海水海洋骨料混凝土霍普金森壓桿動態力學性能試驗研究

徐金俊， 唐月月， 陳宇良， 陳宗平

(1. 南京工業大學 土木工程學院， 南京 211816； 2. 南京工業大學 工程結構綜合防護國際研究中心， 南京 211816；3. 廣西科技大學 土木建筑工程學院， 廣西 柳州 545006； 4. 廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004；5. 廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室， 南寧 530004)

我國是一個擁有3.2萬km海岸線和豐富海島資源的海洋大國。黨的十八大報告提出“海洋強國”戰略，黨的十九大報告又進一步提出“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”的戰略部署，海洋資源開發及海島工程建設正在穩步推進。工程建設需消耗大量的建筑材料，從內陸運輸建筑材料耗時費財，而就地取材利用海上資源將有效縮短建設工期、降低成本，同時對節約陸地資源具有重要意義。

豐富的海水、海砂、珊瑚等海上資源可作為制備海工及港工混凝土的原材料，由其替代傳統意義上的淡水、河砂以及碎石骨料，國內外學者對海水海洋骨料混凝土已經開展了系列研究。劉偉等[1]、盧予奇等[2]、黃一杰等[3]、陳宗平等[4]、Etxeberria等[5]、Shayan等[6]、臧朝會等[7]分別從海水海砂碎石混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量、斷裂敏感性等角度與淡水河砂碎石混凝土進行了對比試驗研究，發現海砂對混凝土軸壓力學性能無顯著影響，但海水對海砂混凝土具有早強作用。珊瑚與常規碎石在主要成分方面相同，均為碳酸鈣，因此具有穩定的物理力學性能。但是作為骨料而言，珊瑚所具有的形狀多變、粗糙多孔、輕質低強等特點造就其與碎石骨料差異較大[8]；普遍來看，珊瑚混凝土適用于強度等級較低的一類混凝土工程。王以貴[9]利用南海珊瑚礁砂配制出了C20強度等級的珊瑚骨料混凝土，證明了珊瑚混凝土應用于防洪堤、基礎設施的可行性。韋灼彬等[10]、糜人杰等[11]、馬林建等[12-13]、蘇晨等[14]、Arumugam等[15]分別通過靜力受壓、疲勞壽命、阻尼特性、耐久性能等試驗揭示了珊瑚骨料混凝土的受力機理與破壞規律。

事實上，海工及港工結構物很難避免海浪的拍打和船只的撞擊，這些外部作用隸屬于動力荷載，相應地對結構材料具有動態效應，研究其動態力學行為意義重大。岳承軍等[16-17]、Ma等[18]和吳家文等[19]采用小直徑(75 mm和100 mm)分離式霍普金森壓桿(separated Hopkinson pressure bar ，SHPB)對全珊瑚混凝土完成了動態力學性能試驗，結果表明全珊瑚混凝土試塊的動態強度放大系數(dynamic increasing factor，DIF)與應變率的0.5次方呈線性正相關，且高于同等級普通硅酸鹽混凝土。

就現階段而言，多數研究聚焦于單一類型的海洋骨料混凝土靜態及動態力學行為，而針對采用骨料類型較為全面的海水海洋骨料混凝土動態受壓性能的研究成果并不多見，但往往拌合海水-多類型海洋骨料于海工及港工混凝土才是就地取材的最大初衷。為此，本文采用大直徑(155 mm)分離式霍普金森壓桿試驗裝置開展了淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土(海水海砂碎石混凝土和海水海砂珊瑚混凝土)在不同沖擊氣壓下的動力荷載試驗研究，并與其在靜力荷載作用下的受壓性能進行對比分析，以期揭示應變率、骨料類型對混凝土沖擊破壞及動態受力機理的影響，為海工及港工混凝土動態力學響應的設計與評估提供科學依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

以淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土為研究對象進行試驗設計，其中混凝土采用的原材料包括：①P.II52.5普通硅酸鹽水泥，由南京江南-小野田水泥廠生產制造；②粗骨料—天然碎石和珊瑚；③細骨料—河砂和海砂；④拌合用水—淡水(普通自來水)和海水。所用珊瑚骨料和海砂均來自河北某海島。各類粗、細骨料的實物照片如圖1所示，相應的級配曲線如圖2所示，物理性能如表1所示。海水采用人工配制而成，其依據標準為美國規范ASTMD 1141—2003[20]，相應的化學成分如表2所示。

