全珊瑚海水混凝土靜動態力學性能與數值模擬

麻海燕， 余紅發，*， 郭建博， 梅其泉， 劉 婷

（1.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211106； 2.三江學院 土木工程學院，江蘇 南京 210012）

中國南海諸島大部分為珊瑚島礁，具有豐富的珊瑚資源.自中國提出“一帶一路”和“海洋強國”等戰略后，對南海諸島基礎設施的建設已初具規模.為降低成本，縮短建設周期和解決原材料來源等問題，在不破壞島礁現有生態壞境的前提下，就地取材，充分利用珊瑚碎屑和珊瑚砂來代替普通砂石骨料，用海水加以拌和制備全珊瑚海水混凝土（CASC）. 在對工程結構，尤其是一些軍事防護工程及重要設施進行設計和分析時，既要考慮基本受力情況，也要考慮沖擊、爆炸等因素. 因此，深入研究CASC 高溫前后的靜動態力學性能、抗侵徹和防爆性能，對保證島礁工程的結構安全具有重要理論意義和較高實用價值.

鑒于此，本文介紹了本課題組自2018 年以來開展的CASC 系列研究成果，其中包括CASC 的靜態力學性能[1-8］、動態力學性能[2-3，，9-13］、抗侵徹與抗爆炸性能[14-16］和數值模擬[17-23］等.這些研究不僅為島礁工程建筑的多維度評定提供參考依據，還為CASC 在島礁工程中的應用提供了基礎數據和理論支持.

1 試驗

1.1 原材料

水泥選用南京江南-小野田水泥有限公司產P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥和沈陽市嘉寶環球實業有限公司產52.5 型堿式硫酸鎂水泥，其中后者的主要成分是輕燒氧化鎂、硫酸鎂、磨細礦渣與核心外加劑，具有較高的韌性.粉煤灰（FA）為南京電熱廠生產的Ⅰ級粉煤灰.礦渣（SG）為江蘇江南粉磨公司S95 級磨細礦渣.珊瑚和珊瑚砂均來自南海某島礁，其中珊瑚為5～15 mm 連續級配，珊瑚砂為中砂，細度模數2.44.減水劑為江蘇蘇博特新材料有限公司聚羧酸高效減水劑.人工海水為3.5%的NaCl 溶液.劍麻纖維為廣西劍麻集團產劍麻纖維，直徑為0.03 mm.

1.2 配合比

基于高性能輕骨料混凝土（采用輕骨料配制出的混凝土，其表觀密度不大于1 950 kg/m3）配合比設計原理及富漿理論[1］，來配制C30～C70 強度等級的CASC. 試件制備及試驗方法參考文獻[1］.

2 結果與討論

2.1 準靜態單軸受壓試驗

2.1.1 常溫下的力學性能

2.1.1.1 彈性模量

圖1 為4 種混凝土彈性模量Ec與軸心抗壓強度fc的關系. 圖中CASC 為全珊瑚海水混凝土、SFCASC 為劍麻纖維全珊瑚海水混凝土、BMSCCASC 為堿式硫酸鎂水泥全珊瑚海水混凝土、BMSCC 為堿式硫酸鎂水泥混凝土.由圖1 可見：4 種混凝土的彈性模量均隨著軸心抗壓強度的增大逐漸增大；由于C30 強度等級的SFCASC 存在劍麻上浮現象，導致試件承載力降低，從而使得其彈性模量偏?。籅MSCCASC 的彈性模量增速明顯高于CASC 和SFCASC，說明堿式硫酸鎂水泥BMSC對CASC 的彈性模量增強效果較為明顯；CASC 的彈性模量整體遠低于BMSCC，這是由于珊瑚骨料相對于普通石子來說強度較低，內部存在很多孔洞，容易發生脆性破壞.

圖1 4 種混凝土彈性模量與軸心抗壓強度的關系Fig.1 Relationship between elastic modulus and axial compressive strength of four kinds of concretes[13］

2.1.1.2 壓縮韌性

圖2 為CASC 與SFCASC 的靜態壓縮韌性指數ηc10. 由 圖2 可 見，SFCASC 的ηc10為CASC 的1.12～1.18 倍，表明劍麻纖維對CASC 的靜態壓縮性能具有明顯增韌作用，當混凝土破壞時，試件內部的劍麻纖維拉力會抑制裂紋擴展，提升整體韌性.

