全珊瑚海水混凝土静动态力学性能与数值模拟

麻海燕，余红发，郭建博，梅其泉，刘婷; MA Haiyan; YU Hongfa; GUO Jianbo; MEI Qiquan; LIU Ting

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1. 南京航空航天大学民航学院，江苏南京 211106； 2. 三江学院土木工程学院，江苏南京 210012

中图分类号： TU528.01

最近更新：2023-12-01

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.11.003

摘要

采用试验和三维随机骨料细观模型，研究了全珊瑚海水混凝土（CASC）在高温前后的静动态力学性能、抗侵彻和防爆性能. 结果表明：添加剑麻纤维能有效改善CASC的脆性；随着温度的提高，CASC的残余抗压强度先增后减；经历高温后CASC的静动态力学性能明显降低，温度越高，高温弱化效应越明显. 提出了描述CASC高温后受压应力-应变关系的两段式方程.建立了一种适用于CASC的三维随机骨料细观模型，数值模拟结果与试验结果较为吻合.

关键词

全珊瑚海水混凝土; 准静态力学性能; 动态力学性能; 应变率效应; 数值模拟

中国南海诸岛大部分为珊瑚岛礁，具有丰富的珊瑚资源.自中国提出“一带一路”和“海洋强国”等战略后，对南海诸岛基础设施的建设已初具规模. 为降低成本，缩短建设周期和解决原材料来源等问题，在不破坏岛礁现有生态坏境的前提下，就地取材，充分利用珊瑚碎屑和珊瑚砂来代替普通砂石骨料，用海水加以拌和制备全珊瑚海水混凝土（CASC）. 在对工程结构，尤其是一些军事防护工程及重要设施进行设计和分析时，既要考虑基本受力情况，也要考虑冲击、爆炸等因素. 因此，深入研究CASC高温前后的静动态力学性能、抗侵彻和防爆性能，对保证岛礁工程的结构安全具有重要理论意义和较高实用价值.

鉴于此，本文介绍了本课题组自2018年以来开展的CASC系列研究成果，其中包括CASC的静态力学性能^［

1‑8］、动态力学性能^{［参考文献 2‑3}2‑3，，9‑13］、抗侵彻与抗爆炸性能^{［参考文献 14‑16}14‑16］和数值模拟^{［参考文献 17‑23}17‑23］等.这些研究不仅为岛礁工程建筑的多维度评定提供参考依据，还为CASC在岛礁工程中的应用提供了基础数据和理论支持.

1 试验

1.1 原材料

水泥选用南京江南-小野田水泥有限公司产P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥和沈阳市嘉宝环球实业有限公司产52.5型碱式硫酸镁水泥，其中后者的主要成分是轻烧氧化镁、硫酸镁、磨细矿渣与核心外加剂，具有较高的韧性.粉煤灰（FA）为南京电热厂生产的Ⅰ级粉煤灰.矿渣（SG）为江苏江南粉磨公司S95级磨细矿渣.珊瑚和珊瑚砂均来自南海某岛礁，其中珊瑚为5~15 mm连续级配，珊瑚砂为中砂，细度模数2.44.减水剂为江苏苏博特新材料有限公司聚羧酸高效减水剂.人工海水为3.5%的NaCl溶液.剑麻纤维为广西剑麻集团产剑麻纤维，直径为0.03 mm.

1.2 配合比

基于高性能轻骨料混凝土（采用轻骨料配制出的混凝土，其表观密度不大于1 950 kg/m³）配合比设计原理及富浆理论^［

1］，来配制C30~C70强度等级的CASC. 试件制备及试验方法参考文献［1］.

2 结果与讨论

2.1 准静态单轴受压试验

2.1.1 常温下的力学性能

2.1.1.1 弹性模量

图1为4种混凝土弹性模量E_c与轴心抗压强度f_c的关系.图中CASC为全珊瑚海水混凝土、SFCASC为剑麻纤维全珊瑚海水混凝土、BMSCCASC为碱式硫酸镁水泥全珊瑚海水混凝土、BMSCC为碱式硫酸镁水泥混凝土.由图1可见：4种混凝土的弹性模量均随着轴心抗压强度的增大逐渐增大；由于C30强度等级的SFCASC存在剑麻上浮现象，导致试件承载力降低，从而使得其弹性模量偏小；BMSCCASC的弹性模量增速明显高于CASC和SFCASC，说明碱式硫酸镁水泥BMSC对CASC的弹性模量增强效果较为明显；CASC的弹性模量整体远低于BMSCC，这是由于珊瑚骨料相对于普通石子来说强度较低，内部存在很多孔洞，容易发生脆性破坏.

