强动载作用下海水海砂混凝土应用研究进展

杨成林，徐 迎，洪 建，孔新立

(陆军工程大学,爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210007)

0 引 言

淡水在混凝土制作和养护中必不可少，但是地球上的淡水只占总水量的2.5%，且分布不均匀，一些海岛和滨海地区甚至根本没有淡水，然而那里却拥有取之不尽的水资源——海水。如果能将海水应用到混凝土制作中，将会降低淡水匮乏地区的混凝土制作成本，这具有极大的经济利益。

进入21世纪，随着我国综合国力的增强，西方国家许多政客鼓吹“中国威胁论”，鼓动周边国家与我国在南海和东海海域发生摩擦和争端。为了维护国家领土完整和安全，我国在南海已控制岛屿上吹沙填岛并进行岛礁建设工程，党的十八大报告也提出要提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护海洋权益，建设海洋强国。混凝土作为土木工程建设最重要的建筑材料，在岛礁建设中拥有不可替代的地位，然而从大陆运送混凝土原材料到岛礁费时费财费力，许多学者[1-4]发现海砂的矿物组成和地质来源与河砂相似，海水和海砂中的盐分及海砂自身对混凝土的强度基本没有不良影响，因此，可以使用海水海砂混凝土代替普通混凝土。

但海砂与河砂最大的区别是海砂中存在大量的氯离子(Cl-)，Cl-会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋暴露在空气中，加快钢筋的锈蚀，对建筑物的耐久性造成不利影响，对于这个问题，国内学者提出了淡化海砂、掺加阻锈剂、增加混凝土保护层厚度等方法。目前国内较多采用的是海砂淡化法[5]，但是由于相关部门监管不严，大量未经淡化或达不到标准的海砂流入市场[6]，出现了大量不合格海砂建造的房屋,给国家和人民安全造成了巨大威胁。另外，海砂淡化法并不能从根本上解决海砂对钢筋的腐蚀问题，因此，轻质、高强、抗腐蚀性好的新型复合纤维材料(FRP)应运而生，FRP替代钢筋可以从根本上解决海水海砂腐蚀性问题。因此，将海水海砂混凝土与FRP组合的FRP筋-海水海砂混凝土结构用于海洋环境下的岛礁工程建设中，具有不可比拟的优势。

近些年来,在海洋强国战略和21世纪海上丝绸之路战略的基础上，我国海洋文化建设发展问题成为学界的热点研究方向[7-8]。目前，国内外对海水海砂混凝土的研究主要基于制备、耐久性以及基本力学性能方面，而对爆炸、侵彻等极端荷载作用下海水海砂混凝土的力学性能研究不足，本文系统介绍总结了海水海砂混凝土静动态力学性能、FRP筋-海水海砂混凝土组合结构力学性能和混凝土抗爆性能的研究进展，旨在为海水海砂混凝土后续研究方向提供借鉴参考。

1 海水海砂混凝土材料力学性能

1.1 海水海砂混凝土静态力学性能

静态力学性能是材料最基本的力学属性，许多学者通过不同的试验研究了海水海砂混凝土组分、养护条件、纤维掺量等对其压缩、拉伸等性能的影响。

一些学者[9-12]通过对照试验发现,相比河水河砂混凝土，珊瑚礁砂结构疏松多孔、多棱角、脆性较大，用海水拌和的海砂混凝土具有更高的早期强度。窦雪梅等[13]采用了自然扩散法研究了珊瑚混凝土在模拟海水环境中的氯离子扩散行为，研究表明珊瑚混凝土表面的氯离子浓度随着暴露时间增加而增加，随着养护龄期增加而降低，随着混凝土强度增加而降低。

