全珊瑚海水混凝土沖擊壓縮性能試驗研究與數(shù)值模擬

岳承軍, 余紅發(fā), 麻海燕, 梅其泉, 劉 婷

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院, 江蘇 南京 211100)

珊瑚礁是一種特殊的巖土類型,其主要的礦物成分是文石和高鎂方解石,碳酸鈣含量在96%以上[1].這些特殊的島礁堆積物可以作為一種新型的建筑材料[2]——珊瑚骨料(CA).近些年由于南海爭端問題日趨嚴重,南海島礁工程的建設(shè)成為中國南海開發(fā)的當(dāng)務(wù)之急.全珊瑚海水混凝土(CASC)的配制采取就地取材的原則,利用當(dāng)?shù)貚u礁豐富的珊瑚資源作為原材料,為南海島礁工程建設(shè)提供了便捷的建筑原材料.在南海復(fù)雜的自然環(huán)境中,建筑物除受到基本準靜態(tài)荷載外,可能還會受到劇烈的沖擊荷載,如防護堤會受到海浪沖擊力,機場跑道要承受飛機降落的沖擊力,高層建筑會受到風(fēng)荷載的作用,地震區(qū)建筑會受到地震荷載作用等.因此,對CASC的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義和實用價值.

美國是最早研究和利用珊瑚混凝土的國家.早在二戰(zhàn)期間,美國和日本都曾在太平洋島礁上,大量使用珊瑚混凝土修建防御工程、道路和機場.20世紀50年代,美國海軍土木工程實驗室[3-4]報道了有關(guān)珊瑚骨料開采和加工、珊瑚混凝土配合比和攪拌標準等研究.英國、丹麥、澳大利亞等國家也使用珊瑚混凝土作為建筑材料.中國最早于20世紀80年代開始對珊瑚混凝土進行研究.珊瑚混凝土從骨料類型上可分為3類：(1)以珊瑚砂作為細骨料,普通碎石作為粗骨料的混凝土;(2)以普通河砂作為細骨料,珊瑚作為粗骨料的混凝土;(3)以珊瑚作為粗骨料,珊瑚砂作為細骨料,并采用海水拌和的全珊瑚海水混凝土.2013年以前,國內(nèi)對珊瑚混凝土的研究大多集中在其基本力學(xué)性能及疲勞性能等方面[5-11].自2013年起,南京航空航天大學(xué)余紅發(fā)課題組[12-22]對全珊瑚海水混凝土的配合比優(yōu)化、基本力學(xué)性能、沖擊、侵徹與爆炸等動態(tài)力學(xué)行為及其數(shù)值模擬、氯離子擴散行為、珊瑚混凝土中的鋼筋銹蝕、梁柱構(gòu)件的力學(xué)性能、珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)壽命可靠度等方面展開了系統(tǒng)性的研究,為珊瑚混凝土在島礁工程中的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ).

本文采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)研究了CASC在高速沖擊荷載作用下的力學(xué)性能響應(yīng),比較了不同強度等級的CASC動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點,使用劍麻纖維改善CASC的脆性,并采用數(shù)值模擬的方法對CASC的動態(tài)力學(xué)性能展開討論,以揭示CASC在應(yīng)變率荷載下的動態(tài)響應(yīng)機理.

1 試驗

1.1 原材料及其基本性能

粗骨料采用南沙某島礁的珊瑚,經(jīng)人工破碎篩分成5～15mm連續(xù)級配;細骨料采用南沙某島礁的珊瑚砂,細度模數(shù)2.44,Ⅱ區(qū)級配,屬于中砂;水泥采用南京江南小野田公司生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5型硅酸鹽水泥,其性能指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》;粉煤灰(FA)采用南京電熱廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰,性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》;礦渣(SG)采用江蘇江南粉磨公司S95級磨細礦渣,比表面積為461m2/kg;減水劑采用西卡生產(chǎn)的3301C型聚羧酸高性能減水劑,性能符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》,固含量(1)文中涉及的含量、減水率、比值等特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.30%,減水率達20%以上,Na2SO4含量0.18%,氯離子含量0.01%;海水按照美國ASTM D1141—2003《Standard practice for the preparation of substitute ocean water》規(guī)定配制;劍麻纖維(SF)采用廣西劍麻集團生產(chǎn)的劍麻纖維,性能符合GB/T 15031—2009《劍麻纖維》,直徑0.03mm,束纖維斷裂力780N,回潮率小于13%[23],使用時將劍麻纖維切割成15mm長的短絲.

