珊瑚海水海砂混凝土压-剪复合力学性能

陈宇良; 包尔康; 何钦; 李佳成; 叶培欢

珊瑚海水海砂混凝土压-剪复合力学性能

陈宇良^{1, 2, ,},
包尔康¹,
何钦¹,
李佳成¹,
叶培欢^{1, 2}

1.
广西科技大学土木建筑工程学院, 柳州 545006
2.
广西科技大学　柳州市绿色先进土木工程材料应用重点实验室, 柳州 545006

基金项目: 国家自然科学基金(52368013; 51908141)；广西自然科学基金项目(24GXNSFBA010364)

详细信息

通讯作者:
陈宇良，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为再生混凝土结构、钢-混凝土组合结构研究、海洋及近海混凝土结构等　E-mail: ylchen@gxust.edu.cn

中图分类号: TU528
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出版历程
- 收稿日期: 2024-05-15
- 修回日期: 2024-06-19
- 录用日期: 2024-07-11
- 网络出版日期: 2024-07-22
- 刊出日期: 2025-05-14

Compressive-shear composite mechanical properties of coral seawater sea sand concrete

CHEN Yuliang^{1, 2, ,},
BAO Erkang¹,
HE Qin¹,
LI Jiacheng¹,
YE Peihuan^{1, 2}

1.
School of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China
2.
Liuzhou Key Laboratory of Green Advanced Civil Engineering Materials Application, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China

Funds: National Natural Science Foundation of China (52368013; 51908141); Guangxi Natural Science Foundation Project (24GXNSFBA010364)

摘要

摘要:
为研究珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)在压剪复合作用下的力学性能，以压应力比为变化参数设计并制作21个珊瑚海水海砂混凝土试件进行压剪试验，观察了试件在压-剪复合作用下的破坏形态，深入分析了压应力比对CSSC剪切强度的影响，并提出了剪切强度计算公式和破坏准则。研究结果表明，随着压应力比k的增大，CSSC剪切强度近似呈幂函数状增大，试件脆性破坏特征逐渐减弱。当k以0.1为增量从0增加到0.5时，剪切强度分别提升了1.53、2.81、3.60、4.32、4.67倍。珊瑚海水海砂混凝土剪切强度主要由黏聚强度、骨料咬合强度和界面摩擦强度组成，其分别占剪切强度的10%~22%、19%~30%和50%~69%；随着压应力比的增大，黏聚强度先增加后减小，骨料咬合强度总体呈上升趋势，界面摩擦强度近似呈线性增加。根据试验数据提出CSSC剪切强度计算公式，计算值与试验值吻合较好；使用不同的破坏准则对试验数据进行分析，发现基于主应力空间的破坏准则与试验结果吻合最好。
- 珊瑚海水海砂混凝土 /
- 压-剪复合作用 /
- 失效机理 /
- 剪切强度 /
- 破坏准则
Abstract:
In order to study the mechanical properties of coral seawater and sea sand concrete (CSSC) under the combined action of compression and shear, 21 coral seawater and sea sand concrete specimens were designed and manufactured with the compressive stress ratio as the variable parameter. The failure modes of the specimens under the combined action of compression and shear were observed. The influence of compressive stress ratio on the shear strength of CSSC was analyzed in depth, and the shear strength calculation formula and failure criterion were proposed. The results show that with the increase of compressive stress ratio k, the shear strength of CSSC increases approximately in a power function, and the brittle failure characteristics of the specimen gradually weaken. When k increases from 0 to 0.5 with an increment of 0.1, the shear strength increases by 1.53, 2.81, 3.60, 4.32 and 4.67 times, respectively. The shear strength of coral seawater and sea sand concrete is mainly composed of cohesive strength, aggregate interlocking strength and interfacial friction strength, which account for 10%~22%,19%~30% and 50%~69% of the shear strength, respectively. With the increase of the compressive stress ratio, the cohesive strength first increases and then decreases, the aggregate occlusion strength generally shows an upward trend, and the interface friction strength increases approximately linearly. According to the experimental data, the calculation formula of CSSC shear strength is proposed, and the calculated value is in good agreement with the experimental value. Different failure criteria are used to analyze the test data, and it is found that the failure criteria based on the principal stress space are in good agreement with the test results.
- coral seawater sea sand concrete /
- compression-shear composite stress /
- failure mechanism /
- shear strength /
- failure criterion

