強動載作用下海水海砂混凝土應用研究進展

楊成林，徐 迎，洪 建，孔新立

(陸軍工程大學,爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007)

0 引 言

淡水在混凝土制作和養護中必不可少，但是地球上的淡水只占總水量的2.5%，且分布不均勻，一些海島和濱海地區甚至根本沒有淡水，然而那里卻擁有取之不盡的水資源——海水。如果能將海水應用到混凝土制作中，將會降低淡水匱乏地區的混凝土制作成本，這具有極大的經濟利益。

進入21世紀，隨著我國綜合國力的增強，西方國家許多政客鼓吹“中國威脅論”，鼓動周邊國家與我國在南海和東海海域發生摩擦和爭端。為了維護國家領土完整和安全，我國在南海已控制島嶼上吹沙填島并進行島礁建設工程，黨的十八大報告也提出要提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護海洋權益，建設海洋強國。混凝土作為土木工程建設最重要的建筑材料，在島礁建設中擁有不可替代的地位，然而從大陸運送混凝土原材料到島礁費時費財費力，許多學者[1-4]發現海砂的礦物組成和地質來源與河砂相似，海水和海砂中的鹽分及海砂自身對混凝土的強度基本沒有不良影響，因此，可以使用海水海砂混凝土代替普通混凝土。

但海砂與河砂最大的區別是海砂中存在大量的氯離子(Cl-)，Cl-會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋暴露在空氣中，加快鋼筋的銹蝕，對建筑物的耐久性造成不利影響，對于這個問題，國內學者提出了淡化海砂、摻加阻銹劑、增加混凝土保護層厚度等方法。目前國內較多采用的是海砂淡化法[5]，但是由于相關部門監管不嚴，大量未經淡化或達不到標準的海砂流入市場[6]，出現了大量不合格海砂建造的房屋,給國家和人民安全造成了巨大威脅。另外，海砂淡化法并不能從根本上解決海砂對鋼筋的腐蝕問題，因此，輕質、高強、抗腐蝕性好的新型復合纖維材料(FRP)應運而生，FRP替代鋼筋可以從根本上解決海水海砂腐蝕性問題。因此，將海水海砂混凝土與FRP組合的FRP筋-海水海砂混凝土結構用于海洋環境下的島礁工程建設中，具有不可比擬的優勢。

近些年來,在海洋強國戰略和21世紀海上絲綢之路戰略的基礎上，我國海洋文化建設發展問題成為學界的熱點研究方向[7-8]。目前，國內外對海水海砂混凝土的研究主要基于制備、耐久性以及基本力學性能方面，而對爆炸、侵徹等極端荷載作用下海水海砂混凝土的力學性能研究不足，本文系統介紹總結了海水海砂混凝土靜動態力學性能、FRP筋-海水海砂混凝土組合結構力學性能和混凝土抗爆性能的研究進展，旨在為海水海砂混凝土后續研究方向提供借鑒參考。

1 海水海砂混凝土材料力學性能

1.1 海水海砂混凝土靜態力學性能

靜態力學性能是材料最基本的力學屬性，許多學者通過不同的試驗研究了海水海砂混凝土組分、養護條件、纖維摻量等對其壓縮、拉伸等性能的影響。

一些學者[9-12]通過對照試驗發現,相比河水河砂混凝土，珊瑚礁砂結構疏松多孔、多棱角、脆性較大，用海水拌和的海砂混凝土具有更高的早期強度。竇雪梅等[13]采用了自然擴散法研究了珊瑚混凝土在模擬海水環境中的氯離子擴散行為，研究表明珊瑚混凝土表面的氯離子濃度隨著暴露時間增加而增加，隨著養護齡期增加而降低，隨著混凝土強度增加而降低。