1.2 試件配合比

基于高性能輕骨料混凝土配合比設(shè)計原理及富漿混凝土理論[13]得出,總膠凝材料質(zhì)量、預(yù)吸水率、質(zhì)量砂率(Sp)、水膠比(mW/mC)是影響CASC強度的主要指標,而JGJ 51—1990《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中輕骨料混凝土采用的是體積砂率.珊瑚骨料具備多孔的性質(zhì),使得珊瑚砂很容易進入珊瑚內(nèi),因此在進行配合比設(shè)計時,質(zhì)量砂率比體積砂率效果更好.本文設(shè)計了C30和C50強度等級的全珊瑚海水混凝土(CASC)和劍麻纖維增強全珊瑚海水混凝土(SFCASC),參照文獻[24],確定劍麻纖維的用量為3kg/m3,CASC與SFCASC的配合比及拌和性能見表1.

表1 CASC與SFCASC的配合比及拌和性能

采用尺寸為100mm×100mm×100mm的試件來測試全珊瑚海水混凝土的立方體抗壓強度fcu;沖擊壓縮試件為φ70×35mm的圓柱體;此外增加1組尺寸為φ70×70mm的圓柱體試件,測定其準靜態(tài)抗壓強度fcy，作為計算動態(tài)增強因子(DIF)的靜態(tài)抗壓強度,測試方法參照GB/T 5008—2008《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》.

1.3 試驗設(shè)備

沖擊試驗采用霍普金森壓桿(SHPB),桿件直徑為75mm,彈性模量為210GPa,密度為7850kg/m3,入射桿長為5000mm,透射桿長為3000mm,子彈長為600mm.試驗時記錄入射波信號εi(t)、反射波信號εr(t)及透射波信號εt(t),其中t為信號采集時間.

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

表2 CASC與SFCASC的抗壓強度

圖1 CASC與SFCASC的沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of CASC and SFCASC

2.2 應(yīng)變率效應(yīng)

從圖1可以看出,CASC與SFCASC具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),即峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變率的提高而不斷增大.動態(tài)增強因子(DIF)用以表征材料在動態(tài)荷載作用下引起的強度變化.圖2匯總了本文、章艷[16]論文以及普通C50強度等級混凝土[22]的DIF與應(yīng)變率的關(guān)系.從圖2可以看出,在相同應(yīng)變率下,隨著靜態(tài)抗壓強度的增大,CASC的DIF值減小.可見DIF是關(guān)于應(yīng)變率和靜態(tài)抗壓強度的二元函數(shù).此外,CASC的DIF隨應(yīng)變率變化的敏感性比普通混凝土要高,即在相同的應(yīng)變率增長量下,CASC的DIF增長量要高于普通混凝土.歐洲混凝土委員會(CEB)[25]推薦的混凝土DIF擬合模型是在大量普通混凝土數(shù)據(jù)下建立的,在建立CASC的DIF擬合模型時若采用CEB推薦公式則會存在較大誤差.

圖2 DIF與應(yīng)變率(對數(shù)形式)的關(guān)系Fig.2 Relationship between DIF and strain rate(logarithmic)

基于以上規(guī)律,本文采用文獻[26]中提出的DIF計算模型，擬合出CASC的DIF與應(yīng)變率、靜態(tài)抗壓強度的關(guān)系式如下：

(1)

2.3 破壞形態(tài)分析

圖3 各試件典型的沖擊破壞形態(tài)Fig.3 Typical impact damage patterns of specimens

造成以上破壞形態(tài)差異的主要原因是：CASC自身脆性較大,其破壞呈現(xiàn)出典型的脆性破壞,多數(shù)碎塊從整體中剝離;摻入劍麻纖維后,試件內(nèi)部各個小單元之間的協(xié)調(diào)作用與約束作用增強,在承受相同沖擊荷載時,其破壞程度比未摻劍麻組試件要小.因此,從破壞形態(tài)分析可知,劍麻纖維能有效增強CASC的抗沖擊性能.

3 數(shù)值模擬

本文采用動力有限元軟件LS-DYNA對SHPB沖擊試驗進行模擬，選用軟件模型庫中的HJC模型作為CASC的本構(gòu)模型，HJC模型能夠較為準確地反映混凝土在高應(yīng)變率荷載作用下的力學(xué)性能響應(yīng)[27].