针对不同材料含量对海水海砂混凝土力学性能的影响，国内外学者做了一定的研究。Safi等[14]通过用贝壳替代砂子进行试验,结果表明,当粉碎的贝壳颗粒代替砂子的水平从0%增加到100%(质量分数)时，自密实砂浆的流动性发生了降低。Karthikeyan等[15]通过用海砂置换河砂发现，针对不同海砂含量，当海砂置换率达30%(质量分数)时，混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度和抗压强度均令人满意。程琤等[16]进行了混凝土试件轴压试验，分析了不同海砂含量对混凝土坍落度、抗压强度的影响，结果表明，30%～40%的海砂掺和比(海砂与砂子质量比)对泵送混凝土的和易性最优，该配合比下的试件抗压强度满足要求。Niu等[17]通过改变珊瑚骨料混凝土中的纤维含量得到结论：随着纤维含量的增加，玄武岩纤维增强珊瑚骨料混凝土的力学性能和吸水性能呈现先上升后下降的趋势。蔡红明[18]通过对海洋原材料制备的混凝土试件进行抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，研究了不同种类海洋原材料对混凝土力学性能的影响，结果表明,海洋原材料的掺入能够提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。耿耀明等[19]通过对不同配合比、不同碳纤维体积含量的混凝土试件进行轴压试验，得到碳纤维增强混凝土轴向压缩应力-应变全过程曲线，发现合理的碳纤维体积含量能较大程度地提高和改善混凝土的轴向变形和韧性。邢丽等[20]通过改变海砂掺量和贝壳含量的方法，研究了含盐量和贝壳含量对混凝土和易性和强度的影响，结果表明：随着含盐量的增加，海水海砂混凝土坍落度增加，流动性变强；随着贝壳含量的增加，坍落度降低，保水性变差。王磊等[21]研究了三种水灰比下不同碳纤维掺量珊瑚混凝土试件的抗冲击性能，试验表明，掺加碳纤维可显著提高混凝土的抗冲击性能，在一定范围内，随着水灰比的增加，抗冲击性能提升越明显。

1.2 海水海砂混凝土动态力学性能

混凝土静态力学性能是研究混凝土性能的基础，国内外学者对此进行了大量的实验研究，这方面已经比较成熟。然而混凝土作为使用最为广泛的工业民用建筑和军事工程材料，在服役过程中，难免会受到冲击、爆炸等强动载以及火灾等极端荷载的破坏。因此，混凝土动态力学性能的研究是现今混凝土研究的重点内容。

图1 混凝土动态强度放大因子(DIF)与应变率关系[35]

研究表明，混凝土在动态荷载作用下会有较强的应变率敏感性。1917 年Abrams[22]首先发现混凝土动态抗压强度存在对应变率的敏感性；1938年Grime等[23]通过大量快速压缩实验发现随着应变率的增加，混凝土动态强度放大因子(DIF)增大。之后许多学者通过落锤试验[24-25]、液压伺服试验[26-29]以及分离式霍普金森压杆(SHPB)试验[30-33]等对混凝土材料动态力学性能进行了广泛而深入的研究，取得了丰富的研究成果，得到了混凝土DIF与应变率的关系。1991年，Bischoff和Perry[34]归纳了前人对混凝土材料在不同应变率下的抗压力学性能的研究成果，总结出了不同应变率下动态抗压强度与静态抗压强度的比值关系，即动态强度放大因子，欧洲国际混凝土委员会规范(FIP-CEB)[35]则参考了Bischoff和Perry的工作，给出了DIF与应变率关系曲线，如图1所示。

分离式霍普金森压杆(装置简图见图2)作为研究材料动态力学行为的几种主要实验设备和技术之一，已广泛用于一维应力状态下材料的动态力学行为特征试验研究，许多学者利用霍普金森压杆对海水海砂混凝土试件进行了不同应变率下的冲击试验。

图2 霍普金森压杆试验装置简图[33]

Ma等[33]利用霍普金森压杆对高性能珊瑚混凝土进行冲击压缩试验，并利用有限元软件进行模拟，得到的应力-应变曲线和破坏形态与试验结果基本吻合。结果表明，高强珊瑚骨料海水混凝土具有明显的应变率效应，CEB规范推荐的普通混凝土DIF与应变率之间的关系已经不再适用于高强珊瑚混凝土，因此重新拟合了DIF与应变率之间的关系。

马林建[36]等利用SHPB试验装置进行试验，研究表明，相比同等级强度的普通混凝土，珊瑚混凝土具有更高的早期强度，达到极限强度后珊瑚混凝土表现得更为脆弱，随着应变速率的增加，珊瑚混凝土抗压强度增长幅度比其他水泥基复合材料更为显著。

方秦等[37]利用有限元软件ABAQUS对混凝土SHPB试验进行数值模拟，深入分析了惯性效应产生机理，研究了不同外在参数对混凝土SHPB试验的影响，最后分析了混凝土细观组分对动态强度的影响，得出结论，混凝土中各组分材料静态强度越大，混凝土动态强度就会越大。

王勇[38]通过对SHPB试验结果进行数值模拟发现，由于对加载方式影响试件受力状态的认识不足，前人对DIF的研究只局限于试件处于一维状态，并未考虑多轴应力状态下的情况，因此重新讨论了LS-DYNA软件中模型参数的选取意义。

国内外学者对于海水海砂混凝土静态力学性能的研究较多，得出的结论为：海水海砂混凝土早期强度发展较快，最终强度与普通混凝土相当，一定范围的海砂替换量能够使海水海砂混凝土具有更好的流动性、更高的抗压和抗折强度，合理的纤维掺量能够显著提高混凝土的强度、韧性等特征。目前对于海水海砂混凝土动态力学性能的研究主要基于SHPB试验装置，通过研究不同应变率下海水海砂混凝土的力学特征可以发现：与普通混凝土相同，海水海砂混凝土同样具有应变率效应，甚至表现得更加明显，峰值时的应力应变曲线更为脆弱。