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近年来，海洋资源正逐渐受到人们的重视，其带来的经济效益促使各国逐渐增加对海洋工程的投资。然而，远海地区缺乏制备传统混凝土所需的碎石、河砂和淡水，若从大陆运输则会消耗大量的时间和能源^[1]。珊瑚海水海砂混凝土(Coral seawater sea-sand concrete，CSSC)是一种以珊瑚为粗骨料，海砂为细骨料，并使用海水制备的新型混凝土，能有效地将当地海洋资源用于工程建设^[2]。

目前，已有学者对珊瑚混凝土的力学性能开展研究，主要集中在抗压、抗拉、抗剪和动态压缩等方面。Wang等^[3]探究了珊瑚粗骨料取代率对混凝土抗压性能的影响，并提出了相应的抗压应力-应变预测模型。达波等^[4]建立了全珊瑚混凝土立方体抗压与抗拉、抗折强度之间的转化模型。陈宇良等^[5]对高温后的珊瑚海水海砂混凝土进行了直剪试验，并分析了相应的损伤演化过程。吴彰钰等学者^[6-8]对珊瑚混凝土进行动态压缩试验，发现其具有明显的应变率效应。根据已有研究^[9-13]，珊瑚混凝土的单轴抗压强度已经能够满足一般工程要求。然而大多数混凝土构件处于多轴复合应力状态，其破坏形态和峰值荷载与单轴应力状态有较大差异。有研究表明，在压剪复合应力作用下，混凝土内部的主拉应力方向会随压应力的增大而发生改变，破坏特征会逐渐由脆性转变为塑性^[14]。目前，已有学者对珊瑚混凝土的压剪性能进行研究，Liu等^[15]对全珊瑚混凝土进行压剪试验，发现剪切面珊瑚骨料大部分被破坏。Yang等^[16]对地聚物珊瑚混凝土压剪力学性能进行研究，发现基于 $\sqrt {{J_2}} - \sqrt {{I_1}{f_{\text{c}}}}$ 模型的破坏准则与试验结果吻合较好。然而Liu^[15]与Yang^[16]的剪切试验对象均为100 mm非标准立方体，与150 mm标准立方体试件相比，剪切强度会因尺寸效应而产生偏差^[17]，对工程应用有一定影响。综上所述，目前珊瑚海水海砂混凝土拥有较好的应用前景，然而与珊瑚海水海砂混凝土压剪性能相关的研究仍然较少。

为此，本研究设计并制作了21个珊瑚海水海砂混凝土标准立方体试件，探究压应力比对CSSC剪切力学性能的影响，并对其破坏机理进行分析。最后，根据试验数据提出珊瑚海水海砂混凝土在压剪复合作用下的剪切强度计算公式和破坏准则。

1. 试验概况

1.1 试验材料

珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)由破碎珊瑚、海砂、水泥、减水剂和海水按一定比例拌合而成。所用珊瑚采自中国南海，经破碎、筛分后获得粒径大小为5~20 mm的破碎珊瑚骨料，其基本物理性能详见表1；细骨料使用南海海砂，测得含水量为5.82%，细度模数为2.77，II区中砂；粗细骨料的表观形貌及粒径分布详见图1和图2。水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，拌合用水为南海海水，减水剂使用聚羧酸高效减水剂。

表 1 珊瑚骨料基本物理性能

Table 1. Basic physical properties of coral aggregate

Property	Bulk density/ (kg·m⁻³)	Apparent density/ (kg·m⁻³)	Water content (by mass) /%	1 h water absorption (by mass) /%	Cylinder pressure strength/MPa
Value	879.9	1667	0.67	12.79	4.11

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图 1 珊瑚骨料与海砂的表观形貌

Figure 1. Apparent morphology of coral aggregate and sea sand

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图 2 珊瑚骨料与海砂的粒径级配曲线

Figure 2. Particle size gradation of coral coarse aggregate and sea sand

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1.2 混凝土配合比与制备流程

珊瑚海水海砂混凝土的设计强度为C30，根据《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T12-2019)^[18]和《珊瑚骨料混凝土应用技术规程》(T/CECS 694-2020)^[19]确定混凝土配合比。因为珊瑚骨料具有较高的吸水率，所以加入附加海水对骨料进行预湿处理，以确保CSSC实际水灰比与设计值一致^[18]，具体配合比见表2。

表 2 珊瑚海水海砂混凝土配合比

Table 2. Coral seawater sea sand concrete mix ratio

Cement/ (kg·m⁻³)	Coral/ (kg·m⁻³)	Sea sand/ (kg·m⁻³)	Sea water/ (kg·m⁻³)	Additional sea water/(kg·m⁻³)	Superplasticizer/ (kg·m⁻³)	f_c/ MPa
535	655.8	760.1	214	75.1	1.4	30.42
Note：f_c is the compressive strength of CSSC cube.

