全珊瑚海水混凝土的表面自由氯离子浓度和表观氯离子扩散系数

采用不同种类水泥制备出不同强度等级的全珊瑚海水混凝土(CSC),研究其在海水浸泡环境下不同暴露时间的自由氯离子含量的分布规律,计算了CSC的表面自由氯离子含量和表观氯离子扩散系数,并探讨了暴露时间对这2个参数的影响规律.结果表明:在相同的暴露时间下,碱式硫酸镁水泥的抗Cl^-扩散渗透能力优于普通硅酸盐水泥;CSC的表面自由氯离子含量随着暴露时间的延长而呈指数型增加,且增长速率远低于普通混凝土;CSC的表观氯离子扩散系数随着暴露时间的延长而呈幂函数型递减.因此,对于实际海洋环境下的CSC结构,建议采用碱式硫酸镁水泥,从而有利于提高抗Cl^-扩散渗透能力,减缓Cl^-的侵入速度,以达到延长结构服役寿命的目的.

全珊瑚海水混凝土及其梁柱构件的力学性能与耐久性

研究了高强全珊瑚海水混凝土(CASC)的制备技术、基本力学性能、氯离子扩散与钢筋锈蚀行为,以及钢筋-CASC梁柱构件的力学性能,并进行了其服役寿命的可靠度分析.结果表明:CASC的立方体抗压强度最高可达C80混凝土强度等级;CASC具有高初始氯离子含量、高表面自由氯离子含量和高表观氯离子扩散系数的“三高”氯离子扩散特征.提出了描述CASC受压应力应变关系的两段式方程;为降低钢筋的锈蚀风险,建议在CASC结构中采用有机新涂层钢筋且混凝土保护层厚度至少为5.5 cm,混凝土强度选用C50及以上等级.另外为了综合考虑钢筋锈蚀和涂层钢筋滑移的影响,建立了钢筋-CASC梁柱构件的承载力计算模型,并且确定了满足50~100 a服役寿命要求的CASC结构的耐久性设计参数.

全珊瑚海水混凝土中不同种类钢筋的防腐蚀性能

采用线性极化电阻法(Linear polarisation resistance method,LPR)和交流阻抗谱法(Electrochemical impedance spectroscopy method,EIS)计算了钢筋的自腐蚀电位(Ecorr)、极化电阻(Rp)、腐蚀电流密度(Icorr)、锈蚀速率(V corr )和电荷转移电阻(Rct)。系统研究了不同种类钢筋对全珊瑚海水混凝土(Coral aggregate seawater concrete,CASC)中钢筋腐蚀性能的影响,提出了CASC中有效的防腐措施。结果表明,不同种类钢筋的 Rp和Rct均随着暴露时间的延长而呈下降趋势, Icorr 均随着暴露时间的延长而呈增大趋势。不同种类钢筋的耐腐蚀性能规律为:2205双相不锈钢>316不锈钢>有机新涂层钢筋>锌铬涂层钢筋>普通钢筋。因此,综合考虑阻锈效果和成本因素,对于海洋岛礁工程中的CASC结构,建议选用有机新涂层钢筋,混凝土保护层厚度至少为5.5 cm,混凝土强度等级为C50及以上,掺加亚硝酸钙阻锈剂。这样,有利于延迟钢筋开始腐蚀的时间,降低锈蚀速率,达到延长结构服役寿命的目的。

C60全珊瑚海水混凝土的钢筋锈蚀行为研究

采用线性极化电阻法,测试了C60全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete,简称CASC)的线性极化曲线、自腐蚀电位(E_(corr))和极化电阻(R_(p)),研究了不同暴露时间、不同种类钢筋CASC的钢筋腐蚀行为,提出了提升岛礁CASC结构耐久性的建议措施。结果表明:随着暴露时间的延长,CASC的E_(corr)和R_(p)均逐渐降低,钢筋的耐蚀性能逐渐减弱。不同种类钢筋CASC耐蚀性能规律为:316不锈钢筋优于有机新涂层钢筋,优于普通钢筋。即使暴露0 d,CASC中普通钢筋仍会发生锈蚀,表明普通钢筋在不附加任何防腐措施的条件下不适用于岛礁CASC结构。综合分析阻锈效果和成本因素,316不锈钢筋的性价比明显低于有机新涂层钢筋,建议岛礁CASC工程优先选用有机新涂层钢筋。