針對不同材料含量對海水海砂混凝土力學性能的影響，國內外學者做了一定的研究。Safi等[14]通過用貝殼替代砂子進行試驗,結果表明,當粉碎的貝殼顆粒代替砂子的水平從0%增加到100%(質量分數)時，自密實砂漿的流動性發生了降低。Karthikeyan等[15]通過用海砂置換河砂發現，針對不同海砂含量，當海砂置換率達30%(質量分數)時，混凝土抗折強度、劈裂抗拉強度和抗壓強度均令人滿意。程琤等[16]進行了混凝土試件軸壓試驗，分析了不同海砂含量對混凝土坍落度、抗壓強度的影響，結果表明，30%～40%的海砂摻和比(海砂與砂子質量比)對泵送混凝土的和易性最優，該配合比下的試件抗壓強度滿足要求。Niu等[17]通過改變珊瑚骨料混凝土中的纖維含量得到結論：隨著纖維含量的增加，玄武巖纖維增強珊瑚骨料混凝土的力學性能和吸水性能呈現先上升后下降的趨勢。蔡紅明[18]通過對海洋原材料制備的混凝土試件進行抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，研究了不同種類海洋原材料對混凝土力學性能的影響，結果表明,海洋原材料的摻入能夠提高混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度。耿耀明等[19]通過對不同配合比、不同碳纖維體積含量的混凝土試件進行軸壓試驗，得到碳纖維增強混凝土軸向壓縮應力-應變全過程曲線，發現合理的碳纖維體積含量能較大程度地提高和改善混凝土的軸向變形和韌性。邢麗等[20]通過改變海砂摻量和貝殼含量的方法，研究了含鹽量和貝殼含量對混凝土和易性和強度的影響，結果表明：隨著含鹽量的增加，海水海砂混凝土坍落度增加，流動性變強；隨著貝殼含量的增加，坍落度降低，保水性變差。王磊等[21]研究了三種水灰比下不同碳纖維摻量珊瑚混凝土試件的抗沖擊性能，試驗表明，摻加碳纖維可顯著提高混凝土的抗沖擊性能，在一定范圍內，隨著水灰比的增加，抗沖擊性能提升越明顯。

1.2 海水海砂混凝土動態力學性能

混凝土靜態力學性能是研究混凝土性能的基礎，國內外學者對此進行了大量的實驗研究，這方面已經比較成熟。然而混凝土作為使用最為廣泛的工業民用建筑和軍事工程材料，在服役過程中，難免會受到沖擊、爆炸等強動載以及火災等極端荷載的破壞。因此，混凝土動態力學性能的研究是現今混凝土研究的重點內容。

圖1 混凝土動態強度放大因子(DIF)與應變率關系[35]

研究表明，混凝土在動態荷載作用下會有較強的應變率敏感性。1917 年Abrams[22]首先發現混凝土動態抗壓強度存在對應變率的敏感性；1938年Grime等[23]通過大量快速壓縮實驗發現隨著應變率的增加，混凝土動態強度放大因子(DIF)增大。之后許多學者通過落錘試驗[24-25]、液壓伺服試驗[26-29]以及分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗[30-33]等對混凝土材料動態力學性能進行了廣泛而深入的研究，取得了豐富的研究成果，得到了混凝土DIF與應變率的關系。1991年，Bischoff和Perry[34]歸納了前人對混凝土材料在不同應變率下的抗壓力學性能的研究成果，總結出了不同應變率下動態抗壓強度與靜態抗壓強度的比值關系，即動態強度放大因子，歐洲國際混凝土委員會規范(FIP-CEB)[35]則參考了Bischoff和Perry的工作，給出了DIF與應變率關系曲線，如圖1所示。

分離式霍普金森壓桿(裝置簡圖見圖2)作為研究材料動態力學行為的幾種主要實驗設備和技術之一，已廣泛用于一維應力狀態下材料的動態力學行為特征試驗研究，許多學者利用霍普金森壓桿對海水海砂混凝土試件進行了不同應變率下的沖擊試驗。

