冲击荷载下全珊瑚混凝土动力特性

2020-07-13 09:54吴家文马林建孔新立罗棕木段力群
建筑材料学报 2020年3期
关键词:珊瑚分形骨料

吴家文, 马林建, 孔新立, 罗棕木, 段力群

(1.陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室, 江苏 南京 210007;2.陆军工程大学 国防工程学院, 江苏 南京 210007)

近年来,为发展海洋经济,落实维护海洋权益的战略部署,中国岛礁工程建设步伐不断加快.全珊瑚混凝土因其取材便利、环保、经济等优点,逐渐成为岛礁建设主要承载体和建筑材料来源之一[1].与碎石、河砂等常规骨料相比,珊瑚骨料具有多孔隙、易破碎及形状不规则等特点,导致全珊瑚混凝土与普通混凝土之间的物理力学特性差异显著.迄今为止,国内外学者主要围绕全珊瑚混凝土的制备[2]、基本物理力学特性[3]、耐久性[4]及其改性[5]等方面展开研究,并取得初步成果.全珊瑚混凝土表观密度为 2150~2500kg/m3,纵波波速3400~4800m/s,横波波速1700~2400m/s,波速与强度线性相关[6].由于珊瑚骨料具有多孔性,全珊瑚混凝土对海水、胶凝材料和外加剂的用量较大,表现出早强、快硬的特点[7].远海高温、高湿、高盐雾和强辐射的热带海洋环境加快了混凝土碳化和氯离子腐蚀速度,导致岛礁混凝土结构的耐久性和使用寿命比陆地混凝土结构短,直接制约了全珊瑚混凝土的大规模工程应用.通过添加纤维或矿物掺和料,在一定程度上可以提高全珊瑚混凝土的强度、抗腐蚀性,同时改良其脆性性能[8].

岛礁工程所处环境复杂,建筑结构不仅要经受地震、海啸和台风等动荷载的作用,还要面临突发武器打击和偶然爆炸破坏威胁,因此全珊瑚混凝土的动力特性研究对于岛礁基础工程建设至关重要.众所周知,混凝土等脆性材料的动态力学特性具有明显的应变率效应.Tang等[9]对2类高强混凝土进行5~230s-1应变率下的单轴压缩试验,发现对数函数与指数函数均可合理描述高强混凝土动态强度与应变率之间的关系.欧洲混凝土规范(CEB)给出了同等级混凝土动态强度增长因子(DIF)建议公式,并认为低强混凝土比高强混凝土的抗压强度率效应更为显著.李杰等[10]统计分析了普通混凝土单轴压缩应力-应变全曲线后,发现混凝土抗压强度与应变率呈正相关,而其峰值应变与应变率无明显关系.此外,在复合材料混凝土动态力学特性方面的研究成果也较为丰硕,如钢纤维[11]、聚丙烯纤维[12]的添加可显著增强混凝土韧性.

然而迄今为止,以珊瑚为骨料的混凝土动态力学特性相关研究未见报导,为此本文开展了全珊瑚混凝土在不同加载速率下的动态压缩特性试验研究,探讨了应变率对全珊瑚混凝土动态强度增长、能量演化、破坏模式及破碎分形特征的影响,以期为岛礁建设与工程防护提供理论依据和技术支撑.

1 试验

1.1 试件制备

选取岛礁原生珊瑚砾石为粗骨料,珊瑚砂为细骨料,珊瑚骨料的基本物理性质见表1.粗骨料粒径范围为5~10mm,细骨料细度模数为2.87,筛分曲线见 表2.人工海水依据ASTM D1141—2003《Standard practice for the preparation of substitute ocean water》配制,其组成为:NaCl(24.5kg/m3)、MgCl2·6H2O (11.1kg/m3)、Na2SO4(4.1kg/m3)、CaCl2(1.2kg/m3)及KCl(0.7kg/m3).水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥.

