高強珊瑚混凝土(HSCC)單軸受壓性能試驗研究

張繼旺，黃滿鋒，蘇仕參，易 金，覃慶龍，王 磊

(1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004； 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071)

0 引 言

高性能混凝土(high performance concrete, HPC)因具有高抗壓強度、高韌性、高耐久性和良好耐磨性等優(yōu)異性能，得到了國內(nèi)外科研和工程人員的高度關(guān)注[1-2]，并解決了橋梁結(jié)構(gòu)、抗爆結(jié)構(gòu)及大型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等工程復(fù)雜受力和加固問題[3-4]。但珊瑚混凝土存在強度低、孔隙率高和脆性大等問題，使得珊瑚混凝土只能應(yīng)用于一般構(gòu)筑物、墊層和防坡堤壩等基礎(chǔ)工程[5-6]。隨著“海洋強國”的提出和應(yīng)用范圍逐步擴大，珊瑚混凝土研究已成為了一個熱點問題，國內(nèi)外研究人員對其改性增強、破壞機理分析等進行了大量研究[6-8]。胡堯等[9]通過珊瑚砂和空心玻璃微珠替代石英砂制備超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)發(fā)現(xiàn)，采用處理過的珊瑚砂替代石英砂仍能制備出抗壓強度超過120 MPa的UHPC，抗壓強度僅比未替換時降低12.7%。陳飛翔等[10]研究表明，珊瑚礁砂UHPC的最佳膠砂質(zhì)量比為1 ∶1，珊瑚礁砂的最佳質(zhì)量取代比例為30%。張志豪等[11]研究指出，珊瑚礁石粉對UHPC的流變性能、流動度和強度存在較大的影響，其成核效應(yīng)促進了膠凝材料的水化作用，形成更為致密的結(jié)構(gòu)。目前，制備更高強度珊瑚混凝土應(yīng)用于臺風(fēng)侵襲、高速海浪沖刷甚至突發(fā)爆炸沖擊等極端動荷載作用下的基礎(chǔ)防護工程已成為業(yè)內(nèi)學(xué)者重點關(guān)注的方向。

高強珊瑚混凝土(high strength coral concrete， HSCC)是一種具有較高力學(xué)性能和致密結(jié)構(gòu)的新型水泥基復(fù)合材料，為改善其脆性特征，往往在HSCC中摻入纖維，提高材料的韌性和抗拉強度。王磊等[8]研究表明，纖維材料能明顯改善珊瑚混凝土的脆性，增加韌性，使其抗折性能顯著提高，改變珊瑚混凝土的破壞形態(tài)，試件破壞時依然能保持良好的整體性。王星堯[12]采用細(xì)度模數(shù)為2.0的珊瑚砂，摻加體積率為2.0%的鋼纖維制備出抗壓強度為146.7 MPa的地聚合物基超高強珊瑚混凝土，但鋼纖維在珊瑚混凝土中的氯鹽侵蝕行為仍不明確。目前，關(guān)于HSCC的研究較少，對其單軸受壓性能的研究有助于進一步了解HSCC的強度特征、破壞模式和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，解決島礁高強混凝土設(shè)計或防護結(jié)構(gòu)應(yīng)用等問題。

因此，本文通過優(yōu)化珊瑚砂摻量和膠凝材料配合比，摻加輕質(zhì)、耐腐蝕的聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)制備HSCC，進行基本力學(xué)性能、破壞機理和單軸受壓作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線等方面的研究，為珊瑚混凝土推廣應(yīng)用及海洋島礁工程設(shè)計施工提供必要的參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

珊瑚砂照片如圖1所示，表觀密度為2 553 kg/m3，堆積密度為1 527 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.17，吸水率為4.98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。膠凝材料采用P·II 52.5硅酸鹽水泥、一級粉煤灰(fly ash, FA)和硅灰(silica fume, SF)，膠凝材料的主要化學(xué)成分如表1所示。拌合水為參考美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMD 1141—2003配制的人工海水，摻加減水率為25%的聚羧酸系高性能減水劑、聚醚改性有機硅消泡劑以及粒徑約為1.7 μm的石英粉(quartz powder, QP)。纖維采用如圖2所示的PPF，摻量為4 kg/m3(體積率為0.43%)，其基本參數(shù)如表2所示。

圖1 珊瑚砂照片F(xiàn)ig.1 Coral sand photograph

圖2 PPF照片F(xiàn)ig.2 PPF photograph

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical components of cementitious materials

