珊瑚碎屑混凝土的强度特性及破坏形态分析.pdf

2 0 1 5年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND C E MENT P ROD UC r S 2 01 5 NO 1 J a n u a r y 珊瑚碎屑混凝土的强度特性及破坏形态分析 王磊 1 , 2 ， 范 蕾 ( 1 桂林理工大学土木与建筑工程学院 ， 5 4 1 0 0 4 ； 2 广西岩土力学与工程重点实验室 ， 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 ： 针 对 目前 对珊瑚碎屑 混凝土的力学机理 尚不清晰这一 问题 ， 对不 同龄 期和水灰 比的珊瑚混凝土试块进 行 了试验研 究。 试验结果表 明， 珊瑚混凝土具有旱强、 快硬 的特 点 ； 同时， 当水灰比减小到一定程度后 ， 单纯减小水灰 比并 不能明显提 高珊瑚混凝土的抗压强度 。本文从材料特性 、 界面特性以及龄期和水灰 比等方 面着手 ， 对珊瑚 混凝 土 的强度特 性作 了详细分析 ， 并介 绍 了珊瑚 混凝土的破坏形 态， 从 而可为珊瑚碎屑 应用于海岛混凝土工程提供一定 的参考依据 。 关键词 ： 珊瑚骨料 ； 强度 ； 破坏形 态； 粘结强度 Abs t r a c t ：C u r r e n tl y ，t h e me c h a n i c al me c h a n i s m o f c o r a l d e b ri s c o n c r e t e i s n o t we l l u n d e r s t o o d ，S O the r e s e a r c h o n c o r a l c o n c r e t e t e s t b l o c k i n d i ffe r e n t a g e a n d wa t e r c e me m r a t i o i s c a r r i e d o u t Th e t e s t r e s u l t s s h o w tha t c o r a l c o n c r e t e h a s the c h ara c t e ris t i c s o f f a s t s t r e n g t h e n i n g a n d h a r d e n i n g ， a n d wh e n t h e wa t e r c e me n t r a t i o d e c r e a s e s t o a c e r t a i n e x t e n t ， s i mp l y r e d u c i n g t h e wa t e r c e me n t r a t i o c o u l d n o t res u l t i n o b v i o u s a d d i t i o n s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h of c o r a l c o n c r e t e F r o m th e a s p e c t s o f ma t e r i al p r o p e r t i e s ， i n t e r f a c e p rop e rt i e s ， a g e a n d w a t e r c e me n t r a t i o ， the s t r e n g t h c h a r a c t e ris t i c s of the c o r a l c o n c r e t e a r e a n a l y z e d i n d e t ail ， a n d t h e f a i l u r e p a t t e r n i s i n t rod u c e d ，w h i c h C an p r o v i d e r e f e r e n c e f o r a p p l i c a t i o n of c o r a l d e b ris i n i s l a n d c o n c r e t e e n g i n e e rin g Ke y wo r d s ： Co r a l a g e g ate ；S tr e n gth ； F a i l u r e p a t t e rn； B o n d i n g s t r e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 1 0 4 0前言 随着海洋开发步伐 的加快 ， 海洋工程建设 13益 增 多 ，对 于远离大陆 的岛礁工程也 出现 了一 些问 题 ， 如交通不便 、 运输费用太高、 工期难以保证等 。 因此 ， 在不破 坏当地生态环境 的前提下 ， 在岛礁上 就地取材 ， 利用珊瑚礁代替碎石 ， 用海水代替淡水 ， 配制 海水拌养混凝土对于海 岛建设工程具 有很大 的实际意义【 ” 。珊瑚碎屑为珊瑚虫死后的产物 ， 其矿 物质成分主要为文石和高镁方解石， 化学成分主要 为碳酸钙闭 。通常情况下 ， 采用珊瑚碎屑作为粗骨料 可以获得 C 2 0 C 3 0强度 区间的混凝土 ， 能够满足一 般 的工程需要 ， 在远 海岛礁的基础建 设 中可以起到 降低造价、 缩短工期的效果。目前 ， 国内外学者虽然 对珊瑚混凝土有所研究 ， 但对其力学机理的系统研 究还较少 。本文从珊瑚骨料 的特殊性 出发 ， 对 珊瑚 混凝土的强度特性及破坏形态进行了具体分析 。 