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CSSC拌制过程如下：将珊瑚骨料、海砂放入搅拌机干拌60 s；倒入附加海水并搅拌30 s进行预湿处理；倒入水泥、海水和减水剂并搅拌60 s；将搅拌后的CSSC装模并振捣密实，试件浇筑24 h后脱模，自然养护至28 d进行试验。

1.3 试件设计

设计21个CSSC立方体试件，尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，其中3个用于抗压强度测试，其余试件以压应力比k为变化参数进行压剪试验(k = σ / f_c，其中σ为轴向应力；f_c为混凝土立方体抗压强度)，k分别取0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，每个压应力比设计3个试件。

1.4 加载装置及加载制度

试验加载装置为中科院武汉力学研究所研发的RMT-301岩石与混凝土力学试验机及其配套剪切盒，具体如图3所示。试验机水平量程500 kN，水平位移传感器量程20 mm，精度0.01 mm。试验时，先将试件放入剪切盒，再将剪切盒送入加载位置，剪切盒上下侧均设有金属滚轴板以减小摩擦阻力。试件加载时，竖直方向由轴向千斤顶施加荷载。在水平方向，上剪切盒受限位板作用，在水平方向保持静止，下剪切盒通过刚性传力杆由水平千斤顶带动，以此使上下剪切盒产生相对位移，进而对试件施加剪切荷载。

图 3 试验装置

Figure 3. Test equipment

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竖直方向荷载通过压应力比k计算得到，使用荷载控制，加载速率为5 kN/s；水平方向加载使用位移控制，加载速率为0.02 mm/s，持续加载直至试件破坏。

2. 试验结果与分析

2.1 CSSC破坏形态

图4为不同压应力作用下CSSC的剪切破坏形态。可知，当压应力比k = 0时，试件中部出现一条锯齿状裂缝，自由面较完整，破坏时试件迅速失去承载力，脆性特征明显。随着压应力比k增大，试件主裂缝处逐渐延伸出斜裂缝，且斜裂缝的数量及水平夹角随k的增加呈增大趋势。其主要的原因为，在压应力和剪切应力的复合作用下，剪切面上的主拉应力与水平方向的夹角会随着压应力的增大而增大，进而影响斜裂缝的开裂角度。当k = 0.3时，试件自由面的破坏程度逐渐加重，混凝土剥落现象愈加明显。当k大于0.3时，自由面破坏更加严重，试件角部也逐渐碎裂。CSSC剪切试件随着压应力比k的增大，逐渐表现出一定的塑性破坏特征。

图 4 CSSC压-剪复合受力破坏形态

Figure 4. Failure pattern of CSSC under compression-shear loading

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图5为不同压应力作用下CSSC试件剪切面破坏特征。可知，CSSC试件剪切面均能观察到被剪断的珊瑚骨料(图中红色线圈标注)。然而，在相同强度等级的普通混凝土直剪试验中，剪切面的粗骨料没有被破坏^[20]。这表明珊瑚骨料的强度较低，无法阻挡裂缝的发展，易被剪切裂缝直接贯穿。在CSSC直剪试件中，剪切面无明显摩擦痕迹。而在压剪试件中，剪切面出现较多摩擦痕迹以及珊瑚破碎后留下的白色粉末(图中蓝色线圈标注)，且随着压应力比k不断增大，剪切面的摩痕逐渐明显，白色珊瑚粉末逐渐增多。

图 5 CSSC压-剪试件剪切面破坏特征

Figure 5. Failure pattern of CSSC under compression-shear loading

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2.2 CSSC特征点参数

CSSC剪切试验所得到的特征点参数及其平均值详见表3。其中，剪切强度为CSSC试件的峰值剪切应力，剪切应力由下式计算得到：

表 3 CSSC压-剪作用特征点参数

Table 3. Characteristic point parameters of CSSC compression shear action

k	Peak shear stress τ_p/MPa				Peak shear displacement s_p/mm
k	τ_p,1	τ_p,2	τ_p,3	τ_p,ave	s_p,1	s_p,2	s_p,3	s_p,ave
0	2.60	2.87	3.61	3.03	0.97	1.03	0.43	0.81
0.1	9.06	6.78	7.19	7.68	1.04	1.80	2.03	1.62
0.2	12.04	10.79	11.77	11.53	1.23	2.18	1.02	1.47
0.3	16.06	14.01	11.77	13.95	1.18	1.11	1.46	1.25
0.4	16.94	15.52	15.92	16.13	1.31	1.54	1.71	1.52
0.5	19.87	15.29	16.38	17.18	1.93	1.88	2.09	1.97
Notes: τ_p,1, τ_p,2, τ_p,3 are the shear strength of three specimens with the same compressive stress ratio, τ_p,ave is the average shear strength; s_p,1, s_p,2, s_p,3 are the peak shear displacement of three specimens with the same compressive stress ratio, s_p,ave is the average peak shear displacement.