全珊瑚海水混凝土配合比设计及评价方法

针对南海岛礁大规模海防工程建设过程中资源短缺的问题,设计地域适用性较强的全珊瑚海水混凝土。通过正交试验方法和基于信噪比的田口方法,研究总胶凝材料用量、预吸水率、砂率和净水胶比对全珊瑚海水混凝土抗压强度的影响;验证田口方法的优越性,确定各因素对全珊瑚海水混凝土抗压强度的影响程度,并加以量化;提出多因素共同作用下全珊瑚海水混凝土抗压强度的多元非线性回归模型。结果表明:基于信噪比的田口方法优于传统正交试验方法。最优全珊瑚海水混凝土设计组合为:总胶凝材料用量550 kg·m^-3,预吸水率5%,砂率50%,净水胶比0.25;各因素影响程度从大到小依次为:预吸水率、净水胶比、砂率和总胶凝材料用量。预吸水率的贡献率最大,为67.6%;净水胶比次之,为17.8%;砂率的贡献率较小,仅为0.7%。回归模型的建立对指导制备高强全珊瑚海水混凝土具有十分重要的意义。

全珊瑚海水混凝土动态冲击性能试验研究

通过掺加剑麻纤维和使用碱式硫酸镁水泥(Basic magnesium sulfate cement,BMSC)两种方法提高全珊瑚海水混凝土(Coral aggregate seawater concrete,CASC)的冲击强度和韧性。试验采用直径为75 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)得到CASC在四个应变率下的冲击压缩力学性能。结果表明:CASC具有明显的应变率硬化效应,当应变率在56~137 s^-1范围内时,综合应用碱式硫酸镁水泥和剑麻纤维的CASC的动态增强因子(DIF)是普通硅酸盐水泥CASC的1.19~1.29倍;剑麻纤维和BMSC对CASC均具有增韧作用,综合应用两者后在四个应变率下CASC的韧性指数分别提高了2.24倍、1.86倍、1.35倍、1.18倍;在掺加剑麻纤维(含量3 kg/m^3)或使用BMSC后,CASC的冲击抗裂性能均有增强,综合应用剑麻纤维和BMSC比单独使用其中一种增强效果更佳。

C60全珊瑚海水混凝土柱的受压性能与计算模型

针对热带岛礁建筑材料匮乏问题,本文对8根钢筋全珊瑚海水混凝土(CASC)柱进行受压性能试验,研究了钢筋种类和初始偏心距(e_(i))对其受压性能的影响,提出了适用于钢筋CASC柱轴心、小偏心、大偏心极限承载力(N_(u))的计算模型。结果表明:受压钢筋CASC柱的破坏特征与钢筋普通混凝土柱基本相似。验证了有机新涂层钢筋在CASC中具有较好的耐蚀性能。钢筋CASC柱的N_(u)随着e_(i)的增大而呈非线性的降低规律。在受力作用时,CASC与涂层钢筋之间易发生滑移,使得相同e_(i)下,普钢钢筋CASC柱的N_(u)比有机新涂层钢筋CASC柱高7.7%~26.3%。

全珊瑚海水混凝土冲击压缩性能试验研究与数值模拟

采用直径为75 mm的霍普金森压杆对强度等级为C30和C50的全珊瑚海水混凝土(CASC)以及剑麻纤维增强全珊瑚海水混凝土(SFCASC)进行了冲击压缩试验,并使用LS-DYNA软件对CASC的冲击性能进行了模拟.结果表明:CASC与SFCASC的动态增强因子DIF与应变率ε·s、立方体抗压强度f cu有关,建立了DIF关于ε·s与f cu的二元函数模型;通过试件的破坏形态分析可知剑麻纤维能够有效增强CASC的抗冲击性能,当应变率为52.4 s^(-1)时,CASC-C50试件破坏较为严重,而SFCASC-C50试件在应变率为56.9 s^(-1)时仍能保持完整的形态,只在边缘处出现少量裂缝;采用LS-DYNA软件对CASC-50的冲击压缩过程进行数值模拟,通过试验数据确定了HJC模型参数,模拟的动态抗压强度与试验值的误差在1.0%~4.9%,模拟动态临界应变与试验值的误差在4.3%~18.3%.

