全珊瑚海水混凝土冲击压缩性能试验研究与数值模拟

岳承军, 余红发, 麻海燕, 梅其泉, 刘 婷

(南京航空航天大学 民航学院, 江苏 南京 211100)

珊瑚礁是一种特殊的岩土类型,其主要的矿物成分是文石和高镁方解石,碳酸钙含量在96%以上[1].这些特殊的岛礁堆积物可以作为一种新型的建筑材料[2]——珊瑚骨料(CA).近些年由于南海争端问题日趋严重,南海岛礁工程的建设成为中国南海开发的当务之急.全珊瑚海水混凝土(CASC)的配制采取就地取材的原则,利用当地岛礁丰富的珊瑚资源作为原材料,为南海岛礁工程建设提供了便捷的建筑原材料.在南海复杂的自然环境中,建筑物除受到基本准静态荷载外,可能还会受到剧烈的冲击荷载,如防护堤会受到海浪冲击力,机场跑道要承受飞机降落的冲击力,高层建筑会受到风荷载的作用,地震区建筑会受到地震荷载作用等.因此,对CASC的研究具有非常重要的现实意义和实用价值.

美国是最早研究和利用珊瑚混凝土的国家.早在二战期间,美国和日本都曾在太平洋岛礁上,大量使用珊瑚混凝土修建防御工程、道路和机场.20世纪50年代,美国海军土木工程实验室[3-4]报道了有关珊瑚骨料开采和加工、珊瑚混凝土配合比和搅拌标准等研究.英国、丹麦、澳大利亚等国家也使用珊瑚混凝土作为建筑材料.中国最早于20世纪80年代开始对珊瑚混凝土进行研究.珊瑚混凝土从骨料类型上可分为3类：(1)以珊瑚砂作为细骨料,普通碎石作为粗骨料的混凝土;(2)以普通河砂作为细骨料,珊瑚作为粗骨料的混凝土;(3)以珊瑚作为粗骨料,珊瑚砂作为细骨料,并采用海水拌和的全珊瑚海水混凝土.2013年以前,国内对珊瑚混凝土的研究大多集中在其基本力学性能及疲劳性能等方面[5-11].自2013年起,南京航空航天大学余红发课题组[12-22]对全珊瑚海水混凝土的配合比优化、基本力学性能、冲击、侵彻与爆炸等动态力学行为及其数值模拟、氯离子扩散行为、珊瑚混凝土中的钢筋锈蚀、梁柱构件的力学性能、珊瑚混凝土结构寿命可靠度等方面展开了系统性的研究,为珊瑚混凝土在岛礁工程中的应用奠定了坚实的基础.

本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了CASC在高速冲击荷载作用下的力学性能响应,比较了不同强度等级的CASC动态压缩应力-应变曲线的特点,使用剑麻纤维改善CASC的脆性,并采用数值模拟的方法对CASC的动态力学性能展开讨论,以揭示CASC在应变率荷载下的动态响应机理.

1 试验

1.1 原材料及其基本性能

粗骨料采用南沙某岛礁的珊瑚,经人工破碎筛分成5～15mm连续级配;细骨料采用南沙某岛礁的珊瑚砂,细度模数2.44,Ⅱ区级配,属于中砂;水泥采用南京江南小野田公司生产的P·Ⅱ 52.5型硅酸盐水泥,其性能指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》;粉煤灰(FA)采用南京电热厂生产的Ⅰ级粉煤灰,性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》;矿渣(SG)采用江苏江南粉磨公司S95级磨细矿渣,比表面积为461m2/kg;减水剂采用西卡生产的3301C型聚羧酸高性能减水剂,性能符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》,固含量(1)文中涉及的含量、减水率、比值等特别说明外均为质量分数或质量比.30%,减水率达20%以上,Na2SO4含量0.18%,氯离子含量0.01%;海水按照美国ASTM D1141—2003《Standard practice for the preparation of substitute ocean water》规定配制;剑麻纤维(SF)采用广西剑麻集团生产的剑麻纤维,性能符合GB/T 15031—2009《剑麻纤维》,直径0.03mm,束纤维断裂力780N,回潮率小于13%[23],使用时将剑麻纤维切割成15mm长的短丝.