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$\tau = \frac{V}{{{A_{\text{s}}}}}$

(1)

式中，V为试件的剪切荷载；A_s为剪切面面积(22500 mm²)；τ为剪切应力。

2.3 CSSC剪切应力-位移曲线

图6(a)为CSSC立方体试件在不同压应力作用下的剪切应力-位移曲线。由图可知，CSSC压剪试验的剪切应力-位移曲线可以大致分为4个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段、残余阶段。图6(b)为剪切应力-位移曲线示意图，展示了各个阶段的变化趋势。

弹性阶段OA：剪切应力-位移曲线呈线性上升趋势，并且曲线的切线刚度总体随压应力比k的增大而增大，在该阶段试件尚未出现损伤。

图 6 CSSC剪切应力-位移曲线

Figure 6. CSSC shear stress-displacement curves

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弹塑性阶段AB：曲线由线性段转变为非线性段。在该阶段，剪切应力上升速率逐渐下降，混凝土内部开始出现微裂缝，并随着剪切位移的增大而不断发展，试件逐渐出现不可逆的损伤。此外，CSSC试件在该阶段所对应的剪切位移量随压应力比k的增大呈增加趋势。

破坏阶段BC：剪切应力迅速下降，试件表现出明显的脆性。这主要是因为珊瑚骨料的强度较低，剪切应力达到峰值点之后，珊瑚骨料被迅速破坏，CSSC中由珊瑚骨料提供的骨架作用迅速失效，导致下降段十分陡峭，并且压应力比越小，下降段越陡峭。在该阶段，随着剪切位移的增大，剪切面的骨料被不断剪坏，水泥基体的裂缝不断开展，最终形成一条贯穿裂缝，试件被剪为两部分。

残余阶段：即C点之后，在该阶段，剪切应力缓慢下降，且主要由摩擦力提供。因此压应力比k越大，该阶段的剪切应力也越大。最后，随着剪切面被逐渐磨平，剪切应力-位移曲线趋近于一条直线。

2.4 压应力比对CSSC剪切强度的影响

图7为不同压应力比k作用下，CSSC剪切强度的变化规律。可知，随着压应力比k的增大，CSSC剪切强度逐渐增大，但增长趋势逐渐减缓。当压应力比k以0.1为增量从0增加到0.5时，与直剪试件相比，剪切强度分别提升了1.53、2.81、3.60、4.32、4.67倍，剪切强度随压应力比k的增大而增大；而剪切强度的增幅分别为4.65、3.85、2.42、2.18、1.05 MPa，增幅逐渐下降。这是因为剪切强度主要由黏聚强度、骨料咬合强度和界面摩擦强度组成^[14,21]，其中骨料咬合强度和界面摩擦强度两者的和会随着压应力比的增加而增大^[14]，故剪切强度也会随之增大。然而过大的压应力会使混凝土内部更容易产生裂缝，因此随着压应力比k的增大，CSSC剪切强度逐渐增加，但增幅逐渐下降。这与轻骨料混凝土、普通混凝土和再生混凝土的试验结果一致^[22-26]。

图 7 CSSC剪切强度与压应力比k的关系

Figure 7. Relationship between shear strength and compressive stress ratio k of CSSC

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2.5 CSSC剪切强度组成分析

根据前文分析可知，剪切强度τ_p由黏聚强度τ_c、骨料咬合强度τ_i和界面摩擦强度τ_f三部分组成，并有如下关系：

${\tau _{\text{p}}} = {\tau _{\text{c}}} + {\tau _{\text{i}}} + {\tau _{\text{f}}}$

(2)

现根据以下假设^[14,27]对珊瑚海水海砂混凝土剪切强度各组成部分进行计算：(1)当主裂缝贯通，黏聚力消失时，剪切应力-位移曲线下降段存在一个转折点与之对应；(2)骨料咬合力在峰值点至转折点后的一段距离内衰减速度不变；(3)试件残余阶段的荷载完全由界面摩擦力提供，随着位移的增大，当剪切应力-位移曲线斜率不再明显变化时，取该点作为残余阶段的起始点。具体的计算分析示意图如图8所示，取下降段转折点b为裂缝贯通点，转折点b后的0.4倍峰值位移为点c，残余阶段的起始点为d，连接bc点，其延长线与ag交于e点。因此，线段ae即代表黏聚强度τ_c，线段eg则代表骨料咬合强度和界面摩擦强度的和。其中，界面摩擦强度τ_f可由残余阶段的剪切应力得到，而骨料咬合强度τ_i可由剪切强度τ_p减去黏聚强度τ_c和界面摩擦强度τ_f得到。

