全珊瑚骨料海水混凝土力学性能试验研究

糜人杰, 余红发, 麻海燕, 达 波, 袁银峰, 张小平, 朱海威, 窦雪梅

(1. 南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016; 2. 江苏交科交通设计研究院，江苏 淮安 223001)

全珊瑚骨料海水混凝土力学性能试验研究

糜人杰1, 余红发1, 麻海燕1, 达 波1, 袁银峰2, 张小平1, 朱海威1, 窦雪梅1

(1. 南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016; 2. 江苏交科交通设计研究院，江苏 淮安 223001)

为了探讨全珊瑚骨料海水混凝土的基本力学性能，并比较其与普通混凝土和轻集料混凝土的差异，通过实验系统测定了珊瑚混凝土的基本力学性能，建立了其轴心抗压强度(fc,m)、劈裂抗拉强度(fsp,m)、抗折强度(ft,m)与立方体抗压强度(fcu,m)之间的线性关系与计算公式。结果表明：在强度等级C20～C50的范围内，珊瑚混凝土的fc,m和fsp,m分别比普通混凝土的fc,m和fsp,m高出10%～48%和9%～33%，随着强度等级的提高，两种混凝土之间的差距在减小。珊瑚混凝土的ft,m与普通混凝土的ft,m之间的差异规律与强度等级有关，较低强度等级的C30珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m要高4%，而较高强度等级的C55珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m低13%。较高强度等级的C50珊瑚混凝土fc,m、fsp,m和ft,m分别比页岩陶粒轻集料混凝土的fc,m、fsp,m和ft,m低11%、0.9%和4%。

全珊瑚骨料海水混凝土；立方体抗压强度；轴心抗压强度；劈裂抗拉强度；抗折强度

Abstract: To investigate the mechanical property of coral concrete and compare it with those of ordinary concrete and lightweight aggregate concrete, the mechanical property was measured through the experiment. The linear relationship between cube compressive strength(fcu,m) and axial compressive strength (fc,m), tensile splitting strength(fsp,m), rupture strength(ft,m) was built and relevant calculation formulas were obtained. The results show that: Between the strength grade of C20 ～ C50， thefc,mandfsp,mof the coral concrete are higher than those of ordinary concrete, which is 10%～48% and 9%～33%. With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is reducing. The difference between theft,mof coral concrete and theft,mof ordinary concrete is related to the strength grade. Theft,mof coral concrete, which is C30 of low strength grade, is higher than that of ordinary concrete, which is 4%. Theft,mof coral concrete, which is C55 of high strength grade, is lower than that of ordinary concrete, which is 13%. Thefc,m、fsp,mandft,mof coral concrete, which is C50 of high strength grade, is lower than that of haydite lightweight aggregate concrete, which is 11%、0.9% and 4%.

Keywords: coral concrete; compressive strength; axial compressive strength; tensile splitting strength; rupture strength

全珊瑚骨料海水混凝土由珊瑚、珊瑚砂、水泥、化学外加剂、矿物掺合料和海水按一定比例配合制成[1-2]。珊瑚质轻、多孔，孔隙率大，吸水性强，属于天然轻集料。作为混凝土骨料，珊瑚骨料既不同于碎石粗骨料，也不完全同于陶粒、煤矸石等轻集料，多孔的特质使其具有较高的吸水率，表面粗糙使得与水泥之间的摩擦力较大。另外，其特殊的形状要求更多的水泥包裹以便得到较好的施工性能。

1991年美国学者Rick等[3]考察了太平洋比基尼岛的3座珊瑚混凝土建筑物，认为“珊瑚混凝土的强度能够满足工程结构的设计要求”。1993年卢博等[4]认为，在远离大陆、缺少淡水的情况下，用海水珊瑚砂制作混凝土有显著的社会和经济效益。1995年梁元博等[5]通过研究发现，利用珊瑚砂和碎礁作骨料时，混凝土28 d抗压强度可达22 MPa以上。2011年赵艳林等[6]用珊瑚、河沙、普通硅酸盐水泥配制了珊瑚河沙海水混凝土，并研究了其基本力学性能。2015年袁银峰[7]用珊瑚、珊瑚砂、海水研究了全珊瑚海水混凝土的配合比设计方法。

在国内外珊瑚混凝土的研究现状以及全珊瑚骨料海水混凝土配合比设计的基础上，通过对不同强度等级的全珊瑚骨料海水混凝土基本力学性能的测定分析，系统研究了其基本力学性能，对远海岛礁环境下全珊瑚骨料海水混凝土结构设计具有实际意义，并为未来开发钢筋珊瑚混凝土结构积累基础。