表2 细骨料级配Table 2 Gradation of fine aggregate

因珊瑚粗骨料的表观密度为2564kg/m3,介于轻骨料和普通混凝土骨料之间,故参考轻骨料混凝土和普通混凝土的配合比设计[13],制定全珊瑚混凝土配合比,如表3所示.另外,由于珊瑚粗骨料和细骨料均有较高的吸水率(约9%,质量分数,文中涉及的吸水率、水灰比等除特别注明外均为质量分数或质量比),试验选用减水率25%、含固量40%的超塑化减水剂,将水灰比(mW/mC)保持在0.5左右,经充分搅拌后的拌和物坍落度为35~45mm.

新拌全珊瑚混凝土在350mm×350mm× 60mm 木制模具中养护28d后钻芯取样.取样过程中不断在钻头处注水,减小混凝土与转头间的摩擦,并适当降低转速,以减轻钻头转动对试件的扰动损伤.将钻取的圆柱体端面磨平,保证两端不平整度小于0.02mm,直径误差小于0.3mm,端面不垂直度小于0.25°,制成21个φ100× 50mm 的全珊瑚混凝土圆柱体试件,其中3个试件用于准静态压缩试验,18个试件用于动态冲击压缩试验.

表3 全珊瑚混凝土配合比Table 3 Mix proportion of coral concrete

1.2 试验设备

分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术基于一维弹性应力波理论,满足平面假定和均匀性假定基本假定.试验用SHPB试验装置如图1所示,其中子弹、入射杆和透射杆长度分别为0.8、4.0、3.0m,杆径为100mm.

图1 SHPB试验装置Fig.1 SHPB test device

选取厚度2mm的橡胶片为整形器,以消除高频波成分,减少波的弥散,将矩形脉冲整形为具有缓慢上升沿且无P-C振荡的半正弦入射波,使试件在动力加载过程中有足够时间达到应力平衡状态.试件与SHPB杆接触面均涂抹凡士林,以减少端部摩擦效应.

(1)

2 结果与分析

2.1 动态单轴压缩应力-应变曲线

图2为全珊瑚混凝土试件在30.12~143.32s-1应变率下的动态单轴压缩应力-应变(σ-ε)曲线(以下简称应力-应变曲线).需要说明的是,所选用9个试件(DUC-1~DUC-9)的曲线为剔除试验设备、试验方法等不合理影响因素后的结果.由图2可见:全珊瑚混凝土试件的应力-应变曲线分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段;动力冲击作用下9个试件的弹性模量平均值为26.78GPa,峰值应变范围为 0.4%~ 1.0%,具有典型的脆性破坏特征,相比之下,普通混凝土的动态应力-应变曲线无明显压密段[15].全珊瑚混凝土呈现出孔隙压密段主要是珊瑚骨料的孔隙结构以及混凝土基体内微孔洞随着加载应力的增加不断压密所致,反映了全珊瑚混凝土多孔疏松的微观结构特征.全珊瑚混凝土骨料的多孔性、易压缩性,与轻骨料混凝土骨料特性相似[15],使得2类混凝土的峰值应变范围基本相同.由图2还可见,全珊瑚混凝土试件的应力-应变曲线在峰后阶段大多表现出应变软化行为,但试件DUC-1和试件DUC-2在应力达到峰值后,应变略有减小.这是由于当应变率小于 49.12s-1时,试件并未完全破碎,在冲击变形过程中存在部分回弹现象.

图2 不同应变率下全珊瑚混凝土试件的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of coral concrete specimensunder different strain rates

2.2 动态抗压强度及机理分析

图3 全珊瑚混凝土、C40普通硅酸盐混凝土和轻骨料混凝土的DIF与应变率的关系Fig.3 Relationship between DIF and strain rate for coralconcrete, C40 ordinary Portland concrete and lightweight aggregate concrete

由图3可见:在高应变率动力冲击作用下,全珊瑚混凝土的DIF随应变率增加呈非线性增大,但增速逐渐变缓,在30.12~143.32s-1应变率范围内,全珊瑚混凝土的DIF由1.73增至2.56,增幅达47.98%;在同等应变率下,全珊瑚混凝土的DIF高于C40普通硅酸盐混凝土[16],略低于轻骨料混凝土[17];尽管一般轻骨料混凝土的DIF较高,但其静力强度偏低,导致其动力强度较低.相比之下,全珊瑚混凝土抵御动态冲击能力较强,可用于防护结构.利用指数幂型关系式拟合全珊瑚混凝土DIF与应变率的关系,见式(2):