图1 4种混凝土弹性模量与轴心抗压强度的关系

Fig.1 Relationship between elastic modulus and axial compressive strength of four kinds of concretes^［

13］

2.1.1.2 压缩韧性

图2为CASC与SFCASC的静态压缩韧性指数η_c10. 由图2可见，SFCASC的η_c10为CASC的1.12~1.18倍，表明剑麻纤维对CASC的静态压缩性能具有明显增韧作用，当混凝土破坏时，试件内部的剑麻纤维拉力会抑制裂纹扩展，提升整体韧性.

图2 CASC与SFCASC的静态压缩韧性指数

Fig.2 Static compression toughness indices of CASC and SFCASC^［

10］

2.1.1.3 不同种类混凝土的应力-应变全曲线对比

图3为C50强度等级CASC^［

3］、SFCASC^{［参考文献 4

百度学术}4］、LAC（火山岩、黏土、页岩石轻骨料混凝土）^{［参考文献 24

百度学术}24］和OPC（普通混凝土）的应力-应变全曲线.图中

ε

和

ε_{p r}

分别为混凝土的应变和最大应变，

σ

和

σ_{p r}

分别为混凝土的应力和最大应力.由图3可见：CASC和SFCASC的应力-应变曲线上升段比LAC和OPC的线弹性阶段长；CASC和SFCASC下降段比OPC和LAC陡，说明CASC有着较高的脆性，通过增添纤维和使用高韧性水泥，可以降低CASC的脆性.

图3 不同种类混凝土的应力-应变全曲线

Fig.3 Stress‑strain curves for different types of concretes^［

4］

2.1.2 高温后的力学性能

2.1.2.1 相对残余轴心抗压强度

图4为不同强度等级（C35、C55、C70和C80）CASC的相对残余轴心抗压强度 ${f_{c}}^{T}$ / ${f_{c}}^{25}$ 与温度T的关系. 其中 ${f_{c}}^{T}$ 和 ${f_{c}}^{25}$ 分别为混凝土在不同温度T和25 ℃时的轴心抗压强度. 由图4可见：在25~100 ℃区间内，CASC的相对残余轴心抗压强度随着温度的升高而增大；当温度超过100 ℃后，CASC的相对残余轴心抗压强度随着温度的升高而快速降低.

图4 CASC的相对残余轴心抗压强度与温度的关系

Fig.4 Relationship between relative residual axial compressive strength and temperature of CASC^［

2］

2.1.2.2 弹性模量

弹性模量是衡量混凝土材料变形能力的重要指标. 图5为CASC的初始弹性模量 $E_{0}^{T}$ 随温度T的变化曲线.由图5可见：随着温度的提高，CASC初始弹性模量的下降幅度高于其抗压强度的下降幅度，这是因为在高温作用下水泥浆体收缩而粗骨料膨胀，两者界面过渡区出现裂缝，且珊瑚骨料自身也存在高温损伤.

图5 CASC的初始弹性模量随温度的变化曲线

Fig.5 Variation curves of the initial elastic modulus with temperature of CASC^［

2］

2.1.2.3 应力-应变全曲线方程

图6为高温后3种强度等级（C30、C50和C70）CASC的应力-应变（σ‑ε）全曲线.由图6可见：CASC应力-应变全曲线的上升段和下降段有各自明显特征，CASC作为轻骨料混凝土，与普通混凝土相比，具有较大的脆性，其应力-应变曲线上升段的直线段较长，下降段较陡；随着温度的升高，CASC的应力先增加后降低，应变持续增大，说明高温导致CASC变得酥脆，力学性能显著降低.

图6 高温后3种强度等级CASC的应力-应变全曲线

Fig.6 Stress‑strain curves of CASCs with three strength grades after high temperature

根据试验数据曲线具体情况，确定高温后CASC的准静态单轴压应力-应变全曲线，表达式如下：

\{\begin{array}{l} 上升 段： y = \frac{s i n (\frac{π}{2} a x)}{s i n (\frac{π}{2} a)} ， 0 \leq x < 1 \\ 下降 段： y = \frac{x}{b {(x - 1)}^{2} + x} ， x \geq 1 \end{array}

（1）

式中：x = ε/ε₀，ε₀为峰值应变；y = σ/σ₀，σ₀为峰值应力；a、b分别为上升段和下降段曲线的控制参数.

2.2 准静态单轴受拉试验

图7为CASC、SFCASC和OPC的静态轴心抗拉应力-应变曲线. 由图7可见：随着强度等级的提高，各混凝土的轴心抗拉强度增长率均逐渐降低；相同强度等级下，CASC的轴心抗拉强度比OPC高，主要原因是珊瑚骨料多孔结构使得骨料具有吸水和返水作用，导致后期骨料附近水化更充分，增强了骨料与水泥浆体的机械咬合力，而普通砂石骨料表面较为光滑，与水泥石的咬合力远小于珊瑚骨料.