1 实 验

1.1 原材料

南京江南一小野田公司生产的P·II 52.5型硅酸盐水泥，其性能指标符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》[8]中硅酸盐水泥要求，各项物理力学性能如表1所示，其化学成分如表2所示。珊瑚为粗骨料，取自南海海域某岛，采用经过处理工艺的未风化珊瑚，堆积密度1 000 kg/m3，表观密度2 300 kg/m3，筒压强度3.8 MPa，空隙率56.5%，1 h吸水率10.7%，含泥量2.35%，针片状颗粒含量5.5%，氯离子含量0.074%。珊瑚砂，取自南海海域某岛，大部分为珊瑚碎屑，少部分为贝壳碎屑，II区级配，属于中砂，细度模数为2.44，堆积密度1 115 kg/m3，表观密度2 500 kg/m3，空隙率45%，1 h吸水率11%，含泥量0.5%，氯离子含量0.112%。采用江苏某热电厂生产的I级粉煤灰(fly ash，FA)，性能符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[9]中I级粉煤灰要求，其化学组份如表2所示。采用江苏江南粉磨公司的S95级磨细矿渣，其化学组分如表2所示。采用苏博特新材料有限公司生产的萘系减水剂，性能符合GB8076-2008《混凝土外加剂》[10]的规定，减水率可达25%。

表1 水泥的物理力学性能Tab. 1 Basic physical property of portland cement

表2 主要凝胶材料化学成分Tab. 2 The chemical composition of gelled material

1.2 混凝土配合比

在参考JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]的基础上，运用富浆混凝土设计理论，并且通过调整胶凝材料总量、矿物掺合料掺量、海水水胶比、珊瑚砂率，以抗压强度和工作性(含可能性)为评判指标，设计并优化了高性能全珊瑚骨料海水混凝土的配合比(如表3所示)，抗压强度如表4所示。

表3 全珊瑚骨料海水混凝土的配合比与拌合物性能Tab. 3 Mixture proportion and performance of coral concrete

表4 全珊瑚骨料海水混凝土不同龄期的立方体抗压强度Tab. 4 Compressive strength of coral concrete in standard curing of different time

注：试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，数据已经按0.95折减系数换算。

1.3 试件制备

将水泥、珊瑚、珊瑚砂、外加剂、磨细矿渣等原材料在搅拌机中干拌1 min，再加人工海水湿拌3 min。出料后测定混凝土拌合物的坍落度，由于珊瑚骨料紧缺，浇注、振动成100 mm×100 mm×100 mm，100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试块。成型后带模养护24 h，之后拆模，然后移入20±3℃人工海水中养护。人工海水按照美国ASTMD1141-2003的规定，其化学组份如表5所示。

表5 人工海水的化学组成( kg/m3)Tab. 5 Chemical composition of artificial seawater ( kg/m3)

1.4 实验方法

相关力学试验(fcu,m、fc,m、fsp,m、ft,m)按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]进行，测试龄期为90 d。其中fcu,m测试采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，fc,m测试采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试试块，ft,m测试采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块，fsp,m测试采用经过抗折试验的100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块的剩余部分。所得试验结果均按照文献[12]乘以相关换算系数，换算为标准结果。

2 结果与讨论

2.1 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

混凝土fc,m比较接近实际构件中混凝土的受压情况，是结构设计的重要参数。在结构设计中，需要根据fcu,m换算成fc,m，因此，必须建立混凝土fc,m与fcu,m之间的函数关系。

GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[13]列出了普通混凝土fc,m与fcu,m的数据对应表格，如表6所示。经过系统的分析，得出了fc,m与fcu,m的回归线性方程：

式中：n=14，R2=0.999 1。适用强度范围C15～C80。

叶列平[14]C15～C50之间列出了普通混凝土fc,m与fcu,m之间的关系：

JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]列出了轻集料混凝土fc,m与fcu,m的数据对应表格，如表6所示。经过系统的分析，得出了fc,m与fcu,m的回归线性方程：

式中：n=10，R2= 0.998 9。适用强度范围LC15～LC60。

陈岩[15]通过研究页岩陶粒轻集料混凝土，得出了LC40～LC50之间fc,m与fcu,m的换算关系：

全珊瑚骨料海水混凝土fc,m与fcu,m的数据如表6所示。经过对本文数据、陈兆林等[16]数据、周杰[17]数据进行系统的分析，得出了fc,m与fcu,m的回归线性方程：

