岛礁全珊瑚混凝土的力学性能及提升措施_达波.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023岛礁全珊瑚混凝土的力学性能及提升措施达波1,2,3,冯基恒1,倪雷1,王佳怡1,方琳涛1,贺艺航1,陈达1,2(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098;2.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏 南京 210098;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,湖北 武汉 430010)摘 要:为进一步明晰全珊瑚混凝土的基本力学性能规律,本文采用试验和理论分析相结合的方法,对全珊瑚混凝土的基本力学性能研究现状进行梳理,建立了全珊瑚混凝土的轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fsp)、抗折强度(ft)与立方体抗压强度(fcu)之间的转换模型,探明了全珊瑚混凝土与轻骨料混凝土、普通骨料混凝土等其他种类混凝土力学性能的异同。结果表明:全珊瑚混凝土的 fc、fsp、ft与 fcu之间具有明显的线性关系;全珊瑚混凝土的 fc随 fcu增长规律与普通骨料混凝土基本相似,但增长速率明显低于轻骨料混凝土;全珊瑚混凝土的 fsp随 fcu增长速率明显大于普通骨料混凝土,与轻骨料混凝土基本相似;相同配合比全珊瑚混凝土的 ft明显低于普通骨料混凝土和橡胶骨料混凝土。建议通过掺入纤维、硅灰以及改善珊瑚骨料特性等措施,改善全珊瑚混凝土的力学性能。关键词:全珊瑚混凝土;力学性能;轴心抗压强度;劈裂抗拉强度;抗折强度;立方体抗压强度;转换模型;改善措施DOI:10.11990/jheu.202201056网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0204-07Mechanical properties and improvement measures of all coral aggregate concrete in island engineeringDA Bo1,2,3,FENG Jiheng1,NI Lei1,WANG Jiayi1,FANG Lintao1,HE Yihang1,CHEN Da1,2(1.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources,Wuhan 430010,China)Abstract:In order to further clarify the basic mechanical properties of all coral aggregate concrete(ACC),by com-bining the experiment with theoretical analysis to sort out the research status of the basic mechanical properties of ACC,the research group established a conversion model between axial compressive strength(fc),split tensile strength(fsp),flexural strength(ft)and cubic compressive strength(fcu)of ACC,defining the similarities and differences in mechanical properties of lightweight aggregate concrete(LAC),ordinary aggregate concrete(OAC),and so on.The results show that there is an obvious linear relationship between fc,fsp,ft and fcu of ACC;the growth law of fc with fcu of ACC is basically similar to that of OAC,but the growth rate is significantly lower than that of LAC;the growth rate of fsp with fcu of ACC is evidently greater than that of OAC,which is basically similar to that of LAC;the ft of ACC is obviously lower than that of OAC and rubber aggregate concrete(RAC).The re-search group suggests to improve mechanical properties of ACC by adding fibers,silica fume and refining the prop-erties of coral aggregate.Keywords:all coral aggregate concrete;mechanical properties;axial compressive strength;split tensile strength;flexural strength;cubic compressive strength;conversion model;improvement measures收稿日期:2022-01-26.