表2 PPF基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of PPF

1.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 12—2019)、高性能輕骨料配合比設(shè)計原則及富漿混凝土理論[13]，采用最大容重的顆粒級配進行試配，并通過調(diào)整膠凝材料總量、水膠比(W/B)和砂摻量，最終設(shè)計HSCC的強度等級為C105。為改善HSCC的脆性特征，參考文獻[2,8]摻入適量的PPF進行改性增強，A、B兩組HSCC的配合比如表3所示，其中A組為不摻加纖維的對照組。

表3 HSCC配合比Table 3 Mix ratio of HSCC

1.3 試件制作

采用分批投料的方式，將70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水泥、珊瑚砂、石英粉、外加劑等原材料置于攪拌機中干拌1 min，然后加入人工海水濕拌3～5 min，再將剩余材料投入繼續(xù)攪拌3～5 min，出料后分別澆筑標(biāo)準(zhǔn)尺寸(150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm)的HSCC試件。24 h后拆模放置于(20±2) ℃的人工海水中養(yǎng)護，28 d后采用YAW-3000kN萬能試驗機和NJ-BSJ型真空保水機測量HSCC基本力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 HSCC基本力學(xué)性能參數(shù)Table 4 Basic mechanical performance parameters of HSCC

1.4 試驗方法

參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，采用YEW-5000kN高剛度電液伺服壓力試驗機對養(yǎng)護28 d后的棱柱體試塊進行應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€測量。其中變形采用千分表進行測量，并采用雙攝像頭對顯示器和千分表進行同步錄像取數(shù)，且在兩側(cè)的豎向和橫向粘貼膠基式BX120-50AA應(yīng)變片測量混凝土應(yīng)變；加載系統(tǒng)采用位移控制和力控制，破壞前加載速率為0.5～1.0 kN/s，破壞后按0.5 mm/min的速率進行加載。另外，對試件進行取芯觀察和電鏡掃描，觀察HSCC宏觀孔隙和骨料填充效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 HSCC的破壞特征

HSCC破壞形態(tài)如圖3所示，未摻加纖維的A組試件為脆性破壞，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%～85%時，試塊表面開始出現(xiàn)少量的豎向裂縫，應(yīng)力峰值時表現(xiàn)為爆炸性破壞模式，內(nèi)部具有與普通混凝土相似的上下倒三角破壞形態(tài)特征。摻纖維的B組試件表現(xiàn)為延性破壞，破壞時宏觀裂縫相對較少，主要為豎向裂縫和少量橫向裂縫，纖維的橋接作用使試件整體性保留較好，荷載達(dá)到應(yīng)力峰值后仍具有一定的承載力。

對HSCC的棱柱體試件進行單軸受壓試驗時發(fā)現(xiàn)，荷載達(dá)到峰值應(yīng)力的80%～90%時，A、B組試件靠近中間位置開始出現(xiàn)豎向貫穿裂縫，接近應(yīng)力峰值時，表面開始有少量混凝土剝落。破壞模式的不同導(dǎo)致A組試件破壞時完全失去承載作用，B組試件破壞后仍能繼續(xù)承載，加載結(jié)束后的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖3 HSCC的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of HSCC

圖4 HSCC棱柱體單軸受壓破壞形態(tài)Fig.4 Uniaxial compression failure mode of HSCC prism

2.2 HSCC的強度特征關(guān)系

較多學(xué)者[8,14-15]認(rèn)為,珊瑚混凝土的彈性模量低于普通混凝土，并隨強度的提高而提高。彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系如圖5所示。強度等級為C60時珊瑚混凝土彈性模量與普通混凝土基本相近；強度等級超過C60時，珊瑚混凝土彈性模量的增長速度開始減緩，彈性模量與抗壓強度呈一種非線性關(guān)系。相同條件下，珊瑚混凝土的強度主要由砂率來控制，珊瑚粗骨料與細(xì)骨料的比例越低則強度越高。當(dāng)細(xì)骨料完全取代粗骨料制備成HSCC時，HSCC彈性模量大約為44.71 GPa，與同種強度等級的高強混凝土基本相近。

軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值如圖6所示，HSCC的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值基本在0.86～0.94，而普通珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值在0.75～0.97，均高于普通混凝土。分析認(rèn)為，主要是珊瑚骨料具有吸水、返水作用的微管系統(tǒng)[16]，吸水作用能降低水灰比而提升“骨料-水泥石”界面強度，水泥水化過程中骨料排出水分有利于界面水泥石充分水化，這種“微泵”作用使結(jié)構(gòu)變得更為密實。需要注意的是，制備HSCC的珊瑚細(xì)骨料同樣存在粗骨料的“微泵”特征，但細(xì)骨料形狀更為規(guī)則，孔隙小且內(nèi)部幾乎不存在較大“空腔”，比水泥更為細(xì)小的硅灰和粉煤灰進入孔隙填充和水化，間接提高了骨料的強度，成為制備高性能甚至超高性能珊瑚混凝土的關(guān)鍵。