圖1 原材料Fig.1 Raw materials

圖2 骨料的級配曲線Fig.2 Aggregate grading curves

表1 原材料的物理性能指標Tab.1 Physical properties of raw materials

表2 人工海水組成成分及含量

1.2 試件設計

所有混凝土目標設計強度等級均為C30，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土具有相同的設計配合比，而海水海砂珊瑚混凝土基于輕質混凝土的屬性設計其配合比。每立方米混凝土各原材料的詳細用量，如表3所示。表3中，NC、SSMC、SSCC分別表示淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土。每種類型的混凝土試件設計成直徑為150 mm、高300 mm的標準圓柱體試樣，其中3個用于靜態力學性能試驗、5個用于動態力學性能試驗，累計24個標準圓柱體混凝土試件。采用標準塑料模具進行試件的澆筑，待24 h后脫模放入標準養護室養護至28 d進行靜、動態試驗。對于靜態力學性能試驗，試驗體為標準圓柱體；對于動態力學性能試驗，試驗體直徑為150 mm、高75 mm的非標準圓柱體，需從標準圓柱體中切割得到，并將兩個切割面的平整度誤差控制在0.02 mm以內，其試塊成樣如圖3所示。

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of concrete (kg/m3)

圖3 SHPB試塊成樣過程Fig.3 Forming process of SHPB samples

1.3 試驗方法

1.3.1 靜態力學性能試驗

依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[21]對標準圓柱體混凝土試樣進行靜力單軸受壓力學性能試驗。試驗前將試件的加載面采用高強石膏進行找平，其平整過程借助玻璃平板和水平尺的不斷調節以此達到上下兩端齊平的效果，用以消除端部混凝土因澆筑后找平困難而產生的不平整性。靜態力學性能試驗是在巖石與混凝土力學試驗機RMT-301上完成的，該設備由中國科學院武漢巖土力學研究所研發得到，可實現位移控制的加載模式。本次試驗中，采用位移控制的加載模式并設定加載速率為0.02 mm/s進行試樣的單調加載，每種類型的混凝土重復3次試驗，共計9個試件完成預設目標試驗，相應的加載裝置如圖4所示。

圖4 RMT-301試驗機Fig.4 RMT-301 testing machine

1.3.2 動態力學性能試驗

(1)

圖5 SHPB試驗裝置Fig.5 SHPB test device

在SHPB試驗中，應用銅片作為波形整形器可有效減小應力波的彌散效應[23]。試驗開始前，采用直徑為35 mm、厚度為3 mm、規格為T2的紫銅片作為波形整形元器件粘貼于入射桿前端面，該過程參考本課題組前期的研究過程[24]，如圖6(a)所示；通過在非標準圓柱體試件的兩個端面均勻涂抹一層凡士林，用以減小試件與入射桿、透射桿接觸面之間的端部摩擦效應，如圖6(b)所示。動態力學性能試驗共設計三種應變率，對應氣壓分別為0.3 MPa，0.6 MPa以及0.9 MPa。每種氣壓下同類混凝土進行5次重復試驗，共計45個試塊完成預設目標試驗。

圖6 應力波彌散效應和桿件端部摩擦效應的消除方式Fig.6 Elimination solutions of stress wave dispersion effect and friction effect at the end of bar

2 試驗結果與分析

2.1 靜態力學性能

2.1.1 試驗過程和破壞形態

海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土與淡水河砂碎石混凝土的破壞模式相似，均為劈裂破壞。所有試件在加載初期無肉眼可見的裂縫；隨著荷載的增大，試件出現縱向微裂紋并伴有輕微撕裂的聲音，繼續加載裂紋穩定發展直至破壞，試件的最終破壞形態如圖7所示。由圖7可見，淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破壞面均繞開骨料而出現在骨料與水泥漿體的界面區，海水海砂珊瑚混凝土的破壞面直接貫穿珊瑚骨料。這表明在混凝土強度等級不高的情況下，碎石骨料與水泥漿體的界面區是此類骨料混凝土的薄弱區，而珊瑚骨料本身強度不高、粗糙多孔的特性決定了該種混凝土的破壞常常發生在骨料本身。