圖2 CASC 與SFCASC 的靜態壓縮韌性指數Fig.2 Static compression toughness indices of CASC and SFCASC[10］

2.1.1.3 不同種類混凝土的應力-應變全曲線對比

圖3 為C50 強度等級CASC[3］、SFCASC[4］、LAC（火山巖、黏土、頁巖石輕骨料混凝土）[24］和OPC（普通混凝土）的應力-應變全曲線.圖中ε和εpr分別為混凝土的應變和最大應變，σ和σpr分別為混凝土的應力和最大應力.由圖3 可見：CASC 和SFCASC 的應力-應變曲線上升段比LAC 和OPC 的線彈性階段長；CASC 和SFCASC 下降段比OPC 和LAC 陡，說明CASC 有著較高的脆性，通過增添纖維和使用高韌性水泥，可以降低CASC 的脆性.

圖3 不同種類混凝土的應力-應變全曲線Fig.3 Stress-strain curves for different types of concretes[4］

2.1.2 高溫后的力學性能

2.1.2.1 相對殘余軸心抗壓強度

圖4為不同強度等級（C35、C55、C70 和C80）CASC 的相對殘余軸心抗壓強度fcT/fc25與 溫 度T的關系. 其中fcT和fc25分別為混凝土在不同溫度T和25 ℃時的軸心抗壓強度. 由圖4 可見：在25～100 ℃區間內，CASC 的相對殘余軸心抗壓強度隨著溫度的升高而增大；當溫度超過100 ℃后，CASC 的相對殘余軸心抗壓強度隨著溫度的升高而快速降低.

圖4 CASC 的相對殘余軸心抗壓強度與溫度的關系Fig.4 Relationship between relative residual axial compressive strength and temperature of CASC[2］

2.1.2.2 彈性模量

彈性模量是衡量混凝土材料變形能力的重要指標. 圖5為CASC 的初始彈性模量ET0隨溫度T的變化曲線.由圖5 可見：隨著溫度的提高，CASC 初始彈性模量的下降幅度高于其抗壓強度的下降幅度，這是因為在高溫作用下水泥漿體收縮而粗骨料膨脹，兩者界面過渡區出現裂縫，且珊瑚骨料自身也存在高溫損傷.

圖5 CASC 的初始彈性模量隨溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of the initial elastic modulus with temperature of CASC[2］

2.1.2.3 應力-應變全曲線方程

圖6 為高溫后3 種強度等級（C30、C50 和C70）CASC 的應力-應變（σ-ε）全曲線.由圖6 可見：CASC應力-應變全曲線的上升段和下降段有各自明顯特征，CASC 作為輕骨料混凝土，與普通混凝土相比，具有較大的脆性，其應力-應變曲線上升段的直線段較長，下降段較陡；隨著溫度的升高，CASC 的應力先增加后降低，應變持續增大，說明高溫導致CASC 變得酥脆，力學性能顯著降低.

圖6 高溫后3 種強度等級CASC 的應力-應變全曲線Fig.6 Stress-strain curves of CASCs with three strength grades after high temperature

根據試驗數據曲線具體情況，確定高溫后CASC的準靜態單軸壓應力-應變全曲線，表達式如下：

式中：x=ε/ε0，ε0為峰值應變；y=σ/σ0，σ0為峰值應力；a、b分別為上升段和下降段曲線的控制參數.

2.2 準靜態單軸受拉試驗

圖7 為CASC、SFCASC 和OPC 的靜態軸心抗拉應力-應變曲線. 由圖7 可見：隨著強度等級的提高，各混凝土的軸心抗拉強度增長率均逐漸降低；相同強度等級下，CASC 的軸心抗拉強度比OPC 高，主要原因是珊瑚骨料多孔結構使得骨料具有吸水和返水作用，導致后期骨料附近水化更充分，增強了骨料與水泥漿體的機械咬合力，而普通砂石骨料表面較為光滑，與水泥石的咬合力遠小于珊瑚骨料.

