島礁全珊瑚混凝土的力學性能及提升措施

達波， 馮基恒， 倪雷， 王佳怡， 方琳濤， 賀藝航， 陳達,2

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

在人類社會不斷發展的大背景下，陸地資源十分有限，世界上具有海洋權益的國家將戰略目標轉移至具有豐富礦產和石油資源的海洋。然而在遠離大陸的熱帶島礁上建設和修復建筑工程，有時不得不從大陸用船舶運輸大量的砂石和淡水，不僅運費高昂，而且受風浪等自然條件限制，工期難以保證[1-5]。

為滿足島礁建設的需求，珊瑚混凝土(coral aggregate concrete，CAC)的研究應用日益增多[6]，眾多學者研究發現，利用珊瑚作為骨料配制混凝土是可行的[4,7-8]。CAC是一種以島礁上豐富的珊瑚礁砂資源為骨料制備的混凝土，能夠極大減少工程建設成本，縮短建設工期[9]。目前，根據混凝土粗、細骨料的替換情況，可將珊瑚混凝土分為全珊瑚混凝土(all coral aggregate concrete，ACC)、珊瑚河砂混凝土和碎石珊瑚砂混凝土3類[6-7,10]。在遠海島礁環境惡劣、資源匱乏的條件下，采用ACC對于遠海油氣鉆采平臺、人工島礁等基礎設施建設更具實際工程意義[10]。

基于此，本文采用試驗和理論分析相結合的方法，對ACC的基本力學性能研究現狀進行梳理，建立ACC的軸心抗壓強度(fc)、劈裂抗拉強度(fsp)、抗折強度(ft)與立方體抗壓強度(fcu)之間的轉換模型，探明ACC與輕骨料混凝土、普通骨料混凝土等其他種類混凝土力學性能的異同，提出ACC力學性能的改善措施，對深遠海島礁ACC結構的設計、施工具有重要指導意義。

1 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度

1.1 數學模型

實際工程中受壓構件的長度常比其截面尺寸大得多，因此軸心抗壓強度(fc)比立方體抗壓強度(fcu)更能反映混凝土的實際抗壓能力。而目前常采用立方體試件評定混凝土的強度等級，因此，建立混凝土fc和fcu之間的轉換關系非常必要。近年來，糜人杰[11]、Huang[12-13]、達波[14-17]、蘇晨[18]、高屹[19]等眾多學者開展了fc與fcu的研究，并提出ACC的fc和fcu之間的轉換關系(見表1)。

表1 全珊瑚混凝土fc與fcu的轉換關系Table 1 The transform relationships between fc and fcu of ACC

對高屹等[19]的實驗數據進行分析，發現強度等級高于C50的ACC，其fc隨fcu的改變上下浮動，fc和fcu之間沒有明顯的線性關系。圖1為全珊瑚混凝土fc與fcu之間的關系。通過對糜人杰[11]、Huang[12-13]、達波[14-17]、蘇晨[18]等的實驗數據進行綜合分析，建立了強度等級為C20～C50的全珊瑚混凝土fc和fcu之間的轉換關系(見表1)。

圖1 全珊瑚混凝土的fc與fcu之間的關系Fig.1 Relationship between fc and fcu of ACC

1.2 不同種類混凝土對比

圖2為全珊瑚混凝土(ACC)、輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LAC)、普通骨料混凝土(ordinary aggregate concrete,OAC)的fc和fcu之間的對比關系。表2為ACC、LAC、OAC的fc與fcu的轉換關系。由圖表可知：ACC的fc隨fcu增長速率與OAC基本相似，并且相同強度等級ACC的fc高于OAC。ACC的fc隨fcu增長速率明顯低于LAC，對于強度等級較低的ACC，其fc要高于LAC，但隨著強度等級的提升，ACC的fc逐漸低于LAC。其原因在于[11,14,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料間的機械咬合力更大，強度相對高于其他兩類混凝土。但隨著強度等級提高，珊瑚骨料本身脆性大的“缺陷”凸顯，導致ACC強度要略低于LAC。

圖2 不同種類混凝土fc與fcu之間的對比關系Fig.2 Relationship between fc and fcu of different kinds of concrete

表2 不同種類混凝土fc與fcu的轉換關系Table 2 The transform relationships between fc and fcu of different kinds of concrete

同時，考慮珊瑚骨料孔隙率高，脆性大的“缺陷”[18,20-22]，建議采用本身強度較高的鹿角狀珊瑚骨料(其內部多為閉合小孔隙)和選用新型海工水泥、劍麻纖維等輔助材料，能有效提升ACC的強度等級。

2 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度

2.1 數學模型

混凝土的劈裂抗拉強度(fsp)與混凝土的抗裂性能密切相關，是建筑物結構正常極限承載力計算中控制裂縫寬度和裂縫間距的主要指標，同時也是抵抗由于溫度變形導致開裂的重要因素[11]。近年來，陳兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吳彰鈺[28]等眾多學者開展了fsp與fcu的研究，并提出ACC的fsp和fcu之間的轉換關系(見表3)。

表3 全珊瑚混凝土fsp與fcu的轉換關系Table 3 The transform relationships between fsp and fcu of ACC