2 FRP筋-海水海砂混凝土

运用岛礁自有资源制成的海水海砂混凝土中存在大量Cl-,Cl-会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋暴露在空气中，加快钢筋的锈蚀，对建筑物耐久性造成不利影响。因此，需要一种新材料来取代钢筋，新型复合纤维材料(FRP)应运而生。FRP材料是通过拉挤、缠绕、手糊等工艺将纤维作为增强材料与聚合物材料按一定比例混合制成的[39]，它具有重量轻、抗拉强度高、抗疲劳、耐腐蚀、隔热性好等优点，被认为是一种高性能材料，目前国内外对FRP筋-海砂混凝土作了一定的研究。

Elgabbas等[40]通过剪切试验和拉伸试验发现玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋具有较高的层间剪切强度，但抗拉强度较低。Li等[41]通过拉伸试验和“圆管劈裂”试验，获得了钢筋、碳纤维布和BFRP的材料性能。研究了海水海砂混凝土填充钢管的极限应变和约束混凝土的应力-应变曲线，讨论了管径比、截面类型、外管类型和内管类型等关键参数对约束效应的影响。Zhou等[42]对不同氯离子浓度的FRP约束混凝土的性能进行了试验研究。结果表明，氯离子摩尔浓度从0%增加到1.57%时，FRP约束混凝土柱的强度降低了23%。此外，Zhou等[42]还提出了一个模型来评估FRP约束海水混凝土的应力-应变行为，试验结果和所提出的模型可以促进FRP约束海水混凝土在海洋结构物和人工岛中的广泛应用。原天[43]研究了不同龄期、不同种类混凝土的力学性能，研究得到短期内混凝土梁的极限挠度、开裂荷载从大到小依次为：海水海砂混凝土梁>淡水海砂混凝土梁>普通混凝土梁。而随着龄期增加，FRP筋梁的受弯性能从大到小则越来越趋于：普通混凝土梁>淡水海砂混凝土梁>海水海砂混凝土梁。Yang等[44]设计了FRP筋部分包裹混凝土的试件，研究发现碳纤维布的净间距比和约束刚度是影响纤维布轴压性能和膨胀性能的两个重要因素，得出FRP筋部分包裹加固技术是一种很有前途的技术。李树旺[45]通过受剪性能试验研究了BFRP筋海砂混凝土梁受剪性能，通过试验现象发现FRP筋海砂混凝土梁在受剪时的破坏模式主要分为弯曲破坏和剪压破坏两种形态，同时修正了BFRP筋海砂混凝土梁抗剪承载力计算公式。金云东[46]对珊瑚混凝土基本力学性能、BFRP筋与珊瑚混凝土的界面粘结性能和BFRP筋增强珊瑚混凝土梁抗弯性能三个方面进行了研究，发现BFRP筋与混凝土具有良好的短期粘结性能，BFRP筋-珊瑚混凝土梁虽然承载能力较高，但其破坏模式属于超筋破坏，破坏时具有一定的脆性。刘喜等[47]建立了FRP筋混凝土梁受弯挠度计算模型，得到的建议模型能较好地预测FRP筋混凝土梁受弯挠度和裂缝宽度。

FRP筋与海水海砂混凝土的组合结构具有非常重要的工程意义，应用前景明朗，目前国内外学者对FRP筋-海水海砂混凝土结构的短长期力学性能研究较多，发现该结构具有更高的承载力，对于界面的粘结性能及机理研究较少。

3 混凝土抗爆性能研究

基于当前南海形势，研究岛礁建筑物在冲击、爆炸等荷载作用下的力学性能十分重要，目前，混凝土抗爆性能研究主要针对普通钢筋混凝土以及FRP筋-普通混凝土，但研究也不够详细，针对FRP筋-海水海砂混凝土抗爆性能的研究更加有限。

李猛深等[48]利用爆炸压力模拟器对钢筋混凝土梁进行冲击实验，得到了爆炸冲击作用下普通混凝土梁的破坏损伤特征和机理。方秦等[49-51]通过有限元分析以及理论分析发现,在爆炸荷载作用下，钢筋混凝土结构可能在弯曲破坏之前发生剪切破坏，同时对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元方法做了改进，建立了能反映箍筋抗剪作用的材料模型。汪维等[52]通过近区爆炸试验发现,在近区爆炸荷载作用下，随着装药量的增加，钢筋混凝土梁的破坏程度逐渐增加，破坏模式发生了变化。高琴等[53]通过实验研究和有限元软件模拟发现，钢筋混凝土板的抗爆能力随着混凝土强度等级的提高而增加。