理論上，摻加纖維可以大大提高混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度。但HSCC中，B組試件的劈裂抗拉強度提高了5.2%～6.3%，抗折強度提高了10.7%～12.9%，與普通強度的纖維珊瑚混凝土相比，其抗折強度增幅有所降低，劈裂抗拉強度變化范圍不大，珊瑚混凝土力學(xué)性能如表5所示。主要是由于珊瑚混凝土中粗骨料面積占比較大，所需的最佳纖維較低，而HSCC屬于珊瑚砂水泥基復(fù)合材料，所需的纖維摻量應(yīng)該與活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)、工程水泥基復(fù)合材料(engineering cementitious composites, ECC)(體積率為1%～3%)等類型混凝土相近。盡管PPF摻量較低，與A組試件的爆炸性破壞模式相比，B組試件已有較為明顯的延性破壞特征，纖維的橋接作用使HSCC破壞后仍保存較好的整體性和一定的承載能力。較多研究[2,6,8]表明，摻加大量纖維在一定程度上影響混凝土的抗壓強度和流動性能，導(dǎo)致內(nèi)部界面微裂縫和局部應(yīng)力集中，強度降低。

圖5 彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between elastic modulus and cube compressive strength

圖6 軸心抗壓強度(fc)與立方體抗壓強度(fcu)比值Fig.6 Ratio of axial compressive strength (fc) to cube compressive strength (fcu)

表5 珊瑚混凝土力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of coral concrete

2.3 HSCC的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖7為HSCC表面應(yīng)變片實測曲線和位移測量的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)全曲線。從圖7(a)發(fā)現(xiàn)，荷載到達(dá)應(yīng)力峰值的80%～90%(85～97 MPa)時，HSCC開始出現(xiàn)裂縫或表面混凝土剝落，導(dǎo)致應(yīng)變片失效。圖7(b)為不同類型、不同強度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，結(jié)合應(yīng)變片實測曲線對比發(fā)現(xiàn)：(1)HSCC應(yīng)變達(dá)到1.83×10-3附近時，原本近似線性的曲線開始發(fā)生變化，說明混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，彈性極限位置較高。(2)未摻加PPF的HSCC從微裂縫產(chǎn)生、積累到破壞的過程比普通混凝土短，能量釋放十分迅速，強度等級超過C80時均表現(xiàn)為爆炸性破壞而無法測量下降段曲線；摻加PPF的HSCC具有明顯的下降段曲線，基本在極限強度的20%～30%進入殘余強度轉(zhuǎn)折點。(3)應(yīng)力水平相同時，珊瑚混凝土(C60以下)的變形量比普通混凝土大，骨料貫穿破壞的特點使骨料與水泥石無法產(chǎn)生機械咬合力，下降段曲線更陡峭，殘余強度低于同強度等級的普通混凝土。(4)應(yīng)變一般在1.5×10-3～2×10-3時珊瑚混凝土開始產(chǎn)生宏觀裂縫[15]，略晚于同強度等級的普通混凝土(1.4×10-3～1.8×10-3)，宏觀上表現(xiàn)為曲線的“大變形階段”比普通混凝土的短。

為了更直觀地反映上升段與下降段的差異以及殘余強度的變化特點，采用應(yīng)力(σ)與應(yīng)力峰值(σ0)比值、應(yīng)變(ε)與應(yīng)變峰值(ε0)比值繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，σr為殘余應(yīng)變。不同類型混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖8所示，HSCC上升段線性特征比較明顯，σ/σ0隨ε/ε0的變化趨勢基本一致。普通珊瑚混凝土上升段曲線與普混凝土基本相似，ε/ε0隨σ/σ0的增大而逐漸增大。下降段中，HSCC、普通珊瑚混凝土和輕骨料混凝土的曲線比普通混凝土的陡峭，而珊瑚混凝土陡峭程度更高，說明珊瑚混凝土和輕骨料混凝土脆性比普通混凝土大，輕骨料混凝土的脆性更為明顯。主要原因是三者的破壞模式有所不同，普通混凝土到達(dá)應(yīng)力峰值之后，骨料與水泥石之間的機械咬合力能減緩應(yīng)力的下降，骨料貫穿破壞模式的珊瑚混凝土幾乎不存在機械咬合力，但骨料吸水、返水作用使“骨料-水泥石”界面強度高于輕骨料混凝土，σr降低速度相比有所減緩。