圖7 準靜態受壓試件破壞形態Fig.7 Failure pattern of quasi-static compressive specimens

2.1.2 靜力受壓應力-應變全曲線

每種類型的混凝土靜力受壓應力-應變過程全曲線，如圖8所示。由圖8可見，對于每種類型的混凝土，加載初期的受壓應力-應變關系曲線基本重合，隨著荷載的增大其曲線相互之間產生一定的分離，表明隨著試驗荷載水平的提高，混凝土作為多相復合材料其內部結構分布不均勻性在宏觀力學性能方面得以體現，但這類離散程度尚小且總體較為接近，因此可不予考慮。通過對比可知，海水海砂碎石混凝土和海水海砂珊瑚混凝土與淡水河砂碎石混凝土具有相似的受壓應力-應變本構關系，其全過程曲線分為直線上升段、曲線上升段以及快速下降段。三類混凝土的上升過程基本保持一致，均經歷了彈性階段、彈塑性階段后到達峰值應力。海水海砂碎石混凝土的下降過程與淡水河砂碎石混凝土的下降過程差別不大，均表現為較為緩慢的下降，而海水海砂珊瑚混凝土則出現斷崖式下降，表明海水海砂珊瑚混凝土的破壞比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土來得突然，脆性更加顯著，這與其前述破壞特征是相關聯的，即破壞時珊瑚骨料的脆性一般要比水泥砂漿的大[25]。

圖8 靜力受壓應力-應變曲線Fig.8 Static compression stress-strain curves

為評價應力-應變全過程曲線特征點的應力和應變，采用能量等值法確定屈服點，該特征點為人為假定混凝土材料達到屈服狀態，其確定過程如圖9所示；此外，以應力降低至85%的峰值應力點命名為混凝土破壞點。基于破壞點和屈服點的應變，將兩者的比值定義為應變延性系數，以此定量評定三類混凝土的延性特征，相應的結果如表4所示。從峰值應力比較來看，海水海砂珊瑚混凝土的應力最大，海水海砂碎石混凝土的應力次之，淡水河砂碎石混凝土的應力最小，究其原因在于以下三個方面：①海水海砂珊瑚混凝土的有效水灰比較其他兩類混凝土的小，導致其混凝土的強度略有提高；②從級配曲線而言，海砂的粒徑相對河砂較粗的成分更多，在強度等級不高的情況下(C30)骨料本身的致密程度是高于水泥砂漿的，細骨料略粗在一定程度上有利于混凝土強度的提升，其表現為在配合比相同的前提下海水海砂碎石混凝土強度比淡水河砂碎石混凝土的大；③由圖10的電鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)結果來看，海水海砂碎石混凝土水泥漿體間的孔隙明顯少于淡水河砂碎石混凝土，表明在海水海砂碎石混凝土中水泥的水化程度高于淡水河砂碎石混凝土，這主要是由于海水中含有大量氯鹽、硫酸鹽等物質會促進水泥的水化反應[26]，相應的水化產物(即白色結晶物)在海水海砂珊瑚混凝土水泥漿體中顯示得更加明顯；此外，由于珊瑚本身具有多孔的物理性質，水泥漿體會充分滲入到珊瑚骨料的內部空腔，形成致密的復合骨料，這也是海水海砂珊瑚混凝土強度較之淡水河砂碎石混凝土高的一大原因。總體而言，三類混凝土的強度等級均滿足C30設計強度等級目標。

圖9 能量等值法確定屈服點Fig.9 Determination of yield point using energy equivalence method

表4 混凝土靜力受壓應力-應變曲線試驗結果Tab.4 Results of stress-strain curves tested under static compression

圖10 電鏡掃描圖片Fig.10 Scanning electron microscope images

從應變的角度看，海水海砂珊瑚混凝土的屈服應變、峰值應變以及破壞應變均比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大，這是由于珊瑚骨料內部的孔洞在受壓過程中變形造成的。在三類混凝土中，海水海砂珊瑚混凝土的應變延性系數最小，這也很好地印證了前述破壞過程的特點，即這是由于珊瑚骨料脆性較大引起的。此外，海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的均值特征應變和應變延性系數都較為接近，表明海水替換淡水、海砂替換河砂在變形和延性方面的影響不顯著。

