吳家文， 馬林建， 孔新立， 羅棕木， 段力群

(1.陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室， 江蘇 南京 210007；2.陸軍工程大學 國防工程學院， 江蘇 南京 210007)

近年來，為發(fā)展海洋經(jīng)濟，落實維護海洋權(quán)益的戰(zhàn)略部署，中國島礁工程建設(shè)步伐不斷加快.全珊瑚混凝土因其取材便利、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點，逐漸成為島礁建設(shè)主要承載體和建筑材料來源之一[1].與碎石、河砂等常規(guī)骨料相比，珊瑚骨料具有多孔隙、易破碎及形狀不規(guī)則等特點，導致全珊瑚混凝土與普通混凝土之間的物理力學特性差異顯著.迄今為止，國內(nèi)外學者主要圍繞全珊瑚混凝土的制備[2]、基本物理力學特性[3]、耐久性[4]及其改性[5]等方面展開研究，并取得初步成果.全珊瑚混凝土表觀密度為 2150～2500kg/m3，縱波波速3400～4800m/s，橫波波速1700～2400m/s，波速與強度線性相關(guān)[6].由于珊瑚骨料具有多孔性，全珊瑚混凝土對海水、膠凝材料和外加劑的用量較大，表現(xiàn)出早強、快硬的特點[7].遠海高溫、高濕、高鹽霧和強輻射的熱帶海洋環(huán)境加快了混凝土碳化和氯離子腐蝕速度，導致島礁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命比陸地混凝土結(jié)構(gòu)短，直接制約了全珊瑚混凝土的大規(guī)模工程應用.通過添加纖維或礦物摻和料，在一定程度上可以提高全珊瑚混凝土的強度、抗腐蝕性，同時改良其脆性性能[8].

島礁工程所處環(huán)境復雜，建筑結(jié)構(gòu)不僅要經(jīng)受地震、海嘯和臺風等動荷載的作用，還要面臨突發(fā)武器打擊和偶然爆炸破壞威脅，因此全珊瑚混凝土的動力特性研究對于島礁基礎(chǔ)工程建設(shè)至關(guān)重要.眾所周知，混凝土等脆性材料的動態(tài)力學特性具有明顯的應變率效應.Tang等[9]對2類高強混凝土進行5～230s-1應變率下的單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)均可合理描述高強混凝土動態(tài)強度與應變率之間的關(guān)系.歐洲混凝土規(guī)范(CEB)給出了同等級混凝土動態(tài)強度增長因子(DIF)建議公式，并認為低強混凝土比高強混凝土的抗壓強度率效應更為顯著.李杰等[10]統(tǒng)計分析了普通混凝土單軸壓縮應力-應變?nèi)€后，發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度與應變率呈正相關(guān)，而其峰值應變與應變率無明顯關(guān)系.此外，在復合材料混凝土動態(tài)力學特性方面的研究成果也較為豐碩，如鋼纖維[11]、聚丙烯纖維[12]的添加可顯著增強混凝土韌性.

然而迄今為止，以珊瑚為骨料的混凝土動態(tài)力學特性相關(guān)研究未見報導，為此本文開展了全珊瑚混凝土在不同加載速率下的動態(tài)壓縮特性試驗研究，探討了應變率對全珊瑚混凝土動態(tài)強度增長、能量演化、破壞模式及破碎分形特征的影響，以期為島礁建設(shè)與工程防護提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 試驗

1.1 試件制備

選取島礁原生珊瑚礫石為粗骨料，珊瑚砂為細骨料，珊瑚骨料的基本物理性質(zhì)見表1.粗骨料粒徑范圍為5～10mm，細骨料細度模數(shù)為2.87，篩分曲線見 表2.人工海水依據(jù)ASTM D1141—2003《Standard practice for the preparation of substitute ocean water》配制，其組成為：NaCl(24.5kg/m3)、MgCl2·6H2O (11.1kg/m3)、Na2SO4(4.1kg/m3)、CaCl2(1.2kg/m3)及KCl(0.7kg/m3).水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.

表2 細骨料級配Table 2 Gradation of fine aggregate

因珊瑚粗骨料的表觀密度為2564kg/m3，介于輕骨料和普通混凝土骨料之間，故參考輕骨料混凝土和普通混凝土的配合比設(shè)計[13]，制定全珊瑚混凝土配合比，如表3所示.另外，由于珊瑚粗骨料和細骨料均有較高的吸水率(約9%，質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的吸水率、水灰比等除特別注明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比)，試驗選用減水率25%、含固量40%的超塑化減水劑，將水灰比(mW/mC)保持在0.5左右，經(jīng)充分攪拌后的拌和物坍落度為35～45mm.

