骨料粒徑對(duì)珊瑚混凝土力學(xué)性能影響

余大鵬，易 金，2，宋兆萍，申 妮，張繼旺，安邦國(guó)

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.廣西壯族自治區(qū)北部灣綠色海工材料工程研究中心，廣西桂林541004）

粗、細(xì)骨料總體積一般會(huì)占到混凝土體積的60%～80%，其強(qiáng)度、尺寸、表面形狀和粗糙度等均會(huì)明顯影響混凝土性能。 一般認(rèn)為粗骨料尺寸的增大，“骨架效應(yīng)”和阻裂作用會(huì)得到一定增強(qiáng)，可提高混凝土的靜態(tài)壓縮強(qiáng)度和抗斷裂強(qiáng)度。 但是，混凝土強(qiáng)度的提升不會(huì)隨著骨料粒徑的增大而單調(diào)增加，并與骨料強(qiáng)度和水泥漿強(qiáng)度比值密切相關(guān)。 此外，骨料粒徑與級(jí)配也會(huì)顯著影響新拌混凝土和易性，并進(jìn)一步影響混凝土強(qiáng)度[1-5]。珊瑚混凝土是以珊瑚碎屑作為粗（細(xì)）骨料制備的特殊混凝土，對(duì)于遠(yuǎn)海島礁建設(shè)工程和海洋資源開發(fā)與保護(hù)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義[6-9]。目前，有關(guān)珊瑚混凝土的制備、基本力學(xué)性能、耐久性等[10-17]方面開展了相應(yīng)研究并取得許多研究成果。 由于珊瑚骨料具有質(zhì)輕、多孔，形態(tài)不一、針狀顆粒占比高等特點(diǎn)，其對(duì)珊瑚混凝土強(qiáng)度影響與常規(guī)骨料有顯著差異性，通過不同水灰比、粒徑級(jí)配珊瑚混凝土的基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，分析骨料粒徑大小對(duì)珊瑚混凝土工作性能、破壞形態(tài)和強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)概述

1.1 原材料

選用南海航道清理采掘的天然碎屑作為骨料，42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥， 拌合水為3.5%質(zhì)量濃度的人工海水。 按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級(jí)配摻配珊瑚砂，并根據(jù)建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T 70-2009），測(cè)定了珊瑚砂主要物理性能，見表1 所示。 試驗(yàn)共篩分3 種不同規(guī)格連續(xù)級(jí)配珊瑚粗骨料，如圖1 所示，并根據(jù)輕集料及其試驗(yàn)方法（GB/T 17431.2-2010）測(cè)定珊瑚粗骨料主要物理性能參數(shù)，具體見表2。 同時(shí)，每種規(guī)格隨機(jī)選取50 顆珊瑚粗骨料，利用IPP 軟件采集珊瑚骨料橢球體的長(zhǎng)軸、中軸、短軸3 個(gè)特征長(zhǎng)度值，計(jì)算得出球度值，由圖2 可以看出，粒徑規(guī)格越大珊瑚骨料球度值離散性越大，顆粒形狀越不規(guī)則。

表1 珊瑚砂（細(xì)骨料）的主要物理性能指標(biāo)Tab.1 The main physical indexes of sand

表2 珊瑚粗骨料物理性能指標(biāo)Tab.2 The main physical indexes of coral

圖1 不同規(guī)格的連續(xù)級(jí)配珊瑚粗骨料及其詳細(xì)占比Fig.1 Coarse aggregates of different specifications and detailed proportions

圖2 不同規(guī)格的珊瑚粗骨料球度數(shù)值分布情況Fig.2 Sphericity distribution of coarse aggregates

2 結(jié)果與分析

2.1 骨料粒徑對(duì)全珊瑚集料混凝土流動(dòng)性的影響

由圖3 可以看出，新拌珊瑚混凝土的流動(dòng)性受珊瑚粗骨料粒徑的影響明顯，隨著粗骨料粒徑的增大，坍落度逐漸降低，同水灰比條件下骨料粒徑級(jí)配越大，其和易性越差。如圖4 所示，珊瑚骨料多孔且形狀復(fù)雜的材料特性，需要較多的水泥漿進(jìn)行填充與包裹，其拌合需水量和水泥用量要明顯高于普通混凝土。5～10 mm 連續(xù)級(jí)配的珊瑚粗骨料以短棒狀或小的團(tuán)塊狀居多，其外輪廓球度值相對(duì)較大，骨料間容易相互滑動(dòng)，在攪拌過程中利于與水泥漿的充分接觸，骨料形成均勻的包漿效果，降低了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，新拌珊瑚混凝土表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性。隨著珊瑚粗骨料粒徑的增大，連續(xù)級(jí)配中條狀、樹枝狀的骨料逐漸增多，其棱角鮮明、不規(guī)則的外形使得表面粗糙度增大，骨料間的摩擦阻力增大，在攪拌過程中不利于骨料的翻轉(zhuǎn)，容易形成穩(wěn)定的“剛性骨架”結(jié)構(gòu)，在一定程度上加劇了外裹漿體不均勻的現(xiàn)象，流動(dòng)性逐漸降低。