式中：n=13，R2=0.891 7。适用强度范围C20～C55。

全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土及相关规范fc,m与fcu,m的关系如图1所示。

表6 全珊瑚骨料海水混凝土、普通混凝土、轻集料混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度数据Tab. 6 Datas of axial compressive strength and compressive strength of different concretes

由图1可知：1)全珊瑚骨料海水混凝土的fc,m与fcu,m的比值较高，在0.76～0.95之间。2)强度等级为C20、C30、C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc,m比普通混凝土fc,m[14]依次高48%、27%、16%和10%；说明全珊瑚骨料海水混凝土的延性优于普通混凝土，但随着强度等级的提高，增量逐渐减小。其原因为：珊瑚粗骨料的表面粗糙程度大于石子，因而全珊瑚骨料海水混凝土的界面区的机械咬合力更强，且珊瑚礁粗骨料的多孔结构与“微泵”效应，使全珊瑚海水混凝土的界面过渡区的水泥水化程度更高，所以其fc,m比普通混凝土fc,m高；而随着强度等级的提高，珊瑚礁的取代率依次降低，故“微泵”效应及界面区机械咬合能力逐渐降低，所以增量减小。3)当强度等级为C20、C30、C40、C50和C55时，比GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[13]与JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]中fc,t依次高68%、44%、32%、29%和27%。4)C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc,m比页岩陶粒轻集料混凝土fc,m依次低6%和11%。

图1 全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系Fig. 1 Relations between axial compressive strength and compressive strength of different concretes

2.2 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系

混凝土fsp,m对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂缝宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。

GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[13]列出了C15～C80之间普通混凝土轴心抗拉强度ft,k与fcu,m的数据对应表格，如表7所示。《钢筋混凝土结构研究报告选集》[18]列出了普通混凝土fsp,m与ft,k的换算关系式：

由式(6)将文献[13]中普通混凝土ft,k换算得出fsp,m，如表7所示。经过系统的分析，得出了普通混凝土fsp,m与fcu,m的回归线性方程：

式中：n=14，R2= 0.942 3。

叶列平[14]列出了普通混凝土的fsp,m与fcu,m之间的关系：

JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]列出了LC15～LC60之间轻集料混凝土ft,k与fcu,m的数据表格，如表7所示。丁发兴等[19]列出了LC15～LC60之间煤矸石与页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m与fcu,m的关系：

由式(9)将文献[11]中轻集料混凝土fcu,m换算得出fsp,m，如表7所示。

陈岩[15]通过研究得出了页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m与fcu,m的数据，如表7所示。经过系统的分析，得出了页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m与fcu,m的回归线性方程：

式中：n=9，R2=0.839 1。适用强度范围LC40～LC50。

全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m与fcu,m的数据对应表格如表7所示。经过对本文数据、陈兆林等[16]数据、周杰[17]数据进行系统的分析，得到了fsp,m与fcu,m的换算关系：

式中：n=14，R2=0.711。适用强度范围C20～C55。

全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土及相关规范fsp,m与fcu,m的关系如图2所示。

表7 全珊瑚骨料海水混凝土、普通混凝土、轻集料混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度数据Tab. 7 Datas of tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

图2 全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系Fig. 2 Relations between tensile splitting strength and compressive strength of different concretes

由图2可知：1)强度等级为C20、C30、C40、C50和C55的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比普通混凝土fsp,m[14]依次高33%、19%、12%、9%和8%，可知随着强度等级的提高，增量逐渐减小。其原因为：珊瑚粗骨料的表面粗糙程度大于石子，因而全珊瑚骨料海水混凝土的界面区的机械咬合力更强，且珊瑚礁粗骨料的多孔结构与“微泵”效应，使全珊瑚骨料海水混凝土的界面过渡区的水泥水化程度更高；而随着强度等级的提高，珊瑚礁的取代率依次降低，故“微泵”效应及界面区机械咬合能力逐渐降低，所以增量减小。2)比GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[13]中ft,k经式(6)换算得出的fsp,m依次高77%、84%、89%、93%和95%，并且比JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]中fcu,m经式(9)换算得出的fsp,m依次高67%、35%、19%、9%和5%。3)强度等级为C40的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m高3%，强度等级为C50的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m低0.9%。

