岛礁全珊瑚混凝土的力学性能及提升措施

达波， 冯基恒， 倪雷， 王佳怡， 方琳涛， 贺艺航， 陈达,2

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098； 2.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

在人类社会不断发展的大背景下，陆地资源十分有限，世界上具有海洋权益的国家将战略目标转移至具有丰富矿产和石油资源的海洋。然而在远离大陆的热带岛礁上建设和修复建筑工程，有时不得不从大陆用船舶运输大量的砂石和淡水，不仅运费高昂，而且受风浪等自然条件限制，工期难以保证[1-5]。

为满足岛礁建设的需求，珊瑚混凝土(coral aggregate concrete，CAC)的研究应用日益增多[6]，众多学者研究发现，利用珊瑚作为骨料配制混凝土是可行的[4,7-8]。CAC是一种以岛礁上丰富的珊瑚礁砂资源为骨料制备的混凝土，能够极大减少工程建设成本，缩短建设工期[9]。目前，根据混凝土粗、细骨料的替换情况，可将珊瑚混凝土分为全珊瑚混凝土(all coral aggregate concrete，ACC)、珊瑚河砂混凝土和碎石珊瑚砂混凝土3类[6-7,10]。在远海岛礁环境恶劣、资源匮乏的条件下，采用ACC对于远海油气钻采平台、人工岛礁等基础设施建设更具实际工程意义[10]。

基于此，本文采用试验和理论分析相结合的方法，对ACC的基本力学性能研究现状进行梳理，建立ACC的轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fsp)、抗折强度(ft)与立方体抗压强度(fcu)之间的转换模型，探明ACC与轻骨料混凝土、普通骨料混凝土等其他种类混凝土力学性能的异同，提出ACC力学性能的改善措施，对深远海岛礁ACC结构的设计、施工具有重要指导意义。

1 轴心抗压强度与立方体抗压强度

1.1 数学模型

实际工程中受压构件的长度常比其截面尺寸大得多，因此轴心抗压强度(fc)比立方体抗压强度(fcu)更能反映混凝土的实际抗压能力。而目前常采用立方体试件评定混凝土的强度等级，因此，建立混凝土fc和fcu之间的转换关系非常必要。近年来，糜人杰[11]、Huang[12-13]、达波[14-17]、苏晨[18]、高屹[19]等众多学者开展了fc与fcu的研究，并提出ACC的fc和fcu之间的转换关系(见表1)。

表1 全珊瑚混凝土fc与fcu的转换关系Table 1 The transform relationships between fc and fcu of ACC

对高屹等[19]的实验数据进行分析，发现强度等级高于C50的ACC，其fc随fcu的改变上下浮动，fc和fcu之间没有明显的线性关系。图1为全珊瑚混凝土fc与fcu之间的关系。通过对糜人杰[11]、Huang[12-13]、达波[14-17]、苏晨[18]等的实验数据进行综合分析，建立了强度等级为C20～C50的全珊瑚混凝土fc和fcu之间的转换关系(见表1)。

图1 全珊瑚混凝土的fc与fcu之间的关系Fig.1 Relationship between fc and fcu of ACC

1.2 不同种类混凝土对比

图2为全珊瑚混凝土(ACC)、轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LAC)、普通骨料混凝土(ordinary aggregate concrete,OAC)的fc和fcu之间的对比关系。表2为ACC、LAC、OAC的fc与fcu的转换关系。由图表可知：ACC的fc随fcu增长速率与OAC基本相似，并且相同强度等级ACC的fc高于OAC。ACC的fc随fcu增长速率明显低于LAC，对于强度等级较低的ACC，其fc要高于LAC，但随着强度等级的提升，ACC的fc逐渐低于LAC。其原因在于[11,14,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料间的机械咬合力更大，强度相对高于其他两类混凝土。但随着强度等级提高，珊瑚骨料本身脆性大的“缺陷”凸显，导致ACC强度要略低于LAC。

图2 不同种类混凝土fc与fcu之间的对比关系Fig.2 Relationship between fc and fcu of different kinds of concrete

表2 不同种类混凝土fc与fcu的转换关系Table 2 The transform relationships between fc and fcu of different kinds of concrete

同时，考虑珊瑚骨料孔隙率高，脆性大的“缺陷”[18,20-22]，建议采用本身强度较高的鹿角状珊瑚骨料(其内部多为闭合小孔隙)和选用新型海工水泥、剑麻纤维等辅助材料，能有效提升ACC的强度等级。

2 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度

2.1 数学模型

混凝土的劈裂抗拉强度(fsp)与混凝土的抗裂性能密切相关，是建筑物结构正常极限承载力计算中控制裂缝宽度和裂缝间距的主要指标，同时也是抵抗由于温度变形导致开裂的重要因素[11]。近年来，陈兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吴彰钰[28]等众多学者开展了fsp与fcu的研究，并提出ACC的fsp和fcu之间的转换关系(见表3)。

表3 全珊瑚混凝土fsp与fcu的转换关系Table 3 The transform relationships between fsp and fcu of ACC