圖7 各混凝土的靜態軸心抗拉應力-應變曲線Fig.7 Static axial tensile stress-strain curves of various concretes[11］

2.3 動態力學試驗

2.3.1 常溫下動態沖擊壓縮力學性能

圖8 為C30 強度等級CASC 和SFCASC 的應力-應變曲線. 由圖8 可見：隨著應變率ε?的增加，CASC 表現出明顯的應變率硬化效應；添加劍麻纖維后，CASC 的峰值應力有所下降，但韌性有所提高，且應變率越大，韌性提高越明顯.

圖8 C30 強度等級CASC 和SFCASC 的應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of C30 strength grade CASC and SFCASC[10］

2.3.2 高溫后動態沖擊壓縮力學性能

2.3.2.1 應力-應變曲線

圖9 為CASC 在不同沖擊氣壓pim下的應力-應變曲線. 由圖9 可見：當溫度超過300 ℃后，隨著溫度的升高，CASC 的峰值應力減小而峰值應變增大；當溫度超過300 ℃后，高溫軟化效應與應變率增強效應相比，前者占主導地位.

圖9 CASC 在不同沖擊氣壓下的應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curves of CASC at different impact air pressures of CASC

2.3.2.2 高溫后峰值應力隨應變率的發展規律

圖10 為高溫后CASC 動態峰值應力σd隨應變率ε?的變化規律. 由圖10 可見：隨著高溫溫度的升高，CASC 的動態峰值應力的增長率隨著應變率的增加而降低，即高溫弱化效應越來越明顯，表明在高溫動態沖擊試驗中存在應變率和高溫溫度的耦合作用，且當溫度超過300 ℃后，高溫弱化效應較顯著.

2、針腐，多發生于幼苗立針期到2葉期，病苗心葉枯黃，葉片不展開，基部變褐，有時葉鞘上生有褐斑，病根也逐漸變為黃褐色。種子與幼苗基部交界處生有霉層，莖基軟弱，易折斷，育苗床中幼苗常成簇，成片發生與死亡。

圖10 高溫后CASC 動態峰值應力隨應變率的變化Fig.10 Variation of dynamic peak stress with strain rate of CASC after high temperature[2］

2.3.3 動態沖擊劈拉力學性能

圖11 為C50 強度等級CASC、SFCASC 和OPC的沖擊劈拉強度σT對比. 由圖11 可見：在相同應變率下，SFCASC 的沖擊劈拉強度明顯高于CASC 與OPC，說明劍麻纖維在高應變率沖擊荷載作用下，仍能發揮其增強劈裂抗拉性能的作用，使得混凝土整體韌性提升；因OPC 骨料強度和剛度均優于珊瑚，其劈拉強度高于CASC；CASC 劈拉裂縫直接貫穿珊瑚骨料，其沖擊劈拉強度最小.

圖11 C50 強度等級CASC、SFCASC 與OPC 的沖擊劈拉強度對比Fig.11 Comparison of the impact split strength of C50 strength grade CASC， SFCASC and OPC[10］

2.3.4 沖擊拉伸力學性能

圖12 為CASC 與SFCASC 的沖擊軸拉應力-應變曲線，縱坐標為沖擊軸拉強度σT. 由圖12 可見：（1）CASC 的沖擊軸拉強度具有明顯的應變率效應，其峰值強度隨著應變率的增大而增大；CASC 的沖擊軸拉與沖擊壓縮和沖擊劈拉表現出相同的規律，但沖擊軸拉強度對應變率的敏感度比沖擊壓縮高.（2）SFCASC 在沖擊軸拉下具有更強的韌性，證明劍麻纖維在混凝土中起到很好的約束作用.

圖12 CASC 和SFCASC 沖擊軸拉應力-應變曲線Fig.12 Impact axis tensile stress-strain curves of CASC and SFCASC[11］

2.4 侵徹試驗

CASC 侵徹試驗中，子彈的總質量為（180.0±1.5） g，子彈速率基本保持在300 m/s. 通過高速攝影機確定彈丸在著靶前的彈姿為水平狀態，彈丸僅對靶體侵徹面形成宏觀破壞，破壞形態呈漏斗狀，靶體侵徹背面和側面無任何變化. 不同強度等級的CASC 靶體被侵徹后，彈坑直徑及深度均隨著混凝土強度等級的提高有所減小.

圖13 為CASC 侵徹試驗的高速攝影照片.由圖13 可見，當子彈接觸CASC 靶體時，靶體表面形成大面積破碎剝落，攜帶大塊混凝土材料大量噴射而出.