1 试验设计 1 1 试验材料 水泥 ： 广西兴安产 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ； 砂 ： 普通天然河砂 ； 拌合水 ： 海盐人工配制的海水 ， 具体 基金项 目： 教育部重点科研项 目( 2 1 2 1 3 4 ) 。 参数参照广西北部湾北海海滨距离海岸 5 0 m 处下 方 5 m深度 的海水取样 ； 天然粗骨料 ： 北海涠洲岛疏 浚港地 、 航 道采 掘 出的珊瑚 礁混合材料 ， 属 于普通 碎 石型 珊瑚 材料 。 1 2 试验 方法 考虑珊瑚骨料属于一种轻集料，故本试验参考 J G J 5 1 2 0 0 2 ( 轻集料混凝土技术 规程 中单一变量 法 进行 珊瑚 混 凝 土配合 比设计 ，设 计 水灰 比为 0 3 3 、 0 4 0 、 0 4 7 ， 具体配合 比如表 1 所示。 表 1 珊瑚混凝土配合 比 k g m 本 试 验 根 据 表 1中 配 合 比制 作 1 5 0 ram X 1 5 0 mmx l 5 O mm试块 ， 制作完 成后 ， 在温度 为 ( 2 0 2 ) ，湿度 9 0 的标准养护条件下将试件养护至相 应 龄期 ( 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d ) 后 ， 测试其立 方体抗 压强 度 及劈裂抗 拉强度 ，试 验方法参 照 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行 。 2珊瑚混凝土强度的影响因素 2 1 珊 瑚骨 料 的材料 特性 一 1 一 王磊 ， 范蕾 珊瑚碎屑混凝土的强度特性及破坏形态分析 抗压强度要大于普通混凝土 ， 珊瑚骨料混凝土与普 通混凝土相 比 ， 抗压强度早期发展较快 ， 证实 了珊 瑚 混凝土早强快硬的特点 ， 7 d即可达到 2 8 d抗压强 度的8 0 左右 ， 但后期强度增长缓慢 。 珊瑚混凝土早 期强度增长较快 而后期 增长缓慢主要有两方 面原 因： 本试验采用海水拌养的珊瑚混凝土， 利用海 水拌养相 当于在混 凝土 中加入 了无机盐尤其是 氯 盐类 的外加剂 ， 氯盐具 有明显的早强作用 ， 使其早 期强度有所提高 。拌合初期 吸、 返水 特性所形成 的 自我养护作用 ， 提高 了水 泥石和珊瑚 骨料 的界面 硬度 ， 使得在养护初期珊瑚混凝土的相对抗压强度 较 高 。 l I 2 1 O 鼎 0 8 幽 0 6 靛 0 4 O 2 0 0 凝 土 凝 土 U 5 l U l 5 2 0 2 5 30 龄期 d 图 6 龄期 与相 对抗 压强度的关系 2 4 水灰比对强度的影响 和其它轻骨料混凝土一样 ， 珊瑚 混凝土 的抗压 强度随着水灰 比的增加显著降低 。一般情况下 ， 需 要控制水灰 比在 0 6以下 ，才 能获得较为理想的抗 压强度 。普通混凝土的强度随着水灰 比的减少呈现 出快速增大 的趋势 ， 而珊瑚混凝土虽然其抗压强度 随着水灰 比的减少也表现为不断增加 ， 但是其趋势 与普通混凝土相 比有所不同。当水灰 比减小到一定 程度后 ， 单纯减小水灰 比并不能使抗压强度得到明 显 提升 ， 如图 7所示。造成此种现象 的原 因主要有 两个方面 ： 一方面 ， 由于珊瑚骨料孔隙率较高 ， 加之 针状颗粒 占比较大 ， 使其在小水灰 比状态下表现出 典 型的干硬混凝土性质 ，振捣密实的难度较高 ； 更 为重要 的是 ， 珊瑚 作为轻骨料 的一种 ， 其本身具有 多孔 、 表面粗糙 、 相 当一部分体形细长 的特点 ， 其强 度和弹性模量都远低于天然石材 ， 根据复合材料 的 特点 ， 混凝土在微观上可视为粗集料和砂浆组成的 复合材料 ， 其性质取决于两相材料的强度和弹性模 量的相对大小 ， 当集料的弹性模量 既 大 于砂浆 的弹 性模量 时， 这种材料称为软质复合材料 ； 反之 ， 为 硬质复合材料。珊瑚混凝土在轴压作用下的破坏可 以分为两种情况 ： 当水 灰 比较大 ， 砂 浆强度较低 时 ， E m E o ，其受力状态及破坏形式与普通混凝土相 似 ， 表现为软质复合材料受力特征 ， 当受到压力作 用时，珊瑚混凝土强度 主要取决于砂浆强度 ， 因 此 ， 当水灰 比减小时 ， 砂浆强度 明显提高 ， 进而提高 珊瑚混凝土的抗压强度 。 随着水灰 比的减小 ， 当 砂浆强度达到或超过珊瑚骨料强度后 ， 宏观力学性 能逐渐转变为硬质复合材料的受力特征 ， 其抗压强 度主要取决于珊瑚骨料强度和砂浆强度 的共 同作 用 ， 早在荷载达到混凝土强度 以前 ， 珊瑚 骨料 已经 开始破坏 ， 因此 ， 单 纯减小 水灰 比已经很 难大幅度 提高其抗压强度 。 如图 8所示 ， 在 A点以前 ， 普通混 凝土和珊瑚混凝土的强度 曲线相重合 ， 混凝土强度 随着砂浆强度的增 加而增加 ； 过 了 A点后 ， 普通混 凝土强度 随砂浆强度的增加而明显增加 ， 而对于珊 瑚混凝土 ， 此时其砂浆强度 已经达到或超过珊瑚骨 料 的强度 ， 单纯提高砂浆强度已无法明显提高珊瑚 混凝土的强度 ， 故 A B段曲线斜率趋于平缓 。 8 O 6 O 皇 越 4 0 嘿 2 O 0 0 O 2 04 0 6 0 8 水灰 比( W C ) 图 7水灰 比和抗压强度 的关 系曲线 U l O 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 砂浆强 度 MP a 图 8 砂浆强度和混凝 土强度关 系曲线 3破坏 形态 3 1 受压状态 混凝 土中本 身存 在收缩裂缝和 由于骨料 周围 泌水产生 的微裂缝 ； 在竖 向荷载作用下 ， 骨料和水 泥石粘结面出现应力集 中， 当拉应力超过界面的粘 结强度时 ， 将出现一些新的裂缝 ， 同时初始微裂缝 进一步扩展 ； 当荷 载接近或达到极 限荷载时 ， 裂缝 一 3 一 柏 加 m W ， 雠骥幽 P 8 N州繇噬