南海海域全珊瑚海水混凝土抗压强度试验研究

为研究我国南海海域全珊瑚海水混凝土的抗压强度发展规律,设计了5个系列混凝土进行海水养护,在规定龄期进行立方体抗压强度试验及劈裂抗拉试验。结果表明:全珊瑚海水混凝土抗压强度发展规律与普通混凝土一致,但同强度等级下全珊瑚海水混凝土的早期强度发展明显高于普通混凝土,而后期强度发展较普通混凝土缓慢;相同抗压强度下,全珊瑚海水混凝土的劈裂抗拉强度普遍高于普通混凝土。

全珊瑚海水混凝土静动态力学性能与数值模拟

采用试验和三维随机骨料细观模型,研究了全珊瑚海水混凝土(CASC)在高温前后的静动态力学性能、抗侵彻和防爆性能.结果表明:添加剑麻纤维能有效改善CASC的脆性;随着温度的提高,CASC的残余抗压强度先增后减;经历高温后CASC的静动态力学性能明显降低,温度越高,高温弱化效应越明显.提出了描述CASC高温后受压应力-应变关系的两段式方程.建立了一种适用于CASC的三维随机骨料细观模型,数值模拟结果与试验结果较为吻合.

全珊瑚海水混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验研究

采用等应力循环加卸载法和等应变单调加载法,对棱柱体试件进行单轴受压试验获得全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线,并对两种加载方法进行对比分析。试验结果表明:全珊瑚海水混凝土裂纹贯穿珊瑚骨料继续发展,单轴受压试件的破坏为脆性破坏,典型破坏状态主要为劈裂破坏,其主斜裂缝的倾角θ在65°~70°之间;残余应力与峰值应力的比值在0.292~0.525之间,说明全珊瑚海水混凝土破坏后仍具有较高的残余强度,破坏后强度逐步降低,具有一定的延性;不同强度等级全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线的上升段趋势基本相似,但是随着强度等级提高,下降段的下降趋势越陡,破坏程度越剧烈;在相同强度等级下,全珊瑚海水混凝土比普通混凝土和轻集料混凝土的脆性更强。

热带岛礁环境下全珊瑚海水混凝土结构服役寿命的可靠性

基于修正氯离子扩散理论和可靠度理论的寿命分析软件ChaDuraLifeV1.0,选取4种配合比的全珊瑚海水混凝土（CASC）进行实验室海水浸泡试验,研究了不同混凝土强度、不同养护龄期和不同暴露时间CASC的表观氯离子扩散系数（Da）、表面自由氯离子含量（Cs）及Da时间依赖性指数（m）的变化规律,探讨了保护层厚度和混凝土强度对CASC服役寿命的影响,提出了适应于热带海洋环境CASC的最小保护层厚度和混凝土强度等级的要求。结果表明：CASC的Da和Cs随着暴露时间的延长分别呈幂函数的降低趋势和幂函数的增长趋势;对于失效概率为5%～10%的CASC,当保护层厚度为7.5 cm、混凝土强度等级为C50时,其使用寿命可达17～19 a。因此,建议海洋工程中的CASC结构,其保护层厚度至少为7.5 cm、混凝土强度等级至少为C50。这样,有利于延长CASC中Cl^-到达钢筋表面的距离和周期,降低钢筋对Cl^-腐蚀的敏感性,提高混凝土抗Cl^-扩散渗透能力,从而延缓钢筋起始锈蚀时间,降低锈蚀速率,达到延长CASC结构服役寿命的目的。