新拌全珊瑚混凝土在350mm×350mm× 60mm 木制模具中養(yǎng)護28d后鉆芯取樣.取樣過程中不斷在鉆頭處注水，減小混凝土與轉(zhuǎn)頭間的摩擦，并適當降低轉(zhuǎn)速，以減輕鉆頭轉(zhuǎn)動對試件的擾動損傷.將鉆取的圓柱體端面磨平，保證兩端不平整度小于0.02mm，直徑誤差小于0.3mm，端面不垂直度小于0.25°，制成21個φ100× 50mm 的全珊瑚混凝土圓柱體試件，其中3個試件用于準靜態(tài)壓縮試驗，18個試件用于動態(tài)沖擊壓縮試驗.

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

1.2 試驗設(shè)備

分離式霍普金森桿(SHPB)試驗技術(shù)基于一維彈性應力波理論，滿足平面假定和均勻性假定基本假定.試驗用SHPB試驗裝置如圖1所示，其中子彈、入射桿和透射桿長度分別為0.8、4.0、3.0m，桿徑為100mm.

圖1 SHPB試驗裝置Fig.1 SHPB test device

選取厚度2mm的橡膠片為整形器，以消除高頻波成分，減少波的彌散，將矩形脈沖整形為具有緩慢上升沿且無P-C振蕩的半正弦入射波，使試件在動力加載過程中有足夠時間達到應力平衡狀態(tài).試件與SHPB桿接觸面均涂抹凡士林，以減少端部摩擦效應.

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)單軸壓縮應力-應變曲線

圖2為全珊瑚混凝土試件在30.12～143.32s-1應變率下的動態(tài)單軸壓縮應力-應變(σ-ε)曲線(以下簡稱應力-應變曲線).需要說明的是，所選用9個試件(DUC-1～DUC-9)的曲線為剔除試驗設(shè)備、試驗方法等不合理影響因素后的結(jié)果.由圖2可見：全珊瑚混凝土試件的應力-應變曲線分為壓密、彈性、屈服和破壞4個階段；動力沖擊作用下9個試件的彈性模量平均值為26.78GPa，峰值應變范圍為 0.4%～ 1.0%，具有典型的脆性破壞特征，相比之下，普通混凝土的動態(tài)應力-應變曲線無明顯壓密段[15].全珊瑚混凝土呈現(xiàn)出孔隙壓密段主要是珊瑚骨料的孔隙結(jié)構(gòu)以及混凝土基體內(nèi)微孔洞隨著加載應力的增加不斷壓密所致，反映了全珊瑚混凝土多孔疏松的微觀結(jié)構(gòu)特征.全珊瑚混凝土骨料的多孔性、易壓縮性，與輕骨料混凝土骨料特性相似[15]，使得2類混凝土的峰值應變范圍基本相同.由圖2還可見，全珊瑚混凝土試件的應力-應變曲線在峰后階段大多表現(xiàn)出應變軟化行為，但試件DUC-1和試件DUC-2在應力達到峰值后，應變略有減小.這是由于當應變率小于 49.12s-1時，試件并未完全破碎，在沖擊變形過程中存在部分回彈現(xiàn)象.

圖2 不同應變率下全珊瑚混凝土試件的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of coral concrete specimensunder different strain rates

2.2 動態(tài)抗壓強度及機理分析

圖3 全珊瑚混凝土、C40普通硅酸鹽混凝土和輕骨料混凝土的DIF與應變率的關(guān)系Fig.3 Relationship between DIF and strain rate for coralconcrete， C40 ordinary Portland concrete and lightweight aggregate concrete

由圖3可見：在高應變率動力沖擊作用下，全珊瑚混凝土的DIF隨應變率增加呈非線性增大，但增速逐漸變緩，在30.12～143.32s-1應變率范圍內(nèi)，全珊瑚混凝土的DIF由1.73增至2.56，增幅達47.98%；在同等應變率下，全珊瑚混凝土的DIF高于C40普通硅酸鹽混凝土[16]，略低于輕骨料混凝土[17]；盡管一般輕骨料混凝土的DIF較高，但其靜力強度偏低，導致其動力強度較低.相比之下，全珊瑚混凝土抵御動態(tài)沖擊能力較強，可用于防護結(jié)構(gòu).利用指數(shù)冪型關(guān)系式擬合全珊瑚混凝土DIF與應變率的關(guān)系，見式(2)：