图 8 CSSC剪切强度组成分析示意图

Figure 8. Analysis diagram of CSSC shear strength composition

τ_c is cohesive strength; τ_i is aggregate bite strength; τ_f is the interfacial friction strength; τ_p is the shear strength

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通过以上方法计算得到的各部分剪切强度及其占比分别如图9和图10所示。可知，黏聚强度约占剪切强度τ_p的10%~22%。随着压应力比k的增加，黏聚强度呈现出先增大后减小的变化趋势，这与其他学者的试验计算结果相似^[14]。这可能是因为以下两个原因：(1)竖向压应力会使混凝土内部处于多轴应力状态，这会增强混凝土的黏聚强度；(2)因水泥基体和骨料的变形模量不同，两者在压应力作用下产生的变形不一致，进而会削弱混凝土的黏聚强度。因此，在k ≤ 0.3时，多轴应力的增强效应占主导作用，黏聚强度随k的增加而增加。而在k > 0.3时，因变形模量差异造成的削弱效应占主导作用，黏聚强度随k的增加而下降。

图 9 CSSC剪切强度各组成部分-压应力比关系曲线

Figure 9. CSSC shear strength of each component-compression stress ratio curve

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图 10 CSSC剪切强度各组成部分占比

Figure 10. Proportion of each component of CSSC shear strength

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骨料咬合强度约占τ_p的19%~30%，在k = 0.3时τ_i出现小幅度下降，但总体随压应力比的增加呈上升趋势。界面摩擦强度约占剪切强度τ_p的50%~69%，是剪切强度的主要组成部分，与压应力比k基本成正比，通过计算可以得到珊瑚海水海砂混凝土剪切面的摩擦系数μ = 0.978，略低于普通混凝土(μ = 1.08)^[16]。

2.6 CSSC剪切强度计算公式

根据莫尔-库伦准则，不同压应力作用下混凝土剪切强度的计算公式为

$\tau = a + b\sigma$

(3)

其中，τ为剪切强度(MPa)；σ为轴向压应力(MPa)；

根据图7可以得知，试验得到的CSSC压应力与剪切强度近似呈幂函数变化规律，因此在上式的基础上叠加一个幂函数，进而提出以下剪切强度计算公式：

$\tau = a{\sigma ^b} + c\sigma + d$

(4)

其中，a、b、c、d为拟合系数。

为使拟合结果更具适用性，在本文的数据基础上加入文献[15]中全珊瑚混凝土(CAC)的剪切数据对关系式(4)进行回归分析，拟合结果如图11所示，拟合公式计算值与试验结果的对比如图12所示。由图可知，计算值与试验值接近，拟合良好。另外，尽管文献[15]采用了边长为100 mm的立方体试件，但试验数据仍与拟合曲线较为接近，计算值与试验值的误差也在±15%以内，拟合公式与试验结果吻合较好。最后，得到珊瑚混凝土压-剪复合作用下的剪切强度计算公式：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\tau = 102.55{\sigma ^{0.994\;29}} - 100.085\sigma + 2.544} \\ {\sigma = k \cdot {f_{\text{c}}}} \end{array}} \right.$

(5)

其中，k为压应力比；f_c为立方体抗压强度(MPa)。

图 11 珊瑚混凝土剪切强度计算公式拟合

Figure 11. Coral concrete shear strength calculation formula fitting

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图 12 珊瑚混凝土剪切强度计算值与试验值对比

Figure 12. Comparison of calculated and experimental values of shear strength of coral concrete

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由图12可知，式(5)对于强度等级为C20和C30的地聚物珊瑚混凝土(GCAC)也具有较好的适用性。

3. 破坏准则

根据弹性理论和应力分析，当混凝土处于压-剪复合应力状态时，其压应力σ和剪应力τ可转化为第一主应力σ₁、第二主应力σ₂和第三主应力σ₃^[28]，如下式所示：

${\sigma _1} = \frac{\sigma }{2} + \sqrt {{{\left( {\frac{\sigma }{2}} \right)}^2} + {\tau ^2}}$

(6)

${\sigma _2} = 0$

(7)