圖2 霍普金森壓桿試驗裝置簡圖[33]

Ma等[33]利用霍普金森壓桿對高性能珊瑚混凝土進行沖擊壓縮試驗，并利用有限元軟件進行模擬，得到的應力-應變曲線和破壞形態與試驗結果基本吻合。結果表明，高強珊瑚骨料海水混凝土具有明顯的應變率效應，CEB規范推薦的普通混凝土DIF與應變率之間的關系已經不再適用于高強珊瑚混凝土，因此重新擬合了DIF與應變率之間的關系。

馬林建[36]等利用SHPB試驗裝置進行試驗，研究表明，相比同等級強度的普通混凝土，珊瑚混凝土具有更高的早期強度，達到極限強度后珊瑚混凝土表現得更為脆弱，隨著應變速率的增加，珊瑚混凝土抗壓強度增長幅度比其他水泥基復合材料更為顯著。

方秦等[37]利用有限元軟件ABAQUS對混凝土SHPB試驗進行數值模擬，深入分析了慣性效應產生機理，研究了不同外在參數對混凝土SHPB試驗的影響，最后分析了混凝土細觀組分對動態強度的影響，得出結論，混凝土中各組分材料靜態強度越大，混凝土動態強度就會越大。

王勇[38]通過對SHPB試驗結果進行數值模擬發現，由于對加載方式影響試件受力狀態的認識不足，前人對DIF的研究只局限于試件處于一維狀態，并未考慮多軸應力狀態下的情況，因此重新討論了LS-DYNA軟件中模型參數的選取意義。

國內外學者對于海水海砂混凝土靜態力學性能的研究較多，得出的結論為：海水海砂混凝土早期強度發展較快，最終強度與普通混凝土相當，一定范圍的海砂替換量能夠使海水海砂混凝土具有更好的流動性、更高的抗壓和抗折強度，合理的纖維摻量能夠顯著提高混凝土的強度、韌性等特征。目前對于海水海砂混凝土動態力學性能的研究主要基于SHPB試驗裝置，通過研究不同應變率下海水海砂混凝土的力學特征可以發現：與普通混凝土相同，海水海砂混凝土同樣具有應變率效應，甚至表現得更加明顯，峰值時的應力應變曲線更為脆弱。

2 FRP筋-海水海砂混凝土

運用島礁自有資源制成的海水海砂混凝土中存在大量Cl-,Cl-會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋暴露在空氣中，加快鋼筋的銹蝕，對建筑物耐久性造成不利影響。因此，需要一種新材料來取代鋼筋，新型復合纖維材料(FRP)應運而生。FRP材料是通過拉擠、纏繞、手糊等工藝將纖維作為增強材料與聚合物材料按一定比例混合制成的[39]，它具有重量輕、抗拉強度高、抗疲勞、耐腐蝕、隔熱性好等優點，被認為是一種高性能材料，目前國內外對FRP筋-海砂混凝土作了一定的研究。