(2)

由式(2)可見，全珊瑚混凝土的DIF與應變率的0.5次方呈線性關(guān)系.圖3顯示，式(2)預測曲線與試驗結(jié)果具有較好的一致性.混凝土細觀上可視作由粗細骨料、砂漿基質(zhì)、過渡區(qū)界面、微裂紋或孔隙等組成的多相非均質(zhì)復合材料.準靜態(tài)加載條件下，加載時間可滿足混凝土內(nèi)應力平衡和微裂紋展開速度的要求[18]，且骨料、砂漿基質(zhì)及其過渡區(qū)受力均勻[19]，微裂紋沿強度薄弱路徑開展；高應變率沖擊加載條件下，全珊瑚混凝土產(chǎn)生的裂紋數(shù)量大幅增加，所吸收的能量相應增多，而裂紋擴展速度滯后于加載速度.根據(jù)沖量定理或功能原理可知，滯后變形將導致應力的增加，最終導致全珊瑚混凝土動態(tài)抗壓強度提升.同時，珊瑚骨料特有的孔隙結(jié)構(gòu)形成了骨料與砂漿基質(zhì)間致密的界面過渡區(qū)，且骨料本身具有優(yōu)良的消波吸能效能，使全珊瑚混凝土在沖擊動載作用下表現(xiàn)出較好的變形協(xié)調(diào)性，避免了界面過渡區(qū)、微裂隙和微孔洞等局部應力集中現(xiàn)象.另外，占全珊瑚混凝土質(zhì)量40%的珊瑚粗骨料同樣具有顯著的應變率效應特性[20]，也使得全珊瑚混凝土DIF高于同等級普通硅酸鹽混凝土.

2.3 能量演化規(guī)律

試件在外荷載作用下所吸收的總能量主要轉(zhuǎn)化為可恢復的彈性應變能與不可恢復的耗散能.假定試件卸載后的彈性模量Ec近似為加載段的線性部分，在單軸應力狀態(tài)下，應變能可用式(3)計算[21]：

(3)

式中：ε0為試件的上限應變；U、Ue、Ud分別為試件單位體積的總應變能、彈性應變能、耗散能.

當上限應變?yōu)榉逯祽儠r，利用式(3)可計算出峰值應力處的各能量.圖4為試件DUC-4在動力沖擊作用下的能量演化曲線.

圖4 試件DUC-4的應變能演化曲線Fig.4 Strain energy evolution curves of specimen DUC-4

由圖4可見：在AB段，累積耗散能始終穩(wěn)定在 10kJ/m3以內(nèi)，彈性應變能與試件吸收的總應變能增幅相同，大量彈性能在此階段得以儲存；當應力水平達到屈服極限(點B)時，耗散能逐步增加，主要用于試件內(nèi)部微裂紋萌生和微裂縫連通；在應力峰值點(點C)，彈性應變能達到最大值145.9kJ/m3；之后，伴隨全珊瑚混凝土的脆性破壞，試件儲存的大部分彈性能與部分源于外力做功的能量轉(zhuǎn)化為耗散能，并以宏觀裂縫開展貫穿、碎片拋出以及聲能、熱能的形式釋放耗散能.

圖5為30.12～143.32s-1應變率范圍內(nèi)全珊瑚混凝土試件峰值點的能量關(guān)系曲線.由圖5(a)可以看出，全珊瑚混凝土試件單位體積內(nèi)總應變能、彈性應變能、耗散能均與應變率呈正相關(guān)關(guān)系，且彈性應變能始終大于耗散能，表明全珊瑚混凝土受壓變形過程中所吸收的總應變能更多用于其彈性變形.由 圖5(b) 可以看出，在能量分配方面，盡管耗散能占總吸收能量的比率相對較小，但隨總應變能增加而不斷增加，而彈性能比率逐漸降低，表明全珊瑚混凝土所吸收的沖擊能量更多地用于裂縫發(fā)展等能量耗散過程，使混凝土破碎程度更加嚴重.

圖5 全珊瑚混凝土試件峰值點的能量關(guān)系曲線Fig.5 Energy curves of the peak point of coral concrete specimens

2.4 破壞模式與破碎分形

2.4.1破壞模式

水泥砂漿與粗骨料之間的孔隙、微裂縫和弱黏結(jié)界面等內(nèi)部缺陷往往是普通混凝土基體的薄弱部位.圖6為全珊瑚混凝土試件不同尺度的破壞形態(tài).