图7 各混凝土的静态轴心抗拉应力-应变曲线

Fig.7 Static axial tensile stress‑strain curves of various concretes^［

11］

2.3 动态力学试验

2.3.1 常温下动态冲击压缩力学性能

图8为C30强度等级CASC和SFCASC的应力-应变曲线. 由图8可见：随着应变率 $\dot{ε}$ 的增加，CASC表现出明显的应变率硬化效应；添加剑麻纤维后，CASC的峰值应力有所下降，但韧性有所提高，且应变率越大，韧性提高越明显.

图8 C30强度等级CASC和SFCASC的应力-应变曲线

Fig.8 Stress‑strain curves of C30 strength grade CASC and SFCASC^［

10］

2.3.2 高温后动态冲击压缩力学性能

2.3.2.1 应力-应变曲线

图9为CASC在不同冲击气压p_im下的应力-应变曲线. 由图9可见：当温度超过300 ℃后，随着温度的升高，CASC的峰值应力减小而峰值应变增大；当温度超过300 ℃后，高温软化效应与应变率增强效应相比，前者占主导地位.

图9 CASC在不同冲击气压下的应力-应变曲线

Fig.9 Stress‑strain curves of CASC at different impact air pressures of CASC

2.3.2.2 高温后峰值应力随应变率的发展规律

图10为高温后CASC动态峰值应力 $σ$ _d随应变率 $\dot{ε}$ 的变化规律. 由图10可见：随着高温温度的升高，CASC的动态峰值应力的增长率随着应变率的增加而降低，即高温弱化效应越来越明显，表明在高温动态冲击试验中存在应变率和高温温度的耦合作用，且当温度超过300 ℃后，高温弱化效应较显著.

图10 高温后CASC动态峰值应力随应变率的变化

Fig.10 Variation of dynamic peak stress with strain rate of CASC after high temperature^［

2］

2.3.3 动态冲击劈拉力学性能

图11为C50强度等级CASC、SFCASC和OPC的冲击劈拉强度 $σ^{T}$ 对比. 由图11可见：在相同应变率下，SFCASC的冲击劈拉强度明显高于CASC与OPC，说明剑麻纤维在高应变率冲击荷载作用下，仍能发挥其增强劈裂抗拉性能的作用，使得混凝土整体韧性提升；因OPC骨料强度和刚度均优于珊瑚，其劈拉强度高于CASC；CASC劈拉裂缝直接贯穿珊瑚骨料，其冲击劈拉强度最小.

图11 C50强度等级CASC、SFCASC与OPC的冲击劈拉强度对比

Fig.11 Comparison of the impact split strength of C50 strength grade CASC， SFCASC and OPC^［

10］

2.3.4 冲击拉伸力学性能

图12为CASC与SFCASC的冲击轴拉应力-应变曲线，纵坐标为冲击轴拉强度 $σ^{T}$ . 由图12可见：（1）CASC的冲击轴拉强度具有明显的应变率效应，其峰值强度随着应变率的增大而增大；CASC的冲击轴拉与冲击压缩和冲击劈拉表现出相同的规律，但冲击轴拉强度对应变率的敏感度比冲击压缩高.（2）SFCASC在冲击轴拉下具有更强的韧性，证明剑麻纤维在混凝土中起到很好的约束作用.

图12 CASC和SFCASC冲击轴拉应力-应变曲线

Fig.12 Impact axis tensile stress‑strain curves of CASC and SFCASC^［

11］

2.4 侵彻试验

CASC侵彻试验中，子弹的总质量为（180.0±1.5） g，子弹速率基本保持在300 m/s. 通过高速摄影机确定弹丸在着靶前的弹姿为水平状态，弹丸仅对靶体侵彻面形成宏观破坏，破坏形态呈漏斗状，靶体侵彻背面和侧面无任何变化. 不同强度等级的CASC靶体被侵彻后，弹坑直径及深度均随着混凝土强度等级的提高有所减小.

图13为CASC侵彻试验的高速摄影照片.由图13可见，当子弹接触CASC靶体时，靶体表面形成大面积破碎剥落，携带大块混凝土材料大量喷射而出.