(2)

由式(2)可见,全珊瑚混凝土的DIF与应变率的0.5次方呈线性关系.图3显示,式(2)预测曲线与试验结果具有较好的一致性.混凝土细观上可视作由粗细骨料、砂浆基质、过渡区界面、微裂纹或孔隙等组成的多相非均质复合材料.准静态加载条件下,加载时间可满足混凝土内应力平衡和微裂纹展开速度的要求[18],且骨料、砂浆基质及其过渡区受力均匀[19],微裂纹沿强度薄弱路径开展;高应变率冲击加载条件下,全珊瑚混凝土产生的裂纹数量大幅增加,所吸收的能量相应增多,而裂纹扩展速度滞后于加载速度.根据冲量定理或功能原理可知,滞后变形将导致应力的增加,最终导致全珊瑚混凝土动态抗压强度提升.同时,珊瑚骨料特有的孔隙结构形成了骨料与砂浆基质间致密的界面过渡区,且骨料本身具有优良的消波吸能效能,使全珊瑚混凝土在冲击动载作用下表现出较好的变形协调性,避免了界面过渡区、微裂隙和微孔洞等局部应力集中现象.另外,占全珊瑚混凝土质量40%的珊瑚粗骨料同样具有显著的应变率效应特性[20],也使得全珊瑚混凝土DIF高于同等级普通硅酸盐混凝土.

2.3 能量演化规律

试件在外荷载作用下所吸收的总能量主要转化为可恢复的弹性应变能与不可恢复的耗散能.假定试件卸载后的弹性模量Ec近似为加载段的线性部分,在单轴应力状态下,应变能可用式(3)计算[21]:

(3)

式中:ε0为试件的上限应变;U、Ue、Ud分别为试件单位体积的总应变能、弹性应变能、耗散能.

当上限应变为峰值应变时,利用式(3)可计算出峰值应力处的各能量.图4为试件DUC-4在动力冲击作用下的能量演化曲线.

图4 试件DUC-4的应变能演化曲线Fig.4 Strain energy evolution curves of specimen DUC-4

由图4可见:在AB段,累积耗散能始终稳定在 10kJ/m3以内,弹性应变能与试件吸收的总应变能增幅相同,大量弹性能在此阶段得以储存;当应力水平达到屈服极限(点B)时,耗散能逐步增加,主要用于试件内部微裂纹萌生和微裂缝连通;在应力峰值点(点C),弹性应变能达到最大值145.9kJ/m3;之后,伴随全珊瑚混凝土的脆性破坏,试件储存的大部分弹性能与部分源于外力做功的能量转化为耗散能,并以宏观裂缝开展贯穿、碎片抛出以及声能、热能的形式释放耗散能.

图5为30.12~143.32s-1应变率范围内全珊瑚混凝土试件峰值点的能量关系曲线.由图5(a)可以看出,全珊瑚混凝土试件单位体积内总应变能、弹性应变能、耗散能均与应变率呈正相关关系,且弹性应变能始终大于耗散能,表明全珊瑚混凝土受压变形过程中所吸收的总应变能更多用于其弹性变形.由 图5(b) 可以看出,在能量分配方面,尽管耗散能占总吸收能量的比率相对较小,但随总应变能增加而不断增加,而弹性能比率逐渐降低,表明全珊瑚混凝土所吸收的冲击能量更多地用于裂缝发展等能量耗散过程,使混凝土破碎程度更加严重.

图5 全珊瑚混凝土试件峰值点的能量关系曲线Fig.5 Energy curves of the peak point of coral concrete specimens

2.4 破坏模式与破碎分形

2.4.1破坏模式

水泥砂浆与粗骨料之间的孔隙、微裂缝和弱黏结界面等内部缺陷往往是普通混凝土基体的薄弱部位.图6为全珊瑚混凝土试件不同尺度的破坏形态.