阻锈剂的掺入方式对全珊瑚海水混凝土中钢筋锈蚀的影响

采用线性极化电阻法(LPR)和电化学阻抗谱法(EIS),系统研究了暴露时间、阻锈剂种类及掺入方式对全珊瑚海水混凝土(CASC)中钢筋腐蚀的影响。结果表明:随着暴露时间的延长,不掺及同掺阻锈剂的普通钢筋自腐蚀电位(E_(corr))、极化电阻(R_p)和电荷转移电阻(R_(ct))均逐渐降低;而暴露90 d后,预吸阻锈剂的普通钢筋E_(corr)、R_p和R_(ct)均有增长的趋势,说明以预吸掺入的阻锈剂,不断地由珊瑚骨料向外释放,使得混凝土中有效的阻锈成分不断补充,一定程度上增大了Cl-通过混凝土传到钢筋表面的阻力,延缓了钢筋的锈蚀。此外,无论是掺入亚硝酸钙阻锈剂(CN)还是氨基醇类阻锈剂(AA),对普通钢筋抵抗锈蚀的能力均有不同程度的提高,且随着暴露时间的延长,CN阻锈效果的衰减速率高于AA的。因此,对于海洋岛礁工程中的CASC结构,建议以预吸的方式掺入AA,有利于减弱钢筋对Cl^-腐蚀的敏感性,提高CASC抗Cl^-扩散渗透能力,从而延缓钢筋开始腐蚀时间,降低锈蚀的速率,达到延长CASC结构服役寿命的目的。

全珊瑚骨料海水混凝土早期强度发展研究

采用立方体抗压试验,研究不同试验材料用量对全珊瑚骨料海水混凝土(All coral aggregate seawater concrete,简称ACASC)立方体抗压强度的影响以及随养护龄期其抗压强度的发展规律。试验表明随着龄期增长ACASC强度增加,锥形破坏逐渐明显,延性有降低趋势;破坏时先从浆体与骨料交界面破坏,随后破坏面贯穿骨料;正交试验的极差分析结果表明ACASC 28 d抗压强度受水泥用量影响最为明显,受珊瑚骨料用量的影响最小,且其强度随水泥用量的增加而增加、随珊瑚骨料和人工海水用量增加呈先增加后减小的趋势;标准养护的ACASC试块3 d强度可以达到28 d的70%以上,7 d即可达到28 d的80%以上。

C60全珊瑚海水钢筋混凝土梁的抗弯性能研究

通过对不同种类钢筋的全珊瑚海水钢筋混凝土梁(CARCB)进行正截面抗弯性能试验,研究了CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗弯承载能力,建立了弯矩跨中挠度、荷载纵向受拉钢筋应变、荷载最大裂缝宽度的关系,提出了适用于CARCB抗弯承载力的计算模型.结果表明:随着钢筋强度的提高,CARCB的开裂弯矩和极限弯矩均逐渐增大,裂缝宽度扩展逐渐减慢,能有效抑制裂缝的发展.CARCB的裂缝宽度均随着荷载的增长而增大,在加载初期,裂缝宽度增长缓慢,当接近极限荷载时,裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.采用有机新涂层钢筋,能有效抑制珊瑚混凝土结构中钢筋发生锈蚀,从而延长其有效服役寿命.综合考虑钢筋锈蚀引起钢筋截面损失和钢筋屈服强度降低的影响,提出了更加合理的CARCB抗弯承载力的计算模型.

C60全珊瑚海水钢筋混凝土梁的抗剪性能与计算模型

为研究全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam,CARCB)的抗剪性能和计算模型,设计了7根不同种类钢筋的CARCB,通过对其进行斜截面抗剪性能试验,研究了钢筋种类对CARCB的变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、荷载-钢筋应变、荷载-裂缝宽度的关系,提出了CARCB斜截面抗剪承载力的计算模型.试验结果表明:不同种类钢筋CARCB的正截面开裂荷载和抗剪承载力规律均为316不锈钢>普通钢筋>锌铬涂层钢筋>有机新涂层钢筋;CARCB中普通钢筋发生了严重锈蚀,使其刚度出现了一定程度的退化;不同种类钢筋的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏;最后,综合考虑钢筋锈蚀和高强混凝土对CARCB抗剪承载力的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.

全珊瑚骨料海水混凝土力学性能试验研究

为了探讨全珊瑚骨料海水混凝土的基本力学性能,并比较其与普通混凝土和轻集料混凝土的差异,通过实验系统测定了珊瑚混凝土的基本力学性能,建立了其轴心抗压强度（fc,m）、劈裂抗拉强度（fsp,m）、抗折强度（ft,m）与立方体抗压强度（fcu,m）之间的线性关系与计算公式。结果表明：在强度等级C20-C50的范围内,珊瑚混凝土的fc,m和fsp,m分别比普通混凝土的fc,m和fsp,m高出10%-48%和9%-33%,随着强度等级的提高,两种混凝土之间的差距在减小。珊瑚混凝土的ft,m与普通混凝土的ft,m之间的差异规律与强度等级有关,较低强度等级的C30珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m要高4%,而较高强度等级的C55珊瑚混凝土ft,m比普通混凝土的ft,m低13%。较高强度等级的C50珊瑚混凝土fc,m、fsp,m和ft,m分别比页岩陶粒轻集料混凝土的fc,m、fsp,m和ft,m低11%、0.9%和4%。