Elgabbas等[40]通過剪切試驗和拉伸試驗發現玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)筋具有較高的層間剪切強度，但抗拉強度較低。Li等[41]通過拉伸試驗和“圓管劈裂”試驗，獲得了鋼筋、碳纖維布和BFRP的材料性能。研究了海水海砂混凝土填充鋼管的極限應變和約束混凝土的應力-應變曲線，討論了管徑比、截面類型、外管類型和內管類型等關鍵參數對約束效應的影響。Zhou等[42]對不同氯離子濃度的FRP約束混凝土的性能進行了試驗研究。結果表明，氯離子摩爾濃度從0%增加到1.57%時，FRP約束混凝土柱的強度降低了23%。此外，Zhou等[42]還提出了一個模型來評估FRP約束海水混凝土的應力-應變行為，試驗結果和所提出的模型可以促進FRP約束海水混凝土在海洋結構物和人工島中的廣泛應用。原天[43]研究了不同齡期、不同種類混凝土的力學性能，研究得到短期內混凝土梁的極限撓度、開裂荷載從大到小依次為：海水海砂混凝土梁>淡水海砂混凝土梁>普通混凝土梁。而隨著齡期增加，FRP筋梁的受彎性能從大到小則越來越趨于：普通混凝土梁>淡水海砂混凝土梁>海水海砂混凝土梁。Yang等[44]設計了FRP筋部分包裹混凝土的試件，研究發現碳纖維布的凈間距比和約束剛度是影響纖維布軸壓性能和膨脹性能的兩個重要因素，得出FRP筋部分包裹加固技術是一種很有前途的技術。李樹旺[45]通過受剪性能試驗研究了BFRP筋海砂混凝土梁受剪性能，通過試驗現象發現FRP筋海砂混凝土梁在受剪時的破壞模式主要分為彎曲破壞和剪壓破壞兩種形態，同時修正了BFRP筋海砂混凝土梁抗剪承載力計算公式。金云東[46]對珊瑚混凝土基本力學性能、BFRP筋與珊瑚混凝土的界面粘結性能和BFRP筋增強珊瑚混凝土梁抗彎性能三個方面進行了研究，發現BFRP筋與混凝土具有良好的短期粘結性能，BFRP筋-珊瑚混凝土梁雖然承載能力較高，但其破壞模式屬于超筋破壞，破壞時具有一定的脆性。劉喜等[47]建立了FRP筋混凝土梁受彎撓度計算模型，得到的建議模型能較好地預測FRP筋混凝土梁受彎撓度和裂縫寬度。

FRP筋與海水海砂混凝土的組合結構具有非常重要的工程意義，應用前景明朗，目前國內外學者對FRP筋-海水海砂混凝土結構的短長期力學性能研究較多，發現該結構具有更高的承載力，對于界面的粘結性能及機理研究較少。

3 混凝土抗爆性能研究

基于當前南海形勢，研究島礁建筑物在沖擊、爆炸等荷載作用下的力學性能十分重要，目前，混凝土抗爆性能研究主要針對普通鋼筋混凝土以及FRP筋-普通混凝土，但研究也不夠詳細，針對FRP筋-海水海砂混凝土抗爆性能的研究更加有限。

李猛深等[48]利用爆炸壓力模擬器對鋼筋混凝土梁進行沖擊實驗，得到了爆炸沖擊作用下普通混凝土梁的破壞損傷特征和機理。方秦等[49-51]通過有限元分析以及理論分析發現,在爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土結構可能在彎曲破壞之前發生剪切破壞，同時對基于Timoshenko梁理論建立的非線性動力有限元方法做了改進，建立了能反映箍筋抗剪作用的材料模型。汪維等[52]通過近區爆炸試驗發現,在近區爆炸荷載作用下，隨著裝藥量的增加，鋼筋混凝土梁的破壞程度逐漸增加，破壞模式發生了變化。高琴等[53]通過實驗研究和有限元軟件模擬發現，鋼筋混凝土板的抗爆能力隨著混凝土強度等級的提高而增加。

張帝等[54]利用有限元軟件ABAQUS對鋼筋混凝土排架結構進行了數值模擬，分別計算了在爆距為33 m，炸藥量分別為500 kg和3 t的兩種工況下，排架結構的破壞模式。研究結果表明，排架結構的關鍵破壞形態為中間承重柱的傾覆轉動，炸藥量越大，傾覆角越大，并以傾覆角為依據，將計算結果分為三種破壞等級，可用于廠房意外爆炸下的破壞程度評估。

高超等[55]對3層鋼筋混凝土框架結構模型進行不同爆距、不同當量、不同炸藥位置等條件下的爆炸荷載試驗以及數值模擬，研究結果表明，內爆炸引起的破壞效應要遠大于外爆炸，隨著比例爆距的變化，柱呈現彎曲破壞、直剪破壞、侵蝕破壞三種不同的破壞形態。數值模擬結果可為今后爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架結構的破壞模式提供借鑒參考。