圖13 CASC 侵徹試驗及模擬Fig.13 Penetration experiment and numerical simulation of CASC[14］

2.5 爆炸試驗

圖14 CASC 爆炸試驗Fig.14 Explosion experiment of CASC [16］

混凝土強度等級對CASC 靶板的爆坑直徑有顯著影響，隨著強度等級的升高，彈坑直徑減?。欢鴱姸鹊燃墝椏拥纳疃扔绊戄^小. 從背爆面的破壞破壞情況可以看出，高強CASC 背爆面不僅會產生以板中心向外擴散的徑向裂紋，還存在多條橫裂紋，部分區域甚至出現層裂現象. 由此說明珊瑚混凝土強度等級越高，脆性就越大，背爆面的破壞效果也越顯著.

2.6 數值模擬研究

2.6.1 靜態模擬

CASC 的細觀建模方法可參考文獻[17，21］. 基于三維隨機細觀模擬方法，對課題組研究的CASC準靜態壓縮性能進行數值模擬. 圖15 為C30 強度等級CASC 數值應力-應變曲線[17］，其中v代表準靜態應變速率，控制在3×10-6s-1. 由圖15 可見，在單軸壓縮荷載作用下，CASC 的應力-應變曲線大致可分為4 個階段——孔隙壓實階段、彈性階段、屈服階段和失效破壞階段. 圖16 為CASC 的準靜態壓縮破壞過程[17］. 由圖16 可見：當CASC 完全發生破壞后，內部出現大量斜向裂縫，這些裂縫從試件頂面貫穿到試件底面，使得CASC 模型呈現典型的劈裂破壞模式，與課題組的試驗結果相同. 表明上述三維隨機細觀模型可以很好地模擬單軸壓縮荷載作用下CASC的破壞形態.

圖15 C30 強度等級CASC 準靜態壓縮應力-應變曲線Fig.15 Quasi-static compression stress-strain curves of C30 strength grade CASC [17］

2.6.2 動態模擬

針對CASC 圓柱體試件進行沖擊壓縮試驗，采用細觀模型模擬不同應變率下CASC 的破壞形態和破壞過程，研究其動態應力-應變關系及應變率效應. 圖17 為基于三維隨機細觀模擬方法，得到的不同應變率（1～ 200 s-1）壓縮荷載作用下CASC 的應力-應變曲線. 圖17 顯示，隨著應變率的增大，CASC 的峰值強度不斷增大.

圖18 為不同應變率下CASC 的動態壓縮破壞形態和破壞過程. 由圖18 可見：在沖擊壓縮荷載作用下，CASC 圓柱體試件最終破壞形式為條狀碎塊崩裂；隨著應變率的提高，CASC 的破壞程度逐漸加劇，表現為裂縫數量和寬度增大，碎塊數量增多且體積減小，各細觀組分的開裂程度加劇.

3 結論

（1）得到不同強度等級全珊瑚海水混凝土（CASC）的應力-應變全曲線，其上升段斜直線線段較長，在應力達到峰值應力90%以上時出現拐點，呈現出明顯脆性；添加劍麻纖維可有效增強CASC 的韌性.

（2）隨著溫度的升高，CASC 的殘余抗壓強度和彈性模量均呈現先增后減趨勢，溫度越高，高溫弱化越明顯；CASC 力學性能的臨界溫度是300 ℃，對于島礁工程中防火防災具有重要意義.建立了高溫后的CASC 應力-應變全曲線方程，可反映CASC 在高溫后受壓后的全部特征.

（3）CASC 在動態沖擊壓縮、動態沖擊劈拉及動態直接拉伸試驗中均表現出明顯的應變率硬化效應，應變率越高，其應力越大.劍麻纖維的添加可以有效改善CASC 的脆性，增加CASC 的韌性，使其破壞程度明顯降低.

（4）隨著混凝土強度等級的提升，CASC 靶體侵徹深度和開坑面積不斷減小，且伴隨大量破碎剝落；爆炸彈坑直徑減小，但彈坑深度變化較小.

（5）建立了一種適合于CASC 的具有隨機形狀和尺寸的三維隨機骨料模型，并模擬了CASC 在動靜態作用下的破壞形態與破壞機理.