图3为全珊瑚混凝土fsp与fcu之间的关系。通过对陈兆林[25]、周杰[26]、糜人杰[11]、Wu[27]、吴彰钰[28]等的实验数据进行综合分析，建立了强度等级为C20～C50的全珊瑚混凝土fsp和fcu之间的转换关系(见表3)。

图3 全珊瑚混凝土的fsp与fcu之间的关系Fig.3 Relationship between fsp and fcu of ACC

2.2 不同种类混凝土对比

图4为全珊瑚混凝土(ACC)、轻骨料混凝土(LAC)、普通骨料混凝土(OAC)fsp和fcu之间的对比关系。表4为ACC、LAC、OAC的fsp与fcu的转换关系。由图表可知：ACC的fsp随fcu增长的速率明显大于OAC。ACC与LAC进行比较，ACC的fsp与LAC十分接近，相同强度等级条件下，ACC的fsp仅比LAC高5%左右。主要原因在于[11-12,18]：珊瑚骨料表面粗糙多孔，骨料间的机械咬合力更大，导致ACC强度增长速率高于OAC。

图4 不同种类混凝土fsp与fcu之间的对比关系Fig.4 Relationship between fsp and fcu of different kinds of concrete

表4 不同种类混凝土fsp与fcu的转换关系Table 4 The transform relationships between fsp and fcu of different kinds of concrete

3 抗折强度与立方体抗压强度

混凝土路面由于直接受车辆荷载的重复作用及环境因素的影响，因而要求混凝土应具有较高的抗折强度(ft)。本文统计了ACC与橡胶骨料混凝土(Rubber aggregate concrete，RAC)、OAC的ft和fcu的转换关系(见表5)。图5为ACC、RAC、OAC的ft和fcu之间的关系。由图表可知：在强度等级为C30左右时，ACC的ft略高于RAC和OAC，随着强度等级的提高，ACC的ft明显低于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]，导致ACC的抗弯性能劣于RAC、OAC。

图5 不同种类混凝土ft与fcu之间的对比关系Fig.5 Relationship between ft and fcu of different kinds of concrete

表5 不同种类混凝土ft与fcu的转换关系Table 5 The transform relationships between ft and fcu of different kinds of concrete

4 力学性能提升措施

综上研究表明，ACC能满足工程建设需求。此外热带岛礁温度高、湿度大、盐度高等环境特点[33-35]，加速其力学性能劣化，因此，亟需提升ACC的力学性能。目前主要通过掺入纤维、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施提升ACC力学性能。

1) 掺入外加纤维可以有效提高ACC的强度等级。文献[36-41]通过掺入聚丙烯纤维、钢纤维与玄武岩纤维等纤维，发现能有效提高ACC的fsp与ft。为了解决ACC的脆性问题，吴彰钰等[42]采用新型海工水泥和剑麻纤维制备了一种具有高韧性的新型ACC，发现其fc随fcu增长的速率更快，力学性能显著提升。文献[43-48]发现掺入适量剑麻纤维对ACC的强度也有明显改善。

2) 改善骨料特性可以提升ACC的强度等级。考虑珊瑚骨料孔隙率高、脆性大等天然“缺陷”，窦雪梅[49]、苏晨[18]等建议采用本身抗压强度高的鹿角状珊瑚骨料(其内部多为闭合小孔隙)制备ACC，其强度显著高于一般珊瑚骨料。此外，ACC脆性具有明显的尺寸效应[50]。当ACC的截面尺寸增大，尤其是高宽比增大时，脆性指数降低，脆性增大，所以工程中应采取适中的截面尺寸，在保证强度的同时减小脆性带来的不利影响。

3) 其他措施。掺入硅灰能有效提升ACC的fcu及fsp，但最佳掺量(20%～30%[51-55])明显高于OAC。张呈强[56]等研究了配合比对ACC强度的影响，指出ACC的抗压强度随着珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表现出先增后减的变化规律，随着水泥用量增大而增大。利用骨料高孔隙率的特征，充分发挥其“吸水”、“返水”作用，可以提高ACC的密实性，进而提升强度[57-58]。

5 结论

1) 全珊瑚混凝土(ACC)的轴心抗压强度fc与立方体抗压强度fcu之间具有明显的线性关系。ACC的fc随fcu增长规律与普通骨料混凝土(OAC)基本相似。ACC的fc随fcu增长速率明显低于轻骨料混凝土(LAC)，对于强度等级较低的ACC，其fc高于LAC，但随着强度等级的提升，ACC的fc逐渐低于LAC。

2) ACC的劈裂抗拉强度fsp与fcu之间具有明显的线性关系。ACC的fsp随fcu增长速率明显大于OAC，与LAC基本相似，相同强度等级条件下，ACC的fsp仅比LAC高5%左右。

3) ACC的抗折强度ft与fcu之间具有明显的线性关系。相同配合比ACC的ft明显低于OAC和橡胶骨料混凝土(RAC)，导致ACC的抗弯性能劣于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”，同时ACC处于高温、高湿、高盐的热带岛礁环境，建议通过掺入纤维、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施，改善ACC的力学性能。