圖3為全珊瑚混凝土fsp與fcu之間的關系。通過對陳兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吳彰鈺[28]等的實驗數據進行綜合分析，建立了強度等級為C20～C50的全珊瑚混凝土fsp和fcu之間的轉換關系(見表3)。

圖3 全珊瑚混凝土的fsp與fcu之間的關系Fig.3 Relationship between fsp and fcu of ACC

2.2 不同種類混凝土對比

圖4為全珊瑚混凝土(ACC)、輕骨料混凝土(LAC)、普通骨料混凝土(OAC)fsp和fcu之間的對比關系。表4為ACC、LAC、OAC的fsp與fcu的轉換關系。由圖表可知：ACC的fsp隨fcu增長的速率明顯大于OAC。ACC與LAC進行比較，ACC的fsp與LAC十分接近，相同強度等級條件下，ACC的fsp僅比LAC高5%左右。主要原因在于[11-12,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料間的機械咬合力更大，導致ACC強度增長速率高于OAC。

圖4 不同種類混凝土fsp與fcu之間的對比關系Fig.4 Relationship between fsp and fcu of different kinds of concrete

表4 不同種類混凝土fsp與fcu的轉換關系Table 4 The transform relationships between fsp and fcu of different kinds of concrete

3 抗折強度與立方體抗壓強度

混凝土路面由于直接受車輛荷載的重復作用及環境因素的影響，因而要求混凝土應具有較高的抗折強度(ft)。本文統計了ACC與橡膠骨料混凝土(Rubber aggregate concrete，RAC)、OAC的ft和fcu的轉換關系(見表5)。圖5為ACC、RAC、OAC的ft和fcu之間的關系。由圖表可知：在強度等級為C30左右時，ACC的ft略高于RAC和OAC，隨著強度等級的提高，ACC的ft明顯低于RAC和OAC，原因在于：珊瑚骨料具有孔隙率高，脆性大的“缺陷”[18,20-22]，導致ACC的抗彎性能劣于RAC、OAC。

圖5 不同種類混凝土ft與fcu之間的對比關系Fig.5 Relationship between ft and fcu of different kinds of concrete

表5 不同種類混凝土ft與fcu的轉換關系Table 5 The transform relationships between ft and fcu of different kinds of concrete

4 力學性能提升措施

綜上研究表明，ACC能滿足工程建設需求。此外熱帶島礁溫度高、濕度大、鹽度高等環境特點[33-35]，加速其力學性能劣化，因此，亟需提升ACC的力學性能。目前主要通過摻入纖維、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施提升ACC力學性能。

1) 摻入外加纖維可以有效提高ACC的強度等級。文獻[36-41]通過摻入聚丙烯纖維、鋼纖維與玄武巖纖維等纖維，發現能有效提高ACC的fsp與ft。為了解決ACC的脆性問題，吳彰鈺等[42]采用新型海工水泥和劍麻纖維制備了一種具有高韌性的新型ACC，發現其fc隨fcu增長的速率更快，力學性能顯著提升。文獻[43-48]發現摻入適量劍麻纖維對ACC的強度也有明顯改善。

2) 改善骨料特性可以提升ACC的強度等級。考慮珊瑚骨料孔隙率高、脆性大等天然“缺陷”，竇雪梅[49]、蘇晨[18]等建議采用本身抗壓強度高的鹿角狀珊瑚骨料(其內部多為閉合小孔隙)制備ACC，其強度顯著高于一般珊瑚骨料。此外，ACC脆性具有明顯的尺寸效應[50]。當ACC的截面尺寸增大，尤其是高寬比增大時，脆性指數降低，脆性增大，所以工程中應采取適中的截面尺寸，在保證強度的同時減小脆性帶來的不利影響。

3) 其他措施。摻入硅灰能有效提升ACC的fcu及fsp，但最佳摻量(20%～30%[51-55])明顯高于OAC。張呈強[56]等研究了配合比對ACC強度的影響，指出ACC的抗壓強度隨著珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表現出先增后減的變化規律，隨著水泥用量增大而增大。利用骨料高孔隙率的特征，充分發揮其“吸水”、“返水”作用，可以提高ACC的密實性，進而提升強度[57-58]。

5 結論

1) 全珊瑚混凝土(ACC)的軸心抗壓強度fc與立方體抗壓強度fcu之間具有明顯的線性關系。ACC的fc隨fcu增長規律與普通骨料混凝土(OAC)基本相似。ACC的fc隨fcu增長速率明顯低于輕骨料混凝土(LAC)，對于強度等級較低的ACC，其fc高于LAC，但隨著強度等級的提升，ACC的fc逐漸低于LAC。

2) ACC的劈裂抗拉強度fsp與fcu之間具有明顯的線性關系。ACC的fsp隨fcu增長速率明顯大于OAC，與LAC基本相似，相同強度等級條件下，ACC的fsp僅比LAC高5%左右。

3) ACC的抗折強度ft與fcu之間具有明顯的線性關系。相同配合比ACC的ft明顯低于OAC和橡膠骨料混凝土(RAC)，導致ACC的抗彎性能劣于RAC、OAC。

4) 由于珊瑚骨料本身具有孔隙率高、脆性大等天然“缺陷”，同時ACC處于高溫、高濕、高鹽的熱帶島礁環境，建議通過摻入纖維、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施，改善ACC的力學性能。