张帝等[54]利用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土排架结构进行了数值模拟，分别计算了在爆距为33 m，炸药量分别为500 kg和3 t的两种工况下，排架结构的破坏模式。研究结果表明，排架结构的关键破坏形态为中间承重柱的倾覆转动，炸药量越大，倾覆角越大，并以倾覆角为依据，将计算结果分为三种破坏等级，可用于厂房意外爆炸下的破坏程度评估。

高超等[55]对3层钢筋混凝土框架结构模型进行不同爆距、不同当量、不同炸药位置等条件下的爆炸荷载试验以及数值模拟，研究结果表明，内爆炸引起的破坏效应要远大于外爆炸，随着比例爆距的变化，柱呈现弯曲破坏、直剪破坏、侵蚀破坏三种不同的破坏形态。数值模拟结果可为今后爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构的破坏模式提供借鉴参考。

李兴[56]对碳纤维增强复合材料(CFRP)约束钢管混凝土柱在不同因素下的抗爆性能进行了数值模拟，研究得出，钢筋混凝土外表面粘贴FRP可以明显降低柱的破坏程度，随着CFRP层数的增加，钢筋混凝土柱的抗爆能力增大。长柱的抗爆能力较低，在实际工程应用中，对于有抗爆要求的建筑物，应避免使用长柱。

王洪辉等[57]自主设计制备了一种CFRP约束钢管混凝土拱结构，进行了两次爆炸试验，CFRP约束钢管混凝土拱结构均未发生明显破坏，残余变形相对于位移非常微小。这表明CFRP约束钢管混凝土拱结构依旧处于弹性范围内，可以认为制备的CFRP约束钢管混凝土拱结构拥有良好的抗爆性能。

刘三丰等[58]为了进一步了解GFRP筋混凝土梁的抗爆性能，分别对GFRP筋混凝土梁和普通钢筋混凝土梁进行了四点弯曲静力试验、爆炸试验以及相应的数值模拟分析。试验结果表明，在四点弯曲静力试验的相同工况下，GFRP筋混凝土梁比普通钢筋混凝土梁拥有更高的承载力。增加GFRP筋刚度，可以降低跨中位移，减少裂纹与损伤；在爆炸试验中，当比例爆距在一定范围内时，GFRP筋混凝土梁用C50及以上混凝土能有效减少混凝土震塌与剥落，因此，GFRP筋混凝土梁拥有更高的抗爆性能。

图3 爆炸试验和传感器布置示意图[59]

Gao等[59]设计了单向BFRP筋增强海水海砂混凝土板(见图3)，研究了BFRP筋增强海水海砂混凝土板的爆炸响应，结果表明，海水海砂混凝土砌块具有与素混凝土砌块相当的准静态抗压强度，BFRP筋海水海砂混凝土板具有与BFRP筋素混凝土板相似的准静态抗弯强度和相同的破坏模式，同时BFRP筋增强珊瑚混凝土具有优良的耐腐蚀性能，是沿海防护结构的理想选择。

相比钢筋混凝土，FRP筋-混凝土拥有更好的抗爆性能。目前，爆炸试验主要针对普通混凝土，对于FRP筋-海砂混凝土构件的研究较少，有待进一步完善。

4 总结与展望

(1)海砂、海水对混凝土强度与和易性影响不大，海水海砂混凝土具有更高的早期强度，养护至28 d时具有与普通混凝土相当的抗压强度。

(2)掺入合理掺量的纤维可以明显提高海水海砂混凝土的力学性能。

(3)在海洋环境中，相比钢筋，FRP筋是更适合海水海砂混凝土的材料。

(4)FRP筋混凝土结构拥有良好的抗爆性能。

(5)目前对于海水海砂混凝土材料动态力学性能研究不足，需要进一步研究。

(6)为了更好地利用FRP筋-海水海砂混凝土组合结构，需要对其粘结机理作进一步的研究。

(7)目前抗爆试验主要集中在普通混凝土上，为了更充分地将海水海砂混凝土应用于实际工程中，需要进一步研究海水海砂混凝土在侵彻、爆炸等作用下的力学响应。FRP作为更适用于海水海砂混凝土的材料，研究FRP筋-海水海砂混凝土组合结构抗爆性能尤为重要。

(8)目前针对混凝土的本构模型较多，但尚无针对海水海砂混凝土的本构模型，亟需通过海水海砂混凝土材料静动态力学试验，建立本构模型，弄清其损伤破坏机理，为海洋工程建设与防护提供支撑。