2.2 動態力學性能

2.2.1 破壞形態

由于5組重復試驗的破壞形態相似，故每一類型的每組混凝土在每個氣壓下取一個試塊的破壞形態予以討論，相應的破壞形態如圖11所示。由圖11可見，淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土試塊的破碎程度均隨著沖擊氣壓(也即應變率)的增加而增大。混凝土試塊經0.3 MPa氣壓加載后還存在較大的塊狀碎塊，而經0.9 MPa氣壓加載后混凝土試塊被撞擊成尺寸更小、破碎更均勻的碎塊，同時伴隨著粉末狀破碎物的產生。對比三種混凝土的破壞形態發現，在相同沖擊氣壓下，不同類型的混凝土破壞形貌雖然相似但其破壞情況有所側重：淡水河砂碎石混凝土與海水海砂碎石混凝土的破碎主要呈塊狀，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎為片條狀，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的碎塊主要是碎石塊，其發生在水泥漿體與碎石骨料之間，而海水海砂珊瑚混凝土的破碎直接貫穿珊瑚骨料，這與靜態受壓試驗下的破壞形態較為一致。

圖11 不同氣壓下混凝土的破壞形態Fig.11 Failure pattern of concrete under different pressures

2.2.2 動態受壓應力-應變全曲線

淡水河砂碎石混凝土、海水海砂碎石混凝土、海水海砂珊瑚混凝土在實測應變率(分別對應0.3 MPa，0.6 MPa和0.9 MPa沖擊氣壓)下的動態受壓應力-應變關系曲線，如圖12所示。與靜態受壓試驗結果一樣，每一類型混凝土5組重復試驗之間存在一定的離散性，但整體差異不大。由圖12可見，高應變率下的混凝土受壓應力-應變全曲線包絡了低應變率下的全曲線；相應地，初始割線模量、峰值應力和峰值應變都隨應變率的增加而增長。對比靜態受壓應力-應變關系曲線可知，動態荷載下的受壓應力-應變全曲線各階段應力和應變均比靜態的要大，表明應變率效應十分顯著。5組重復試驗的峰值應力和峰值應變均值，如表5所示。與靜力受壓試驗結果類似，同條件下海水海砂珊瑚混凝土的動態峰值應力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小；同樣地，海水海砂珊瑚混凝土的動態峰值應變比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的要大。可見，即便混凝土受力形式有所改變，但其內在的材料屬性依然決定了各自混凝土的宏觀力學性能，即靜態荷載下的一般規律依然適用于動態荷載，只是應變率效應改變了混凝土受力性能的量級。

圖12 混凝土動態受壓應力-應變曲線Fig.12 Dynamic compression stress-strain curves of concrete

表5 混凝土動態受壓應力-應變曲線試驗結果Tab.5 Results of stress-strain curves tested under dynamic compression

2.2.3 能量吸收密度

沖擊荷載帶來的能量主要被試塊吸收，并隨著試塊的破碎被耗散，試塊每單位體積吸收的能量定義為能量吸收密度(ω)，其為衡量混凝土在沖擊荷載作用下抵抗破碎能力的指標[27]。能量吸收密度可按式(2)計算

(2)

需特別指出的是，出于可靠性方面的考慮，峰值應力后混凝土試塊的能量吸收密度難以用來衡量其能量耗散能力，基于Xiong等給出的建議，文中取峰值應力點處能量吸收密度的大小來討論。表5列出了SHPB試塊在峰值應力點處的能量吸收密度均值。三類混凝土試塊的能量吸收密度與應變之間的變化關系，如圖13所示。由圖13可見，所有混凝土在峰值應力點處的能量吸收密度均隨著應變率的增加而增大，這主要是因為應變率越大表征沖擊荷載輸入給混凝土試塊的能量越多，致使材料的破壞程度也越發顯著，這與前述破壞狀況是相對應的。海水海砂珊瑚混凝土的能量吸收密度大于淡水河砂碎石混凝土的能量吸收密度，這是由于珊瑚骨料疏松多孔的內部結構和粗糙復雜的外部形貌與膠凝材料的結合較為致密，而天然碎石骨料相比而言則光滑得多，使發生同等程度的破壞時所需的能量便隨之增大。此外，海水海砂碎石混凝土的能量吸收密度小于淡水河砂碎石混凝土的能量吸收密度，其內在成因在于海水、海砂中的氯離子、硫酸根離子與水泥的水化物發生化學反應生成膨脹性物質如高硫酸鋁酸鈣，使混凝土內部組織的內聚作用減小，在同等沖擊荷載作用下發生破壞的概率增大。

