,m的數據對應表格,如表6所示。經過系統的分析,得出了fc,m與fcu,m的回歸線性方程:
式中:n=10,R2= 0.998 9。適用強度范圍LC15~LC60。
陳巖[15]通過研究頁巖陶粒輕集料混凝土,得出了LC40~LC50之間fc,m與fcu,m的換算關系:
全珊瑚骨料海水混凝土fc,m與fcu,m的數據如表6所示。經過對本文數據、陳兆林等[16]數據、周杰[17]數據進行系統的分析,得出了fc,m與fcu,m的回歸線性方程:
式中:n=13,R2=0.891 7。適用強度范圍C20~C55。
全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土及相關規范fc,m與fcu,m的關系如圖1所示。

表6 全珊瑚骨料海水混凝土、普通混凝土、輕集料混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度數據Tab. 6 Datas of axial compressive strength and compressive strength of different concretes
由圖1可知:1)全珊瑚骨料海水混凝土的fc,m與fcu,m的比值較高,在0.76~0.95之間。2)強度等級為C20、C30、C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc,m比普通混凝土fc,m[14]依次高48%、27%、16%和10%;說明全珊瑚骨料海水混凝土的延性優于普通混凝土,但隨著強度等級的提高,增量逐漸減小。其原因為:珊瑚粗骨料的表面粗糙程度大于石子,因而全珊瑚骨料海水混凝土的界面區的機械咬合力更強,且珊瑚礁粗骨料的多孔結構與“微泵”效應,使全珊瑚海水混凝土的界面過渡區的水泥水化程度更高,所以其fc,m比普通混凝土fc,m高;而隨著強度等級的提高,珊瑚礁的取代率依次降低,故“微泵”效應及界面區機械咬合能力逐漸降低,所以增量減小。3)當強度等級為C20、C30、C40、C50和C55時,比GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[13]與JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]中fc,t依次高68%、44%、32%、29%和27%。4)C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc,m比頁巖陶粒輕集料混凝土fc,m依次低6%和11%。

圖1 全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系Fig. 1 Relations between axial compressive strength and compressive strength of different concretes
混凝土fsp,m對混凝土的抗裂性具有重要作用,它是結構設計中裂縫寬度和裂縫間距計算控制的主要指標,也是抵抗由于收縮和溫度變形而導致開裂的主要指標。
GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[13]列出了C15~C80之間普通混凝土軸心抗拉強度ft,k與fcu,m的數據對應表格,如表7所示。《鋼筋混凝土結構研究報告選集》[18]列出了普通混凝土fsp,m與ft,k的換算關系式:
由式(6)將文獻[13]中普通混凝土ft,k換算得出fsp,m,如表7所示。經過系統的分析,得出了普通混凝土fsp,m與fcu,m的回歸線性方程:
式中:n=14,R2= 0.942 3。
葉列平[14]列出了普通混凝土的fsp,m與fcu,m之間的關系:
JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]列出了LC15~LC60之間輕集料混凝土ft,k與fcu,m的數據表格,如表7所示。丁發興等[19]列出了LC15~LC60之間煤矸石與頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m與fcu,m的關系:
由式(9)將文獻[11]中輕集料混凝土fcu,m換算得出fsp,m,如表7所示。
陳巖[15]通過研究得出了頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m與fcu,m的數據,如表7所示。經過系統的分析,得出了頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m與fcu,m的回歸線性方程:
式中:n=9,R2=0.839 1。適用強度范圍LC40~LC50。
全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m與fcu,m的數據對應表格如表7所示。經過對本文數據、陳兆林等[16]數據、周杰[17]數據進行系統的分析,得到了fsp,m與fcu,m的換算關系:
式中:n=14,R2=0.711。適用強度范圍C20~C55。
全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土及相關規范fsp,m與fcu,m的關系如圖2所示。

表7 全珊瑚骨料海水混凝土、普通混凝土、輕集料混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度數據Tab. 7 Datas of tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