图6 全珊瑚混凝土试件不同尺度的破坏形态Fig.6 Coral concrete specimen damage at different scales

由图6可见,在动力冲击作用下,全珊瑚混凝土试件的裂缝垂直于端面发展(图6(a)),破碎路径贯穿珊瑚骨料(图6(b)),显著区别于普通混凝土沿胶结界面破坏的模式.这主要由于珊瑚骨料与砂浆过渡区高度致密(图6(c)),没有明显缺陷,而珊瑚骨料本身孔隙较多,属于明显薄弱部位所致.全珊瑚混凝土在胶结面微观结构及骨料物理特征方面与轻骨料混凝土相似,两者均存在骨料与砂浆基体界面过渡区致密结构[22],最终的破坏模式也基本相同.珊瑚骨料由于其多孔微观结构、高孔隙率,能够在搅拌初期吸收和保留水分,水化硬化过程中释放水分,局部水灰比通过“吸水-释水”效应得以调节,提高了骨料与水泥砂浆之间的黏结强度,微孔隙中的水化产物与水泥浆可形成“内锁效应”[23];粗糙的表面纹理也进一步增强了胶结界面的摩擦强度.由此可见,砂浆和骨料的高黏结强度主要归因于珊瑚骨料特有的多孔结构和粗糙界面特性.

图7给出了3个典型应变率下全珊瑚混凝土试件(DUC-1、DUC-3和DUC-7)的冲击破碎程度.由图7可见:在较低应变率状态下,试件破坏程度较小,中心处仍保留其完整性,破坏以边缘裂纹开展为主导,碎屑主要呈条状;当应变率增加到100.58s-1时,压碎和磨碎过程伴随裂纹开展共同进行,使得碎屑更加细小、均匀;59.43s-1应变率下全珊瑚混凝土的破碎形态属于过渡状态.

图7 不同应变率下全珊瑚混凝土破碎程度Fig.7 Fracture degree of coral concrete at different strain rates

2.4.2破碎分形

分形几何主要研究内容为不规则曲线与形状的自相似性,自相似性分形认为维数变化是连续的,处理的对象具有非规则性和自相似性.简单来说,自相似性是局部到整体成比例缩小的性质,也称尺规不变性[24].岩石、混凝土等脆性材料的破碎分布具有分形特征,采用分形维数对混凝土破碎进行定量描述,可以合理地反映其破碎程度.其中,颗粒质量与尺寸满足以下关系[24]:

ln[M(x)/MT]=(3-D)ln(x/xm)

(4)

式中:M(x)和MT分别为尺寸小于x的碎块累积质量和碎块总质量;x和xm分别为颗粒尺寸和破碎块体最大尺寸.

在双对数坐标中用一次方程拟合M(x)/MT与x/xm,根据直线斜率S(S=3-D),计算得到分形维数D.图8为应变率的对数形式与分形维数的线性关系.

图8 应变率的对数形式与分形维数的线性关系Fig.8 Linear relationship between the logarithmic form of strain rate and fractal dimension

由图8可见,当应变率从30.12s-1提高到143.32s-1时,分形维数D由2.076增加到2.302,增幅为10.79%.拟合得到的预测曲线表达式见式(5):

(5)

图8显示拟合预测曲线与试验结果具有较好的一致性.由此说明,全珊瑚混凝土的分形维数与应变率对数呈线性正相关关系.

3 结论

(2)全珊瑚混凝土屈服前所吸收的能量主要转化为弹性应变存储于试件内部;屈服后全阶段耗散应变能逐渐增大并成为能量分配的主体.随着应变率的增加,试件吸收外荷载做功的能力增加,耗散能占总应变能的比率随应变率增加而逐渐增加,而弹性能比率略有下降.

(3)全珊瑚骨料微孔隙结构的“吸水-释水”效应使得骨料与水泥浆体界面的黏结强度较高,表面粗糙增加了胶结界面的摩擦强度,而骨料本身强度低、易破碎,动力冲击往往导致全珊瑚混凝土穿骨料破坏.同时,随着应变率的增加,全珊瑚混凝土破碎程度增加,破碎分形维数增大.

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