圖13 能量吸收密度與應變的關系Fig.13 Relationship between energy absorption density and strain rate

2.2.4 動態受壓強度與動態強度放大系數

三類混凝土動態受壓強度與應變率之間的關系，如圖14所示。由圖14可見，無論何種類型的混凝土，其動態受壓強度隨應變率的增加而增大。究其原因在于應變率越大混凝土試塊吸收的能量越多，大量能量聚集于試塊內部而不能被迅速耗散出去，使試塊處于高應力狀態。據此，引入動態強度放大系數(DIF)用以表征混凝土強度的應變率效應，其數學含義為動態受壓強度與對應靜態受壓強度的比值，相應的計算公式可表示為

(3)

圖14 動態強度與應變率的關系Fig.14 Relationship between dynamic strength and strain rate

所有混凝土5次重復試驗的DIF測試結果，如表5所示。三類混凝土DIF與應變率之間的關系，如圖15所示。其中，CEB是基于歐洲混凝土規范CEB[28]給出的混凝土DIF與應變率有關的預測曲線。由圖15可見，三類混凝土的DIF隨應變率的變化趨勢與基于歐洲混凝土規范CEB的預測曲線基本一致，其中淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的DIF均低于歐洲混凝土規范CEB的預測值，而海水海砂珊瑚混凝土的DIF與預測曲線最吻合且大于淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的DIF，表明海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的應變率效應更加顯著，這與2.2.3節中海水海砂珊瑚混凝土的能量吸收密度大于淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的能量吸收密度相契合，同時也印證了珊瑚骨料本身就屬于應變率敏感性材料這一發現[29]。

圖15 動態放大系數DIF與應變率的關系Fig.15 Relationship between DIF and strain rate

2.2.5 動態應變延性系數

三類混凝土5次重復試驗的動態延性系數及其平均值見表5。三類混凝土應變延性系數與應變率之間的關系，如圖16所示。由圖16可見，無論靜態還是動態荷載作用下，海水海砂珊瑚混凝土的應變延性系數在三類混凝土中最小，海水海砂碎石混凝土次之，淡水河砂碎石混凝土最大；淡水河砂碎石骨料和海水海洋骨料混凝土的應變延性系數均隨著應變率的增大而提高。在靜力受壓和應變率為30～35 s-1動態作用下，三類混凝土的應變延性系數較為接近；而在應變率約為70 s-1和80 s-1動態作用下，三類混凝土的應變延性系數差異較大，差異幅度在14%以內。

圖16 延性系數與應變率的關系Fig.16 Relationship between ductility factor and strain rate

3 結 論

本文利用155 mm大直徑分離式霍普金森壓桿試驗裝置完成了淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土在三種應變率效應下的動態力學性能試驗，并與其在靜力荷載作用下的受壓性能進行了對照分析，所得結論如下：

(1) 淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破壞面在于骨料與水泥漿體的界面區，而海水海砂珊瑚混凝土的薄弱點為珊瑚骨料本身。

(2) 淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土的破碎程度、峰值應力(也即受壓強度)、峰值應變、能量吸收密度、動態強度放大系數均隨應變率的增加而增大。

(3) 在同級應變率下，海水海砂珊瑚混凝土的動態峰值應力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小，而應變延性系數正相反。

(4) 海水海砂珊瑚混凝土的動態峰值應變和能量吸收密度比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大。

(5) 基于歐洲混凝土規范CEB的預測曲線基本能反映海水海洋骨料混凝土動態強度放大系數與應變率之間的關系，而相應的吻合程度也體現了海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的應變率效應更加顯著。