圖2 全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關系Fig. 2 Relations between tensile splitting strength and compressive strength of different concretes
由圖2可知:1)強度等級為C20、C30、C40、C50和C55的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比普通混凝土fsp,m[14]依次高33%、19%、12%、9%和8%,可知隨著強度等級的提高,增量逐漸減小。其原因為:珊瑚粗骨料的表面粗糙程度大于石子,因而全珊瑚骨料海水混凝土的界面區的機械咬合力更強,且珊瑚礁粗骨料的多孔結構與“微泵”效應,使全珊瑚骨料海水混凝土的界面過渡區的水泥水化程度更高;而隨著強度等級的提高,珊瑚礁的取代率依次降低,故“微泵”效應及界面區機械咬合能力逐漸降低,所以增量減小。2)比GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[13]中ft,k經式(6)換算得出的fsp,m依次高77%、84%、89%、93%和95%,并且比JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]中fcu,m經式(9)換算得出的fsp,m依次高67%、35%、19%、9%和5%。3)強度等級為C40的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m高3%,強度等級為C50的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m低0.9%。
混凝土ft,m是道路混凝土最為重要的強度參數,道路路面或機場道面用水泥混凝土通常以ft,m為主要強度指標,fcu,m僅作為參考指標。
劉衛中等[20]通過研究得出了普通混凝土ft,m與fcu,m之間的關系:
式中:n=324,R2= 0.826 1。適應的強度范圍C25~C60。
陳巖[15]通過研究得出了LC40~LC50頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m與fcu,m之間的關系:
全珊瑚骨料海水混凝土ft,m與fcu,m之間的數據對應表格如表8所示。經過對本文數據、陳兆林等[16]數據進行系統的分析,得出了ft,m與fcu,m之間的關系:
式中:n=6,R2= 0.891 3。適應的強度范圍C20~C55。
全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土ft,m與fcu,m的關系如圖3所示。
表8全珊瑚骨料海水混凝土抗折強度與立方體抗壓強度數據
Tab.8Datasofrupturestrengthandcompressivestrengthofcoralconcrete

序號fcu,m/MPaft,m/MPa138.33.90249.05.00358.26.00460.46.205[16]27.23.976[16]37.64.59

圖3 全珊瑚骨料海水混凝土、輕集料混凝土和普通混凝土抗折強度與立方體抗壓強度的關系Fig. 3 Relations between rupture strength and compressive strength of different concretes
由圖3可知:1)強度等級為C30的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m高4%,而C40、C50和 C55的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m依次低5%、11%和13%。2)強度等級為C40的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m高4%,而C50的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m低4%。3)低強度的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m和頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m高,反之則低,這是因為低強度的珊瑚混凝土其珊瑚礁取代率較高,故“微泵”效應及界面區機械咬合能力強。
1)全珊瑚骨料海水混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之間存在著較強的線性關系。全珊瑚骨料海水混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值較高,軸壓比范圍在0.76~0.95之間;強度等級為C20、C30、C40和C50的全珊瑚海水混凝土fc,m比普通混凝土fc,m[14]依次高48%、27%、16%和10%;說明全珊瑚骨料海水混凝土的延性優于普通混凝土,但隨著強度等級的提高,增量逐漸減小。當強度等級為C20、C30、C40、C50和C55時,比GB50010-2010《混凝土結構設計規范》與JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》中fc,t依次高68%、44%、32%、29%和27%。C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc,m比高強度頁巖陶粒輕集料混凝土fc,m依次低6%和11%。
2)全珊瑚骨料海水混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之間存在著線性關系。強度等級為C20、C30、C40、C50和C55的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比普通混凝土fsp,m依次高33%、19%、12%、9%和8%;比GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[13]中ft,k經式(6)換算得出的fsp,m依次高77%、84%、89%、93%和95%,并且比JGJ51-2002《輕集料混凝土技術規程》[11]中fcu,m經式(9)換算得出的fsp,m依次高67%、35%、19%、9%和5%;強度等級為C40的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m高3%,強度等級為C50的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比頁巖陶粒輕集料混凝土fsp,m低0.9%。
3)全珊瑚骨料海水混凝土的抗折強度與立方體抗壓強度之間存在著線性關系。強度等級為C30的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m高4%,而C40、C50和 C55的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m依次低5%、11%和13%;強度等級C40的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m高4%,而C50的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比頁巖陶粒輕集料混凝土ft,m低4%。
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Study on the mechanical property of coral concrete
MI Renjie1, YU Hongfa1, MA Haiyan1, DA Bo1, YUAN Yinfeng2, ZHANG Xiaoping1, ZHU Haiwei1, DOU Xuemei1
(1. Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Jiangsu Huaian Traffic Survey and Design Institute, Huaian 223001, China )
1005-9865(2016)04-0047-08
TU528
A
10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.007
2015-11-04
國家自然科學基金(51508272);國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015CB6551002);爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室(解放軍理工大學)開放課題資助(DPMEIKF201303);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX15-0230)
糜人杰(1992-),男,山西繁峙人,碩士研究生,研究方向為海洋混凝土。E-mail:305137305@qq.com
余紅發(1964-),男,湖北武穴人,教授,博士生導師,從事海洋混凝土研究。E-mail:yuhongfa@nuaa.edu.cn