${\sigma _3} = \frac{\sigma }{2} - \sqrt {{{\left( {\frac{\sigma }{2}} \right)}^2} + {\tau ^2}}$

(8)

3.1 基于主应力空间的破坏准则

通过分析三个主应力σ₁、σ₂和σ₃之间的关系，得到珊瑚海水海砂混凝土压剪复合状态下的破坏准则关系式。根据压-剪复合受力的特性，第二主应力σ₂ = 0，因此只需对σ₁和σ₃的关系进行分析。根据文献^[22]，对第一主应力σ₁和第三主应力σ₃进行无量纲化处理，并建立主应力空间破坏准则方程：

$\frac{{{\sigma _3}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} = a{\left( {\frac{{{\sigma _1}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}}} \right)^2} + b\frac{{{\sigma _1}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} + c$

(9)

使用试验数据进行回归分析，具体如图13所示，并得到珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下基于主应力空间的破坏准则：

图 13 基于主应力的CSSC破坏准则

Figure 13. CSSC failure criterion based on principal stress

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$\begin{gathered} \frac{{{\sigma _3}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} = 0.3536{\left( {\frac{{{\sigma _1}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}}} \right)^2} - 0.6933\frac{{{\sigma _1}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} - 0.033 \\ ({R^2} = 0.9974) \\ \end{gathered}$

(10)

由图13和式(10)可知，基于主应力空间建立的二次方程破坏准则不仅能较好地反映珊瑚海水海砂混凝土的压剪破坏规律，对全珊瑚混凝土和地聚物珊瑚混凝土也具有较好的适用性。

3.2 基于八面体应力的破坏准则

根据塑性力学，取主应力方向为坐标轴方向，与坐标轴成等斜面上的应力为八面体应力。通过以下两式可将主应力转换为等斜面上的正应力σ_oct和剪应力τ_oct^[15]：

${\sigma _{{\text{oct}}}} = \frac{1}{3}({\sigma _1} + {\sigma _2} + {\sigma _3})$

(11)

${\tau _{{\text{oct}}}} = \frac{1}{3}\sqrt {{{({\sigma _1} - {\sigma _2})}^2} + {{({\sigma _2} - {\sigma _3})}^2} + {{({\sigma _3} - {\sigma _1})}^2}}$

(12)

根据正应力σ_oct和剪应力τ_oct，建立CSSC压剪破坏准则方程：

$\frac{{{\tau _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} = a{\left( {\frac{{{\sigma _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}}} \right)^2} + b\frac{{{\sigma _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} + c$

(13)

使用CSSC压剪试验数据进行回归分析，具体如图14所示，最后得到基于八面体应力的珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下的破坏准则：

$\begin{gathered} \frac{{{\tau _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} = - 9.0115{\left( {\frac{{{\sigma _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}}} \right)^2} + 4.071\frac{{{\sigma _{{\text{oct}}}}}}{{{f_{{\text{cu}}}}}} + 0.0851 \\ ({R^2} = 0.9973) \\ \end{gathered}$

(14)

图 14 基于八面体应力的CSSC破坏准则

Figure 14. CSSC failure criterion based on octahedral stress

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由图14和式(14)可知，基于八面体应力建立的二次方程破坏准则与CSSC试验数据拟合较好，对全珊瑚混凝土和地聚物珊瑚混凝土也具有较好的适用性。

通过以上分析可以得知，基于主应力空间的破坏准则和基于八面体应力的破坏准则均能较好地反应珊瑚海水海砂混凝土在压剪状态下的破坏规律，其中基于主应力空间的破坏准则与试验数据的拟合结果相对更好。

4. 结论

对不同压应力比作用下的珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)压剪力学性能进行研究分析，得到以下结论：

(1)在直剪作用下，珊瑚海水海砂混凝土试件沿中部碎为两块，自由面较完整，呈脆性破坏模式。随着压应力比k的不断增大，自由面斜裂缝的数量和水平夹角不断增大，剪切面的白色珊瑚粉末逐渐增加，并逐渐呈现出一定的塑性破坏特征；

(2)随着压应力比k的增加，珊瑚海水海砂混凝土的剪切强度不断增大，但增幅逐渐下降，呈非线性上升趋势。当k以0.1为增量从0增加到0.5时，剪切强度分别提升了1.53、2.81、3.60、4.32、4.67倍。提出了修正后的珊瑚混凝土剪切强度计算公式；

(3)剪切强度由黏聚强度、骨料咬合强度和界面摩擦强度组成，分别占剪切强度的10%~22%、19%~30%和50%~69%；随着压应力比k的增大，黏聚强度先增加后减小，骨料咬合强度总体呈上升趋势，界面摩擦强度近似呈线性增加，并通过计算得到剪切面摩擦系数μ = 0.978；