PVA纤维增强珊瑚混凝土静动态力学性能试验研究

为增强珊瑚混凝土的力学性能,对其进行了5种聚乙烯醇纤维体积分数(0、0.5%、1%、1.5%和2%)条件下的静态力学试验,并采用直径为100 mm的分离式霍普金森杆研究其在4种应变率下的冲击压缩性能。结果表明:掺入适量纤维能明显提高混凝土静态抗压强度与劈裂抗拉强度;动态力学试验表明珊瑚混凝土具有明显的应变率效应,加入纤维后能提高动态增强因子对应变率的敏感性,增强效果在纤维掺量为1.5%时趋于饱和;纤维在混凝土中起到了阻裂与耗能的作用,能明显地改善混凝土的破坏形态与冲击韧性。

新型珊瑚海水混凝土力学性能试验研究

为了解决全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete,简称CASC)的脆性问题,采用碱式硫酸镁水泥(basic magnesium sulfate cement,简称BMSC)为胶凝材料和剑麻纤维为增韧材料制备了一种新型全珊瑚海水混凝土(NCASC),系统测定了基本力学性能,并与普通硅酸盐水泥制备的CASC、碱式硫酸镁水泥砂石混凝土(basic magnesium sulfate cement concrete,简称BMSCC)、普通砂石混凝土(ordinary portland cement concrete,简称OPC)以及普通轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,简称LAC)的力学性能进行对比。结果表明:立方体抗压强度(f_(cu),m)在15~35 MPa范围内的NCASC的轴心抗压强度(f_c,m)、劈裂抗拉强度(f_(sp),m)与f_(cu),m之间具有较显著的线性关系;对于f_(cu),m为15~35 MPa的混凝土,相同强度NCASC的f_c,m高于OPC、LAC及BMSCC,其f_c,m与f_(cu),m比值最大,大致在0.85~0.96之间,NCASC的f_(sp),m比OPC和LAC高,但比BMSCC低,且随着强度的提高,OPC与NCASC的f_(sp),m间的差距在增大,而LAC和BMSCC与NCASC的f_(sp),m间的差距在缩小;在强度等级C15~C55的范围中,NCASC和CASC的f_(sp),m、f_c,m与f_(cu),m之间的关系基本可以采用相同的线性回归方程来描述,利用这两个回归线性方程得到对应于标准强度等级的CASC和NCASC的f_(sp),m和f_c,m数据,为CASC力学性能研究与结构设计提供参考依据。

砂胶比对海水拌合全珊瑚骨料混凝土动态力学性能的影响

珊瑚岛礁工程建设对于保障国家海洋权益具有重大战略意义。随着海洋资源的开发和建设,利用珊瑚骨料制备混凝土已在岛礁工程中得到广泛应用。为探究砂胶比对海水拌合全珊瑚骨料混凝土动态力学性能的影响,基于霍普金森压杆试验分析不同应变率、不同砂胶比(0.8—1.2)下试件的破坏模式、动态压缩强度、动态弹性模量和韧性指标等的变化规律。研究结果表明:动态压缩强度随砂胶比增大小幅度提高,当应变率为120 s^(-1)时,动态压缩强度提高6.7%;动态弹性模量变化规律与动态压缩强度变化一致,当应变率大于80 s^(-1)时,提高幅度最高可达24.1%;韧性指标和相对韧性指标随砂胶比增大而增大,当砂胶比增加到1.2时两者分别增大13.4%和37.8%。此外,通过试件破坏形态分析,海水拌合全珊瑚骨料混凝土在承受相同冲击荷载时,低应变率时试样破坏差异性不大,高应变率下砂胶比越高的混凝土破坏程度越低。由此可见砂胶比的增加确实会提升海水拌合全珊瑚骨料混凝土的抗冲击性能,导致其抗冲击性能、延性和抗压强度提高。