3.1 模型建立

采用Ls-prepost建立簡化模型,其中入射桿和透射桿長均為1.5m,直徑為70mm,試件尺寸為φ70mm×35mm,使用的單位制為kg-m-s,采用八節(jié)點六面體(Solid 164)單元.為了保證模擬結(jié)果的精確度,在應(yīng)力波脈沖持續(xù)時間內(nèi),其傳播的路徑上應(yīng)有足夠數(shù)量(n)的單元網(wǎng)格[28],相關(guān)文獻[29]中建議使用n≥10,本文取n=20.將入射桿和透射桿在桿長方向上分為100等份,周長方向上分為80等份.試件在長度方向上分為20等份,周長方向上分為80等份,模型共639731 個節(jié)點、422400個單元.桿件及子彈為同種類型的鋼材,采用理想的彈性材料本構(gòu)模型*MAT_ELASTIC,彈性模量為210GPa,密度為7840kg/m3.桿件與試件的接觸類型選擇面面接觸進行定義,關(guān)鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACETO SURFACE.

3.2 模型參數(shù)及模擬結(jié)果

根據(jù)文獻[30]中的方法,混凝土最關(guān)鍵的屬性是靜態(tài)抗壓強度,可以利用有限的試驗數(shù)據(jù)得到復(fù)雜模型的計算參數(shù).HJC模型參數(shù)主要由材料的基本參數(shù)(ρ、fc、G),強度參數(shù)(A、B、C、N、T和Sf,max),損傷參數(shù)(D1、D2、εf,min)和壓力參數(shù)(K1、K2、K3、Pcrush、Ucrush、Pclock、Uclock)4個部分組成.各符號含義在LS-DYNA用戶手冊中有說明，文中不再贅述.其中ρ、fc、G、T均可由較為簡單的靜態(tài)試驗獲得;損傷參數(shù)由于缺少已有試驗數(shù)據(jù),且Holmquist等[30]假定損傷參數(shù)與混凝土強度無關(guān),仍取原始文獻[31]值D1=0.04,D2=1.0,εf,min=0.01;Pcrush=f′c/3,μcrush=Pcrush/Kelastic,μclock=ρgrain/ρ0-1,ρgrain為CASC壓實密度,ρ0為表觀密度;Pclock可根據(jù)插值法確定,已知f′c=48MPa時Pclock=0.8GPa,f′c=140MPa 時Pclock=1GPa,則Pclock=0.8+(1-0.8)×(f′c-48)/(140-48).

圖4 CASC-C50的應(yīng)力-應(yīng)變試驗與模擬曲線對比圖Fig.4 Comparison of test and simulated stress-strain curves of CASC-C50

表3 CASC-C50沖擊壓縮數(shù)值模擬HJC模型參數(shù)

為了能夠模擬試件的沖擊破壞形態(tài),在定義混凝土材料參數(shù)時添加關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION來計算混凝土的侵蝕失效單元.圖5為CASC-C50試件模擬破壞形態(tài)圖.結(jié)合圖3和圖5可以看出,模擬圖與實際破壞形態(tài)較為相似.

圖5 CASC-C50試件模擬破壞形態(tài)圖Fig.5 Specimen simulated failure pattern diagram of CASC-C50

3.3 沖擊壓縮模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表4為CASC-C50沖擊試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比.由表4可見,在模擬的4個工況下,模擬動態(tài)抗壓強度與試驗值的誤差為1.0%～4.9%,模擬動態(tài)臨界應(yīng)變與試驗值的誤差為4.3%～18.3%,模擬效果較好.

表4 CASC-C50沖擊試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)劍麻纖維對水灰比較大(mW/mC=0.59)的CASC抗壓強度不具增強作用,對水灰比較小(mW/mC=0.28)的CASC抗壓強度具有增強作用.

(2)CASC與SFCASC具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),且動態(tài)增強因子DIF對應(yīng)變率的敏感度比普通混凝土高,擬合出DIF與應(yīng)變率、立方體抗壓強度的計算模型參數(shù).

(3)從試件破壞形態(tài)分析劍麻纖維能夠有效增強CASC的抗沖擊性能,CASC自身脆性較大,其破壞呈典型的脆性破壞形態(tài),摻入劍麻纖維后,試件內(nèi)部各個小單元之間的協(xié)調(diào)作用與約束作用增強,在承受相同沖擊荷載時,其破壞程度比未摻劍麻組試件要小.

(4)采用LS-DYNA軟件對CASC沖擊過程進行模擬,混凝土模型選用HJC模型,通過試驗測得的參數(shù)值及調(diào)試參數(shù)確定了HJC模型參數(shù),模擬動態(tài)抗壓強度與試驗值的誤差范圍為1.0%～4.9%,動態(tài)臨界應(yīng)變的誤差范圍為4.3%～18.3%.