1.2 试件配合比

基于高性能轻骨料混凝土配合比设计原理及富浆混凝土理论[13]得出,总胶凝材料质量、预吸水率、质量砂率(Sp)、水胶比(mW/mC)是影响CASC强度的主要指标,而JGJ 51—1990《轻骨料混凝土技术规程》中轻骨料混凝土采用的是体积砂率.珊瑚骨料具备多孔的性质,使得珊瑚砂很容易进入珊瑚内,因此在进行配合比设计时,质量砂率比体积砂率效果更好.本文设计了C30和C50强度等级的全珊瑚海水混凝土(CASC)和剑麻纤维增强全珊瑚海水混凝土(SFCASC),参照文献[24],确定剑麻纤维的用量为3kg/m3,CASC与SFCASC的配合比及拌和性能见表1.

表1 CASC与SFCASC的配合比及拌和性能

采用尺寸为100mm×100mm×100mm的试件来测试全珊瑚海水混凝土的立方体抗压强度fcu;冲击压缩试件为φ70×35mm的圆柱体;此外增加1组尺寸为φ70×70mm的圆柱体试件,测定其准静态抗压强度fcy，作为计算动态增强因子(DIF)的静态抗压强度,测试方法参照GB/T 5008—2008《普通混凝土力学性能试验方法标准》.

1.3 试验设备

冲击试验采用霍普金森压杆(SHPB),杆件直径为75mm,弹性模量为210GPa,密度为7850kg/m3,入射杆长为5000mm,透射杆长为3000mm,子弹长为600mm.试验时记录入射波信号εi(t)、反射波信号εr(t)及透射波信号εt(t),其中t为信号采集时间.

2 结果与分析

2.1 试验结果

表2 CASC与SFCASC的抗压强度

图1 CASC与SFCASC的冲击压缩应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of CASC and SFCASC

2.2 应变率效应

从图1可以看出,CASC与SFCASC具有明显的应变率效应,即峰值应力随着应变率的提高而不断增大.动态增强因子(DIF)用以表征材料在动态荷载作用下引起的强度变化.图2汇总了本文、章艳[16]论文以及普通C50强度等级混凝土[22]的DIF与应变率的关系.从图2可以看出,在相同应变率下,随着静态抗压强度的增大,CASC的DIF值减小.可见DIF是关于应变率和静态抗压强度的二元函数.此外,CASC的DIF随应变率变化的敏感性比普通混凝土要高,即在相同的应变率增长量下,CASC的DIF增长量要高于普通混凝土.欧洲混凝土委员会(CEB)[25]推荐的混凝土DIF拟合模型是在大量普通混凝土数据下建立的,在建立CASC的DIF拟合模型时若采用CEB推荐公式则会存在较大误差.

图2 DIF与应变率(对数形式)的关系Fig.2 Relationship between DIF and strain rate(logarithmic)

基于以上规律,本文采用文献[26]中提出的DIF计算模型，拟合出CASC的DIF与应变率、静态抗压强度的关系式如下：

(1)

2.3 破坏形态分析

图3 各试件典型的冲击破坏形态Fig.3 Typical impact damage patterns of specimens

造成以上破坏形态差异的主要原因是：CASC自身脆性较大,其破坏呈现出典型的脆性破坏,多数碎块从整体中剥离;掺入剑麻纤维后,试件内部各个小单元之间的协调作用与约束作用增强,在承受相同冲击荷载时,其破坏程度比未掺剑麻组试件要小.因此,从破坏形态分析可知,剑麻纤维能有效增强CASC的抗冲击性能.

3 数值模拟

本文采用动力有限元软件LS-DYNA对SHPB冲击试验进行模拟，选用软件模型库中的HJC模型作为CASC的本构模型，HJC模型能够较为准确地反映混凝土在高应变率荷载作用下的力学性能响应[27].