圖6 全珊瑚混凝土試件不同尺度的破壞形態(tài)Fig.6 Coral concrete specimen damage at different scales

由圖6可見，在動力沖擊作用下，全珊瑚混凝土試件的裂縫垂直于端面發(fā)展(圖6(a))，破碎路徑貫穿珊瑚骨料(圖6(b))，顯著區(qū)別于普通混凝土沿膠結(jié)界面破壞的模式.這主要由于珊瑚骨料與砂漿過渡區(qū)高度致密(圖6(c))，沒有明顯缺陷，而珊瑚骨料本身孔隙較多，屬于明顯薄弱部位所致.全珊瑚混凝土在膠結(jié)面微觀結(jié)構(gòu)及骨料物理特征方面與輕骨料混凝土相似，兩者均存在骨料與砂漿基體界面過渡區(qū)致密結(jié)構(gòu)[22]，最終的破壞模式也基本相同.珊瑚骨料由于其多孔微觀結(jié)構(gòu)、高孔隙率，能夠在攪拌初期吸收和保留水分，水化硬化過程中釋放水分，局部水灰比通過“吸水-釋水”效應得以調(diào)節(jié)，提高了骨料與水泥砂漿之間的黏結(jié)強度，微孔隙中的水化產(chǎn)物與水泥漿可形成“內(nèi)鎖效應”[23]；粗糙的表面紋理也進一步增強了膠結(jié)界面的摩擦強度.由此可見，砂漿和骨料的高黏結(jié)強度主要歸因于珊瑚骨料特有的多孔結(jié)構(gòu)和粗糙界面特性.

圖7給出了3個典型應變率下全珊瑚混凝土試件(DUC-1、DUC-3和DUC-7)的沖擊破碎程度.由圖7可見：在較低應變率狀態(tài)下，試件破壞程度較小，中心處仍保留其完整性，破壞以邊緣裂紋開展為主導，碎屑主要呈條狀；當應變率增加到100.58s-1時，壓碎和磨碎過程伴隨裂紋開展共同進行，使得碎屑更加細小、均勻；59.43s-1應變率下全珊瑚混凝土的破碎形態(tài)屬于過渡狀態(tài).

圖7 不同應變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

分形幾何主要研究內(nèi)容為不規(guī)則曲線與形狀的自相似性，自相似性分形認為維數(shù)變化是連續(xù)的，處理的對象具有非規(guī)則性和自相似性.簡單來說，自相似性是局部到整體成比例縮小的性質(zhì)，也稱尺規(guī)不變性[24].巖石、混凝土等脆性材料的破碎分布具有分形特征，采用分形維數(shù)對混凝土破碎進行定量描述，可以合理地反映其破碎程度.其中，顆粒質(zhì)量與尺寸滿足以下關(guān)系[24]：

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

(4)

式中：M(x)和MT分別為尺寸小于x的碎塊累積質(zhì)量和碎塊總質(zhì)量；x和xm分別為顆粒尺寸和破碎塊體最大尺寸.

在雙對數(shù)坐標中用一次方程擬合M(x)/MT與x/xm，根據(jù)直線斜率S(S=3-D)，計算得到分形維數(shù)D.圖8為應變率的對數(shù)形式與分形維數(shù)的線性關(guān)系.

圖8 應變率的對數(shù)形式與分形維數(shù)的線性關(guān)系Fig.8 Linear relationship between the logarithmic form of strain rate and fractal dimension

由圖8可見，當應變率從30.12s-1提高到143.32s-1時，分形維數(shù)D由2.076增加到2.302，增幅為10.79%.擬合得到的預測曲線表達式見式(5)：

(5)

圖8顯示擬合預測曲線與試驗結(jié)果具有較好的一致性.由此說明，全珊瑚混凝土的分形維數(shù)與應變率對數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié)論

(2)全珊瑚混凝土屈服前所吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為彈性應變存儲于試件內(nèi)部；屈服后全階段耗散應變能逐漸增大并成為能量分配的主體.隨著應變率的增加，試件吸收外荷載做功的能力增加，耗散能占總應變能的比率隨應變率增加而逐漸增加，而彈性能比率略有下降.

(3)全珊瑚骨料微孔隙結(jié)構(gòu)的“吸水-釋水”效應使得骨料與水泥漿體界面的黏結(jié)強度較高，表面粗糙增加了膠結(jié)界面的摩擦強度，而骨料本身強度低、易破碎，動力沖擊往往導致全珊瑚混凝土穿骨料破壞.同時，隨著應變率的增加，全珊瑚混凝土破碎程度增加，破碎分形維數(shù)增大.