圖3 不同粒徑級(jí)配珊瑚混凝土的坍落度值Fig.3 Slump value of different particle sizes

圖4 珊瑚骨料孔隙與表面狀況Fig.4 Pore and surface conditions of coral aggregate

2.2 骨料粒徑對(duì)于全珊瑚集料混凝土破壞形態(tài)的影響

骨料粒徑大小對(duì)于全珊瑚混凝土的抗壓破壞過程和形態(tài)影響顯著，但對(duì)于破壞類型影響效果不明顯。試塊受壓破壞過程如圖5 所示，在承壓面兩側(cè)的邊緣處出現(xiàn)短而細(xì)的微裂縫，微裂縫方向平行于受力方向。隨著荷載進(jìn)一步增加，試塊中部和側(cè)面邊緣處陸續(xù)出現(xiàn)獨(dú)立且不連續(xù)的縱向短裂縫。隨著豎向荷載的增大，裂縫沿加載方向快速發(fā)展。 接近破壞時(shí)，試塊裂縫逐漸向內(nèi)發(fā)展，試塊表面外鼓且表皮剝落，當(dāng)裂縫豎向貫穿時(shí)，承載力驟降并破壞，最終形成2 個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F形破壞面。

圖5 試塊開裂及破壞過程Fig.5 Cracking and failure process of test block

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同粒徑的珊瑚混凝土的破壞形式仍以骨料與水泥砂漿間的界面黏結(jié)破壞和骨料斷裂破壞為主，并受水灰比影響。 如圖6 所示，高水灰比試件因珊瑚骨料強(qiáng)度高于砂漿強(qiáng)度，更易發(fā)生骨料與漿體的界面黏結(jié)破壞；較低水灰比時(shí)，水泥砂漿強(qiáng)度增加明顯，珊瑚混凝土受壓破壞時(shí)，沿破壞界面的珊瑚骨料容易發(fā)生斷裂，裂縫直接穿過骨料造成破壞，破壞界面較為平整，呈現(xiàn)出更為明顯的脆性破壞特征。值得說明的是，珊瑚骨料的多孔特征存在一定的吸、返水的過程，水泥漿能夠“嵌套”進(jìn)骨料的孔隙中，界面過渡區(qū)強(qiáng)度得到一定增強(qiáng)，珊瑚骨料粒徑對(duì)于破壞形式的影響并不顯著，如圖7 所示。

圖6 珊瑚混凝土典型破壞形態(tài)Fig.6 Typical failure modes of coral concrete

圖7 w/c=0.40 時(shí)不同粒徑的試件破壞形態(tài)Fig.7 Specimen with different particle with w/c=0.40

2.3 骨料粒徑對(duì)于全珊瑚集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

如圖8 所示，不同骨料粒徑的珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度均隨水灰比的減小而增加。 水灰比0.33 試件強(qiáng)度較0.50 試件大約增加25%，這主要得益于低水灰比條件下水泥砂漿強(qiáng)度的增加。就骨料粒徑而言，珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的增大呈略微增長(zhǎng)， 水灰比0.33 時(shí)5～31.5 mm 骨料粒徑珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度相較5～10 mm 的增強(qiáng)最明顯。 高水灰比時(shí)，受珊瑚骨料多孔特征的影響，采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)試件時(shí)，珊瑚骨料會(huì)出現(xiàn)一定的上浮、分層現(xiàn)象，小粒徑骨料配比時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，無法形成穩(wěn)定的骨架；在保持連續(xù)級(jí)配條件下，隨著骨料粒徑的增大，骨料咬合互鎖提供的穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)能有效減少骨料上浮并約束早期收縮產(chǎn)生的微裂縫，使得抗壓強(qiáng)度得到一定增加。

2.4 骨料粒徑對(duì)于全珊瑚集料混凝土抗折強(qiáng)度的影響

抗折試驗(yàn)時(shí)，珊瑚混凝土的脆性破壞特征更加明顯，試件在加載過程中均未出現(xiàn)明顯裂縫，臨近極限荷載時(shí)才產(chǎn)生裂縫并迅速發(fā)展直至破壞。試件的斷裂面均較為平整，珊瑚骨料也大部分發(fā)生斷裂，小粒徑珊瑚骨料出現(xiàn)與水泥砂漿粘結(jié)破壞。

如圖9 所示，與抗壓強(qiáng)度不同，試驗(yàn)珊瑚混凝土抗折強(qiáng)度隨水灰比降低沒有顯著變化。 抗折強(qiáng)度隨著粒徑的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，小粒徑珊瑚骨料在較大水灰比條件下，由于砂漿強(qiáng)度較低，單個(gè)骨料的錨固力粘結(jié)較弱，出現(xiàn)骨料與砂漿間粘結(jié)界面破壞，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度較低，隨著砂漿強(qiáng)度增加，界面破壞主要表現(xiàn)為貫穿珊瑚骨料的破壞，此時(shí)盡管骨料粒徑增大可以提高抗折強(qiáng)度，但增強(qiáng)效果不如大水灰比條件下明顯。

圖8 不同水灰比各粒徑抗壓強(qiáng)度值Fig.8 Compressive strength values of different watercement ratio

圖9 不同水灰比各粒徑抗折強(qiáng)度值Fig.9 Flexural strength values of different watercement ratio

3 結(jié)論

1） 新拌全珊瑚混凝土流動(dòng)性受骨料粒徑影響顯著。 骨料粒徑越大，新拌珊瑚混凝土流動(dòng)性越差，主要原因是條狀、樹枝狀骨料占比的增加，其咬合互鎖作用不利于骨料的翻轉(zhuǎn)，降低了新拌珊瑚混凝土流動(dòng)性。與普通珊瑚混凝土相似，粒徑大小對(duì)于珊瑚混凝土破壞過程存在一定影響，主要表現(xiàn)為破壞面處骨料貫穿破壞數(shù)量。

2） 較大粒徑珊瑚骨料有利于增強(qiáng)低水灰比條件下珊瑚混凝土抗折強(qiáng)度， 不規(guī)則排列的珊瑚碎屑條狀特性顆粒數(shù)較多，橋接能力有所增強(qiáng)；隨著水泥砂漿強(qiáng)度提高，其增強(qiáng)效果逐漸降低。