图13 CASC侵彻试验及模拟

Fig.13 Penetration experiment and numerical simulation of CASC^［

14］

2.5 爆炸试验

图14为C50强度等级CASC爆炸试验. CASC靶板尺寸为500 mm×500 mm×150 mm，内部配双层钢筋，钢筋直径为10 mm、间距为150 mm，保护层厚度为20 mm；爆炸形式为接触性爆炸，炸药为8701型炸药，其直径为35 mm、高为41 mm，质量为67 g，约100 gTNT当量. 由图14可见，爆炸后，CASC迎爆面上产生了不规则的爆坑，而背爆面形成若干以板中心向外扩散的径向裂纹.

图14 CASC爆炸试验

Fig.14 Explosion experiment of CASC^［

16］

混凝土强度等级对CASC靶板的爆坑直径有显著影响，随着强度等级的升高，弹坑直径减小；而强度等级对弹坑的深度影响较小. 从背爆面的破坏破坏情况可以看出，高强CASC背爆面不仅会产生以板中心向外扩散的径向裂纹，还存在多条横裂纹，部分区域甚至出现层裂现象. 由此说明珊瑚混凝土强度等级越高，脆性就越大，背爆面的破坏效果也越显著.

2.6 数值模拟研究

2.6.1 静态模拟

CASC的细观建模方法可参考文献［

17，21］. 基于三维随机细观模拟方法，对课题组研究的CASC准静态压缩性能进行数值模拟. 图15为C30强度等级CASC数值应力-应变曲线^{［参考文献 17

百度学术}17］，其中v代表准静态应变速率，控制在3×10^-6 s^-1. 由图15可见，在单轴压缩荷载作用下，CASC的应力‒应变曲线大致可分为4个阶段——孔隙压实阶段、弹性阶段、屈服阶段和失效破坏阶段. 图16为CASC的准静态压缩破坏过程^{［参考文献 17

百度学术}17］. 由图16可见：当CASC完全发生破坏后，内部出现大量斜向裂缝，这些裂缝从试件顶面贯穿到试件底面，使得CASC模型呈现典型的劈裂破坏模式，与课题组的试验结果相同. 表明上述三维随机细观模型可以很好地模拟单轴压缩荷载作用下CASC的破坏形态.

图15 C30强度等级CASC 准静态压缩应力-应变曲线

Fig.15 Quasi‑static compression stress‑strain curves of C30 strength grade CASC^［

17］

图16 CASC 准静态压缩破坏过程

Fig.16 Quasi‑static compression damage process of CASC^［

13］

2.6.2 动态模拟

针对CASC圆柱体试件进行冲击压缩试验，采用细观模型模拟不同应变率下CASC的破坏形态和破坏过程，研究其动态应力-应变关系及应变率效应. 图17为基于三维随机细观模拟方法，得到的不同应变率（1~ 200 s^-1）压缩荷载作用下CASC的应力-应变曲线. 图17显示，随着应变率的增大，CASC的峰值强度不断增大.

图17 CASC的动态压缩应力-应变曲线

Fig.17 Dynamic compression stress‑strain curves of CASC^［

17］

图18为不同应变率下CASC的动态压缩破坏形态和破坏过程. 由图18可见：在冲击压缩荷载作用下，CASC圆柱体试件最终破坏形式为条状碎块崩裂；随着应变率的提高，CASC的破坏程度逐渐加剧，表现为裂缝数量和宽度增大，碎块数量增多且体积减小，各细观组分的开裂程度加剧.

图18 不同应变率作用下CASC的压缩破坏形态

Fig.18 Compression damage patterns of CASC under different strain rates^［

17］

3 结论

（1）得到不同强度等级全珊瑚海水混凝土（CASC）的应力-应变全曲线，其上升段斜直线线段较长，在应力达到峰值应力90%以上时出现拐点，呈现出明显脆性；添加剑麻纤维可有效增强CASC的韧性.

（2）随着温度的升高，CASC的残余抗压强度和弹性模量均呈现先增后减趋势，温度越高，高温弱化越明显；CASC力学性能的临界温度是300 ℃，对于岛礁工程中防火防灾具有重要意义.建立了高温后的CASC应力-应变全曲线方程，可反映CASC在高温后受压后的全部特征.

（3）CASC在动态冲击压缩、动态冲击劈拉及动态直接拉伸试验中均表现出明显的应变率硬化效应，应变率越高，其应力越大.剑麻纤维的添加可以有效改善CASC的脆性，增加CASC的韧性，使其破坏程度明显降低.

（4）随着混凝土强度等级的提升，CASC靶体侵彻深度和开坑面积不断减小，且伴随大量破碎剥落；爆炸弹坑直径减小，但弹坑深度变化较小.

（5）建立了一种适合于CASC的具有随机形状和尺寸的三维随机骨料模型，并模拟了CASC在动静态作用下的破坏形态与破坏机理.

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