李興[56]對碳纖維增強復合材料(CFRP)約束鋼管混凝土柱在不同因素下的抗爆性能進行了數值模擬，研究得出，鋼筋混凝土外表面粘貼FRP可以明顯降低柱的破壞程度，隨著CFRP層數的增加，鋼筋混凝土柱的抗爆能力增大。長柱的抗爆能力較低，在實際工程應用中，對于有抗爆要求的建筑物，應避免使用長柱。

王洪輝等[57]自主設計制備了一種CFRP約束鋼管混凝土拱結構，進行了兩次爆炸試驗，CFRP約束鋼管混凝土拱結構均未發生明顯破壞，殘余變形相對于位移非常微小。這表明CFRP約束鋼管混凝土拱結構依舊處于彈性范圍內，可以認為制備的CFRP約束鋼管混凝土拱結構擁有良好的抗爆性能。

劉三豐等[58]為了進一步了解GFRP筋混凝土梁的抗爆性能，分別對GFRP筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁進行了四點彎曲靜力試驗、爆炸試驗以及相應的數值模擬分析。試驗結果表明，在四點彎曲靜力試驗的相同工況下，GFRP筋混凝土梁比普通鋼筋混凝土梁擁有更高的承載力。增加GFRP筋剛度，可以降低跨中位移，減少裂紋與損傷；在爆炸試驗中，當比例爆距在一定范圍內時，GFRP筋混凝土梁用C50及以上混凝土能有效減少混凝土震塌與剝落，因此，GFRP筋混凝土梁擁有更高的抗爆性能。

圖3 爆炸試驗和傳感器布置示意圖[59]

Gao等[59]設計了單向BFRP筋增強海水海砂混凝土板(見圖3)，研究了BFRP筋增強海水海砂混凝土板的爆炸響應，結果表明，海水海砂混凝土砌塊具有與素混凝土砌塊相當的準靜態抗壓強度，BFRP筋海水海砂混凝土板具有與BFRP筋素混凝土板相似的準靜態抗彎強度和相同的破壞模式，同時BFRP筋增強珊瑚混凝土具有優良的耐腐蝕性能，是沿海防護結構的理想選擇。

相比鋼筋混凝土，FRP筋-混凝土擁有更好的抗爆性能。目前，爆炸試驗主要針對普通混凝土，對于FRP筋-海砂混凝土構件的研究較少，有待進一步完善。

4 總結與展望

(1)海砂、海水對混凝土強度與和易性影響不大，海水海砂混凝土具有更高的早期強度，養護至28 d時具有與普通混凝土相當的抗壓強度。

(2)摻入合理摻量的纖維可以明顯提高海水海砂混凝土的力學性能。

(3)在海洋環境中，相比鋼筋，FRP筋是更適合海水海砂混凝土的材料。

(4)FRP筋混凝土結構擁有良好的抗爆性能。

(5)目前對于海水海砂混凝土材料動態力學性能研究不足，需要進一步研究。

(6)為了更好地利用FRP筋-海水海砂混凝土組合結構，需要對其粘結機理作進一步的研究。

(7)目前抗爆試驗主要集中在普通混凝土上，為了更充分地將海水海砂混凝土應用于實際工程中，需要進一步研究海水海砂混凝土在侵徹、爆炸等作用下的力學響應。FRP作為更適用于海水海砂混凝土的材料，研究FRP筋-海水海砂混凝土組合結構抗爆性能尤為重要。

(8)目前針對混凝土的本構模型較多，但尚無針對海水海砂混凝土的本構模型，亟需通過海水海砂混凝土材料靜動態力學試驗，建立本構模型，弄清其損傷破壞機理，為海洋工程建設與防護提供支撐。