由圖8(b)可知，HSCC的σr/σ0比值約為0.3，珊瑚的σr/σ0比值為0.292～0.525，說明兩者破壞后仍具有較高的殘余強度，但HSCC的殘余強度在破壞后迅速降低。隨著強度的提高，σr/σ0比值反而越低，說明珊瑚混凝土強度越高脆性越大，不摻加纖維的HSCC不存在下降段。摻加PPF的HSCC的下降段整體趨勢與輕骨料混凝土較為相近，都是破壞后強度迅速降低，結(jié)構(gòu)設(shè)計中不建議考慮下降段的殘余強度。

圖7 HSCC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.7 Stress-strain full curves of HSCC

圖8 不同類型混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.8 Stress-strain full curves of different types of concrete

2.4 HSCC的孔隙率及干表觀密度

采用真空飽水的方法測量HSCC的含水率能較大程度反映其孔隙率范圍，以此方法實測得到的HSCC的孔隙率約在4.7%～6.9%，高于同等強度的普通混凝土[20]。主要是因為珊瑚砂表面粗糙，流動性比普通河砂低，且骨料自身含有大量開放孔隙，水泥漿難以完全填充。HSCC的干表觀密度基本在2 230～2 310 kg/m3，比珊瑚混凝土(1 850～2 150 kg/m3)約高7.4%～24.9%，說明HSCC的密實度有了較大的提升。

為了觀察HSCC宏觀孔隙和骨料孔隙填充情況，對試件進行取芯觀察及電鏡掃描。HSCC與珊瑚混凝土宏觀孔隙如圖9所示，HSCC僅有少量的宏觀孔隙，主要為水化反應(yīng)或振搗過程中形成的氣體未能及時排出而產(chǎn)生的氣泡孔。與普通珊瑚混凝土相比，骨料粒徑越小的混凝土內(nèi)部更容易形成規(guī)則穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，且?guī)缀醪淮嬖诠橇席B合(集中)增大局部缺陷的情況。骨料剖面SEM照片如圖10所示，骨料表面水泥漿填充較好，但內(nèi)部仍存在較多的未填充孔隙，尤其是骨料中心區(qū)域。初步分析認(rèn)為，骨料內(nèi)部封閉孔隙容易造成填充中斷，孔徑形狀大小同樣影響水泥漿的滲入，且孔隙內(nèi)部空氣壓力也是水泥漿滲透填充的主要影響因素。如果能用太空混凝土制備方法，在真空或低氣壓條件下進行攪拌出料，理論上可以進一步減少水泥石的毛細(xì)管孔，提升骨料的填充體積。

圖9 HSCC與珊瑚混凝土宏觀孔隙Fig.9 Macro pores of HSCC and coral concrete

圖10 骨料剖面SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of aggregate profile

3 結(jié) 論

(1)未摻加纖維的HSCC失效模式為爆炸性破壞，摻加體積率為0.43%的PPF的HSCC表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征，破壞后其應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€具有殘余強度約為0.3σ0的下降段，但殘余強度降低速度很快，與輕骨料混凝土基本相似。

(2)HSCC中骨料與水泥石應(yīng)力傳遞特征并未發(fā)生明顯改變，其軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值基本在0.86～0.94，而普通珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值在0.75～0.97，均高于普通混凝土。珊瑚細(xì)骨料與水泥石形成更為穩(wěn)定規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，孔隙小且內(nèi)部幾乎不存在“空腔”情況。

(3)HSCC應(yīng)變達(dá)到1.83×10-3附近時微裂縫開始積累，變形開始增大，并在應(yīng)力峰值的80%～90%(85～97 MPa)時出現(xiàn)明顯的宏觀裂縫；應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的上升段線性特征比較明顯，彈性極限位置較高。

(4)HSCC的孔隙率約為4.7%～6.9%，干表觀密度基本在2 230～2 310 kg/m3，比普通珊瑚混凝土高7.4%～24.9%，整體密實度較高，骨料邊緣孔隙填充較為良好。

(5)與普通珊瑚混凝土纖維摻量相近時，HSCC劈裂抗拉強度和抗折強度提升效果并不是特別明顯，建議考慮增大纖維體積摻量進一步系統(tǒng)研究。