(4)根据试验数据，建立珊瑚海水海砂混凝土基于主应力空间和八面体应力的破坏准则。其中，基于主应力空间的破坏准则能够更好地反映珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下的破坏规律。

图 1 珊瑚骨料与海砂的表观形貌

Figure 1. Apparent morphology of coral aggregate and sea sand

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图 2 珊瑚骨料与海砂的粒径级配曲线

Figure 2. Particle size gradation of coral coarse aggregate and sea sand

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图 3 试验装置

Figure 3. Test equipment

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图 4 CSSC压-剪复合受力破坏形态

Figure 4. Failure pattern of CSSC under compression-shear loading

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图 5 CSSC压-剪试件剪切面破坏特征

Figure 5. Failure pattern of CSSC under compression-shear loading

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图 6 CSSC剪切应力-位移曲线

Figure 6. CSSC shear stress-displacement curves

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图 7 CSSC剪切强度与压应力比k的关系

Figure 7. Relationship between shear strength and compressive stress ratio k of CSSC

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图 8 CSSC剪切强度组成分析示意图

Figure 8. Analysis diagram of CSSC shear strength composition

τ_c is cohesive strength; τ_i is aggregate bite strength; τ_f is the interfacial friction strength; τ_p is the shear strength

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图 9 CSSC剪切强度各组成部分-压应力比关系曲线

Figure 9. CSSC shear strength of each component-compression stress ratio curve

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图 10 CSSC剪切强度各组成部分占比

Figure 10. Proportion of each component of CSSC shear strength

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图 11 珊瑚混凝土剪切强度计算公式拟合

Figure 11. Coral concrete shear strength calculation formula fitting

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图 12 珊瑚混凝土剪切强度计算值与试验值对比

Figure 12. Comparison of calculated and experimental values of shear strength of coral concrete

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图 13 基于主应力的CSSC破坏准则

Figure 13. CSSC failure criterion based on principal stress

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图 14 基于八面体应力的CSSC破坏准则

Figure 14. CSSC failure criterion based on octahedral stress

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表 1 珊瑚骨料基本物理性能

Table 1 Basic physical properties of coral aggregate

Property	Bulk density/ (kg·m⁻³)	Apparent density/ (kg·m⁻³)	Water content (by mass) /%	1 h water absorption (by mass) /%	Cylinder pressure strength/MPa
Value	879.9	1667	0.67	12.79	4.11

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表 2 珊瑚海水海砂混凝土配合比

Table 2 Coral seawater sea sand concrete mix ratio

Cement/ (kg·m⁻³)	Coral/ (kg·m⁻³)	Sea sand/ (kg·m⁻³)	Sea water/ (kg·m⁻³)	Additional sea water/(kg·m⁻³)	Superplasticizer/ (kg·m⁻³)	f_c/ MPa
535	655.8	760.1	214	75.1	1.4	30.42
Note：f_c is the compressive strength of CSSC cube.

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表 3 CSSC压-剪作用特征点参数

Table 3 Characteristic point parameters of CSSC compression shear action

k	Peak shear stress τ_p/MPa				Peak shear displacement s_p/mm
k	τ_p,1	τ_p,2	τ_p,3	τ_p,ave	s_p,1	s_p,2	s_p,3	s_p,ave
0	2.60	2.87	3.61	3.03	0.97	1.03	0.43	0.81
0.1	9.06	6.78	7.19	7.68	1.04	1.80	2.03	1.62
0.2	12.04	10.79	11.77	11.53	1.23	2.18	1.02	1.47
0.3	16.06	14.01	11.77	13.95	1.18	1.11	1.46	1.25
0.4	16.94	15.52	15.92	16.13	1.31	1.54	1.71	1.52
0.5	19.87	15.29	16.38	17.18	1.93	1.88	2.09	1.97
Notes: τ_p,1, τ_p,2, τ_p,3 are the shear strength of three specimens with the same compressive stress ratio, τ_p,ave is the average shear strength; s_p,1, s_p,2, s_p,3 are the peak shear displacement of three specimens with the same compressive stress ratio, s_p,ave is the average peak shear displacement.