3.1 模型建立

采用Ls-prepost建立简化模型,其中入射杆和透射杆长均为1.5m,直径为70mm,试件尺寸为φ70mm×35mm,使用的单位制为kg-m-s,采用八节点六面体(Solid 164)单元.为了保证模拟结果的精确度,在应力波脉冲持续时间内,其传播的路径上应有足够数量(n)的单元网格[28],相关文献[29]中建议使用n≥10,本文取n=20.将入射杆和透射杆在杆长方向上分为100等份,周长方向上分为80等份.试件在长度方向上分为20等份,周长方向上分为80等份,模型共639731 个节点、422400个单元.杆件及子弹为同种类型的钢材,采用理想的弹性材料本构模型*MAT_ELASTIC,弹性模量为210GPa,密度为7840kg/m3.杆件与试件的接触类型选择面面接触进行定义,关键字为*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACETO SURFACE.

3.2 模型参数及模拟结果

根据文献[30]中的方法,混凝土最关键的属性是静态抗压强度,可以利用有限的试验数据得到复杂模型的计算参数.HJC模型参数主要由材料的基本参数(ρ、fc、G),强度参数(A、B、C、N、T和Sf,max),损伤参数(D1、D2、εf,min)和压力参数(K1、K2、K3、Pcrush、Ucrush、Pclock、Uclock)4个部分组成.各符号含义在LS-DYNA用户手册中有说明，文中不再赘述.其中ρ、fc、G、T均可由较为简单的静态试验获得;损伤参数由于缺少已有试验数据,且Holmquist等[30]假定损伤参数与混凝土强度无关,仍取原始文献[31]值D1=0.04,D2=1.0,εf,min=0.01;Pcrush=f′c/3,μcrush=Pcrush/Kelastic,μclock=ρgrain/ρ0-1,ρgrain为CASC压实密度,ρ0为表观密度;Pclock可根据插值法确定,已知f′c=48MPa时Pclock=0.8GPa,f′c=140MPa 时Pclock=1GPa,则Pclock=0.8+(1-0.8)×(f′c-48)/(140-48).

图4 CASC-C50的应力-应变试验与模拟曲线对比图Fig.4 Comparison of test and simulated stress-strain curves of CASC-C50

表3 CASC-C50冲击压缩数值模拟HJC模型参数

为了能够模拟试件的冲击破坏形态,在定义混凝土材料参数时添加关键字*MAT_ADD_EROSION来计算混凝土的侵蚀失效单元.图5为CASC-C50试件模拟破坏形态图.结合图3和图5可以看出,模拟图与实际破坏形态较为相似.

图5 CASC-C50试件模拟破坏形态图Fig.5 Specimen simulated failure pattern diagram of CASC-C50

3.3 冲击压缩模拟结果与试验结果对比

表4为CASC-C50冲击试验结果与模拟结果的对比.由表4可见,在模拟的4个工况下,模拟动态抗压强度与试验值的误差为1.0%～4.9%,模拟动态临界应变与试验值的误差为4.3%～18.3%,模拟效果较好.

表4 CASC-C50冲击试验结果与模拟结果对比

4 结论

(1)剑麻纤维对水灰比较大(mW/mC=0.59)的CASC抗压强度不具增强作用,对水灰比较小(mW/mC=0.28)的CASC抗压强度具有增强作用.

(2)CASC与SFCASC具有明显的应变率效应,且动态增强因子DIF对应变率的敏感度比普通混凝土高,拟合出DIF与应变率、立方体抗压强度的计算模型参数.

(3)从试件破坏形态分析剑麻纤维能够有效增强CASC的抗冲击性能,CASC自身脆性较大,其破坏呈典型的脆性破坏形态,掺入剑麻纤维后,试件内部各个小单元之间的协调作用与约束作用增强,在承受相同冲击荷载时,其破坏程度比未掺剑麻组试件要小.

(4)采用LS-DYNA软件对CASC冲击过程进行模拟,混凝土模型选用HJC模型,通过试验测得的参数值及调试参数确定了HJC模型参数,模拟动态抗压强度与试验值的误差范围为1.0%～4.9%,动态临界应变的误差范围为4.3%～18.3%.