网络出版日期:2022-11-02.基金项目:国家自然科学基金项目(52208241);河海大学大学生创新创业训练计划(2021102941052);江苏省水利科技项目(2020017);中 国 科 协 科 技 智 库 青 年 人 才 计 划(20220615ZZ07110210);江苏省科协青年科技人才托举工程项目(027);江苏省博士后科研计划(2021K133B);长江水利 委 员 会 长 江 科 学 院 开 放 研 究 基 金 项 目(CK-WV2021879/KY);广西防灾减灾与工程安全重点实验室开放基金项目(2019ZDK006).作者简介:达波,男,副教授;陈达,男,教授.通信作者:陈达,E-mail:chenda .在人类社会不断发展的大背景下,陆地资源十分有限,世界上具有海洋权益的国家将战略目标转移至具有丰富矿产和石油资源的海洋。然而在远离大陆的热带岛礁上建设和修复建筑工程,有时不得不从大陆用船舶运输大量的砂石和淡水,不仅运费高昂,而且受风浪等自然条件限制,工期难以保证1-5。为满足岛礁建设的需求,珊瑚混凝土(coral ag-gregate concrete,CAC)的研究应用日益增多6,众多学者研究发现,利用珊瑚作为骨料配制混凝土是可行的4,7-8。CAC 是一种以岛礁上丰富的珊瑚礁砂第 2 期达波,等:岛礁全珊瑚混凝土的力学性能及提升措施资源为骨料制备的混凝土,能够极大减少工程建设成本,缩短建设工期9。目前,根据混凝土粗、细骨料的替换情况,可将珊瑚混凝土分为全珊瑚混凝土(all coral aggregate concrete,ACC)、珊瑚河砂混凝土和碎石珊瑚砂混凝土 3 类6-7,10。在远海岛礁环境恶劣、资源匮乏的条件下,采用 ACC 对于远海油气钻采平台、人工岛礁等基础设施建设更具实际工程意义10。基于此,本文采用试验和理论分析相结合的方法,对 ACC 的基本力学性能研究现状进行梳理,建立 ACC 的轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fsp)、抗折强度(ft)与立方体抗压强度(fcu)之间的转换模型,探明 ACC 与轻骨料混凝土、普通骨料混凝土等其他种类混凝土力学性能的异同,提出 ACC 力学性能的改善措施,对深远海岛礁 ACC 结构的设计、施工具有重要指导意义。1 轴心抗压强度与立方体抗压强度1.1 数学模型 实际工程中受压构件的长度常比其截面尺寸大得多,因此轴心抗压强度(fc)比立方体抗压强度(fcu)更能反映混凝土的实际抗压能力。而目前常采用立方体试件评定混凝土的强度等级,因此,建立混凝土 fc和 fcu之间的转换关系非常必要。近年来,糜人 杰11、Huang12-13、达 波14-17、苏 晨18、高屹19等众多学者开展了 fc与 fcu的研究,并提出ACC 的 fc和 fcu之间的转换关系(见表 1)。表 1 全珊瑚混凝土 fc与 fcu的转换关系Table 1 The transform relationships between fc and fcu of ACC序号公式文献1fc=0.632fcu+0.931糜人杰等112fc=0.729fcu+5.977达波等14-173fc=0.697fcu+6.882Huang 等12,134fc=0.786fcu+4.445苏晨等185fc=0.747fcu+5.936本文 对高屹等19的实验数据进行分析,发现强度等级高于 C50 的 ACC,其 fc随 fcu的改变上下浮动,fc和 fcu之间没有明显的线性关系。图 1 为全珊瑚混凝土 fc与 fcu之间的关系。通过对糜人杰11、Huang12-13、达波14-17、苏晨18等的实验数据进行综合分析,建立了强度等级为 C20C50 的全珊瑚混凝土 fc和 fcu之间的转换关系(见表 1)。1.2 不同种类混凝土对比 图 2 为全珊瑚混凝土(ACC)、轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LAC)、普通骨料混凝土(ordinary aggregate concrete,OAC)的 fc和 fcu之间的对比关系。表 2 为 ACC、LAC、OAC 的 fc与 fcu的转换关系。由图表可知:ACC 的 fc随 fcu增长速率与 OAC 基本相似,并且相同强度等级 ACC 的 fc高于 OAC。ACC 的 fc随 fcu增长速率明显低于 LAC,对于强度等级较低的 ACC,其 fc要高于 LAC,但随着强度等级的提升,ACC 的 fc逐渐低于 LAC。其原因在于11,14,18:珊瑚骨料表面粗糙多孔,骨料间的机械咬合力更大,强度相对高于其他两类混凝土。但随着强度等级提高,珊瑚骨料本身脆性大的“缺陷”凸显,导致 ACC 强度要略低于 LAC。图 1 全珊瑚混凝土的 fc与 fcu之间的关系Fig.1 Relationship between fc and fcu of ACC图 2 不同种类混凝土 fc与 fcu之间的对比关系Fig.2Relationship between fc and fcu of different kinds of concrete表 2 不同种类混凝土 fc与 fcu的转换关系Table 2 The transform relationships between fc and fcu of different kinds of concrete序号混凝土种类公式文献作者1ACCfc=0.747fcu+5.936本文2LACfc=0.831fcu-5.347糜人杰11、黄璇23等3OACfc=0.760fcuDL/T 5057-200924 同时,考虑珊瑚骨料孔隙率高,脆性大的“缺陷”1