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长摘要

目的
在远海岛礁工程中，珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)可解决当地传统混凝土原材料短缺的问题。目前，珊瑚混凝土的抗压强度已经能够达到一般工程要求，然而在实际工程结构中，构件多处于复合应力状态。目前关于珊瑚混凝土的研究主要集中在抗压、抗拉和抗弯等方面，有关复合应力状态下的研究内容相对较少。因此，为更好地将珊瑚海水海砂混凝土应用于实际工程结构，加快海洋工程建设，对珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下的力学性能进行研究。
方法
为研究珊瑚海水海砂混凝土在复合受剪状态下的力学性能，以压应力比为变化参数，设计并制作21个CSSC立方体试件进行复合剪切试验。试验观察了珊瑚海水海砂混凝土试件的破坏形态，获得了不同压应力比作用下的剪切应力-位移曲线，并分析各阶段曲线的变化趋势。根据试验数据，分析压应力比与剪切强度之间的关系，并使用数学回归分析获得计算式；分析剪切强度各组成部分随压应力比的变化规律；提出基于主应力空间和基于八面体应力的破坏准则，并对比得到拟合效果更好的破坏准则。
结果
在不同压应力比作用下，CSSC剪切破坏形态有较大的差异，在直剪试验中，珊瑚海水海砂混凝土试件沿中部碎为两块，自由面较完整，呈脆性破坏模式，而随着压应力比的不断增大，剪切试件斜裂缝的数量和角度逐渐增加，自由面出现混凝土剥落，逐渐呈现出一定的塑性破坏特征。此外，观察到剪切面珊瑚骨料均被剪断。珊瑚海水海砂混凝土的剪切强度随压应力比的增加而不断增大，但增幅逐渐下降。当以0.1为增量从0增加到0.5时，剪切强度分别提升了1.53、2.81、3.60、4.32、4.67倍。针对该现象提出了修正后的珊瑚海水海砂混凝土剪切强度计算公式。根据剪切应力-位移曲线，对剪切强度组成部分进行分析计算，发现界面摩擦强度是剪切强度的主要组成部分，约占剪切强度的50%~69%，与压应力基本呈正比变化，并通过计算得到CSSC剪切面摩擦系数 = 0.978。根据试验数据，分别提出珊瑚海水海砂混凝土基于主应力空间和八面体应力的破坏准则。其中，基于主应力空间的破坏准则能够更好地反映珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下的破坏规律。
结论
珊瑚海水海砂混凝土剪切应力-位移曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段和残余阶段。在复合受剪作用下，压应力对CSSC的破坏形态有显著的影响，压应力比越大，试件裂缝越多，破坏程度越严重，破坏特征逐渐由脆性向塑性转变。CSSC剪切强度与压应力近似呈幂函数关系，并基于此提出修正后的剪切强度计算公式，以期为工程设计提供参考。根据剪切应力-位移曲线，计算各剪切强度组成部分的值，发现黏聚强度、骨料咬合强度和界面摩擦强度分别占剪切强度的10%~22%、19%~30%和50%~69%，其中界面摩擦强度是剪切强度的主要组成部分。根据试验数据，发现基于主应力空间的破坏准则能很好地反映珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合作用下的破坏规律，与试验数据拟合较好。

创新点

珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)应用于海洋工程建设，可以有效解决远海环境缺乏碎石、河砂等传统混凝土原材料的问题。目前，珊瑚混凝土主要用于防波堤、道路铺设、基层缓冲等，而较少用于梁、柱等主要结构。这些结构在实际工程中大多处于复合应力状态下，由于目前关于珊瑚混凝土在复合应力状态下的力学性能研究相对缺乏，导致其在梁、柱等结构的应用有一定困难。
本文探究珊瑚海水海砂混凝土在压-剪复合应力作用下的力学性能，对不同压应力比作用下的珊瑚海水海砂混凝土进行剪切试验，观察其剪切破坏形态，并分析压应力比k对CSSC剪切强度的影响，以及剪切应力-位移曲线在各阶段的变化趋势。提出了不同压应力比作用下的CSSC剪切强度计算公式，供工程结构设计时参考。根据剪切应力-位移曲线计算CSSC剪切强度各组成部分的值及其占比关系，并分析剪切强度各组成部分随压应力比的变化趋势。最后，建立基于主应力空间和基于八面体应力的破坏准则，依据拟合结果，发现基于主应力空间的破坏准则能更好地反应CSSC在压剪状态下的破坏规律。
1
CSSC剪切应力-位移曲线
CSSC shear stress-displacement curves
2
CSSC压-剪复合受力破坏形态
Failure pattern of CSSC under compression-shear loading
3
CSSC剪切强度与压应力比的关系
Relationship between shear strength and compressive stress ratio of CSSC
4
CSSC剪切强度各组成部分占比
The proportion of each component of CSSC shear strength
5
基于主应力的CSSC破坏准则
CSSC failure criterion based on principal stress