2.3 抗折强度与立方体抗压强度的关系

混凝土ft,m是道路混凝土最为重要的强度参数，道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以ft,m为主要强度指标，fcu,m仅作为参考指标。

刘卫中等[20]通过研究得出了普通混凝土ft,m与fcu,m之间的关系：

式中：n=324，R2= 0.826 1。适应的强度范围C25～C60。

陈岩[15]通过研究得出了LC40～LC50页岩陶粒轻集料混凝土ft,m与fcu,m之间的关系：

全珊瑚骨料海水混凝土ft,m与fcu,m之间的数据对应表格如表8所示。经过对本文数据、陈兆林等[16]数据进行系统的分析，得出了ft,m与fcu,m之间的关系：

式中：n=6，R2= 0.891 3。适应的强度范围C20～C55。

全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土ft,m与fcu,m的关系如图3所示。

表8全珊瑚骨料海水混凝土抗折强度与立方体抗压强度数据

Tab.8Datasofrupturestrengthandcompressivestrengthofcoralconcrete

序号fcu,m/MPaft,m/MPa138.33.90249.05.00358.26.00460.46.205[16]27.23.976[16]37.64.59

图3 全珊瑚骨料海水混凝土、轻集料混凝土和普通混凝土抗折强度与立方体抗压强度的关系Fig. 3 Relations between rupture strength and compressive strength of different concretes

由图3可知：1)强度等级为C30的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m高4%，而C40、C50和 C55的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m依次低5%、11%和13%。2)强度等级为C40的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比页岩陶粒轻集料混凝土ft,m高4%，而C50的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比页岩陶粒轻集料混凝土ft,m低4%。3)低强度的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m和页岩陶粒轻集料混凝土ft,m高，反之则低，这是因为低强度的珊瑚混凝土其珊瑚礁取代率较高，故“微泵”效应及界面区机械咬合能力强。

3 结 语

1)全珊瑚骨料海水混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间存在着较强的线性关系。全珊瑚骨料海水混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值较高，轴压比范围在0.76～0.95之间；强度等级为C20、C30、C40和C50的全珊瑚海水混凝土fc,m比普通混凝土fc,m[14]依次高48%、27%、16%和10%；说明全珊瑚骨料海水混凝土的延性优于普通混凝土，但随着强度等级的提高，增量逐渐减小。当强度等级为C20、C30、C40、C50和C55时，比GB50010-2010《混凝土结构设计规范》与JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》中fc,t依次高68%、44%、32%、29%和27%。C40和C50的全珊瑚骨料海水混凝土fc，m比高强度页岩陶粒轻集料混凝土fc,m依次低6%和11%。

2)全珊瑚骨料海水混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间存在着线性关系。强度等级为C20、C30、C40、C50和C55的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比普通混凝土fsp,m依次高33%、19%、12%、9%和8%；比GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[13]中ft,k经式(6)换算得出的fsp,m依次高77%、84%、89%、93%和95%，并且比JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》[11]中fcu,m经式(9)换算得出的fsp,m依次高67%、35%、19%、9%和5%；强度等级为C40的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m高3%，强度等级为C50的全珊瑚骨料海水混凝土fsp,m比页岩陶粒轻集料混凝土fsp,m低0.9%。

3)全珊瑚骨料海水混凝土的抗折强度与立方体抗压强度之间存在着线性关系。强度等级为C30的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m高4%，而C40、C50和 C55的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比普通混凝土ft,m依次低5%、11%和13%；强度等级C40的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比页岩陶粒轻集料混凝土ft,m高4%，而C50的全珊瑚骨料海水混凝土ft,m比页岩陶粒轻集料混凝土ft,m低4%。

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Study on the mechanical property of coral concrete

MI Renjie1, YU Hongfa1, MA Haiyan1, DA Bo1, YUAN Yinfeng2, ZHANG Xiaoping1, ZHU Haiwei1, DOU Xuemei1

(1. Department of Civil Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China; 2. Jiangsu Huaian Traffic Survey and Design Institute, Huaian 223001, China )

1005-9865(2016)04-0047-08

TU528

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.007

2015-11-04

国家自然科学基金(51508272)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB6551002)；爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室(解放军理工大学)开放课题资助(DPMEIKF201303)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX15-0230)

糜人杰(1992-)，男，山西繁峙人，硕士研究生，研究方向为海洋混凝土。E-mail：305137305@qq.com

余红发(1964-)，男，湖北武穴人，教授，博士生导师，从事海洋混凝土研究。E-mail：yuhongfa@nuaa.edu.cn