三元復(fù)合膠料配制海洋礁砂高性能混凝土的試驗研究

試驗研究

三元復(fù)合膠料配制海洋礁砂高性能混凝土的試驗研究

□□ 成耀榮1，孫國峰2(1.山西省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院，山西 太原030013；2.海軍工程設(shè)計研究院 工程綜合試驗研究中心，山東 青島266100)

摘要：利用普通硅酸鹽水泥、二級優(yōu)質(zhì)粉煤灰和GHPC海洋耐蝕摻合料三元復(fù)合膠料作膠料，破碎的礁石作粗集料代替石子，礁砂作細(xì)集料代替大陸河砂，配制了礁砂高性能海洋混凝土。對三元復(fù)合膠料礁砂混凝土的物理力學(xué)性能開展了試驗研究，并對其高性能化的機理進(jìn)行了分析與探討。利用現(xiàn)有材料和技術(shù)，通過對島礁原料進(jìn)行新的組合，可以使礁砂混凝土高性能化，配制出C30~C50的大流動、免震搗、自密實、耐腐蝕、壽命長的高性能海洋礁砂混凝土。

關(guān)鍵詞：海洋混凝土；高性能混凝土；混凝土摻合料

文章編號：1009-9441(2015)03-0005-03

中圖分類號：TV 431；TU 528.31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Using ternary compound rubber of ordinary Portland cement，second-quality fly ash and GHPC marine corrosion resisting admixture as material，broken rocks as coarse aggregate to replace stones，reef sand as fine aggregate to replace continental river sand，the author compounds high performance marine reef sand concrete.The test and research of physical and mechanical properties of the ternary composite rubber reef sand concrete is conducted，and the mechanism of its high performance is analyzed and discussed.Using existing materials and technology，through new combination of reef raw material，can make the reef sand concrete high-performance，and formulate the C30~C50 high performance marine concrete of big flow，jolt ramming free，self-compaction，corrosion resistance and long service life.

作者簡介：成耀榮(1963-)，男，山西文水人，工程師，從事水泥工程設(shè)計與新材料試驗研究工作。

收稿日期：2015-03-07

引言

我國的大多島嶼是由礁石組成。據(jù)地質(zhì)學(xué)考證，島礁的形成是由于一種海洋生物蟲群體吸收海水中的鈣和CO2，使其外殼成為石灰石，生物蟲的尸體經(jīng)過漫長地質(zhì)年代的壓實、石化，形成島礁。經(jīng)過長期的水力作用和風(fēng)化，外表處的島礁堆積物就形成了礁石和礁砂。礁石和礁砂的化學(xué)成分與大陸的石灰?guī)r類似，即以CaCO3為主要成分。

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和海洋開發(fā)的深入，島礁建設(shè)也越來越引起人們的重視。但由于島礁遠(yuǎn)離大陸，運輸成本較高，島礁建設(shè)中節(jié)能減排的現(xiàn)實問題日益突出，利用礁砂代替大陸傳統(tǒng)砂石作混凝土集料的技術(shù)課題應(yīng)運而生。我國從20世紀(jì)60至70年代便開始了利用礁砂作集料生產(chǎn)混凝土的探索和實踐。在一些島礁建設(shè)的素混凝土中有很多工程實踐，取得了很多成功的經(jīng)驗。但由于礁砂粗糙多孔、形狀不規(guī)則、自身筒壓強度偏低且波動較大，多年來礁砂混凝土的應(yīng)用僅限于在低強度等級的半干硬性混凝土中的低檔次應(yīng)用，滿足不了現(xiàn)代泵送混凝土對于高流動性、高強度、高耐久性等性能的技術(shù)要求。因此，通過就地取材，利用礁砂代替大陸傳統(tǒng)砂石作集料，生產(chǎn)適宜泵送的高性能混凝土以滿足島礁建設(shè)，成為了業(yè)界爭相研究開發(fā)的熱門課題。

利用高效減水劑和優(yōu)質(zhì)超細(xì)摻合料是配制生產(chǎn)高性能混凝土的有效途徑。用普通硅酸鹽水泥、二級優(yōu)質(zhì)粉煤灰和GHPC海洋耐蝕摻合料(以偏高嶺土活性材料為主體的超細(xì)摻合料)組成的三元復(fù)合膠料作膠料，破碎的礁石作粗集料代替石子，礁砂作細(xì)集料代替大陸河砂，配制礁砂高性能海洋混凝土，是礁砂混凝土高性能化的一個有益的探索和實踐。本試驗嘗試?yán)矛F(xiàn)有材料和技術(shù)，就地取材，將島礁原料進(jìn)行組合，使礁砂混凝土高性能化，配制具有實用價值的C30~C50大流動、免震搗、自密實、耐腐蝕、長壽命、高性能的海洋礁砂混凝土，是島礁建設(shè)中的一項技術(shù)創(chuàng)新。

1三元復(fù)合膠料海洋礁砂混凝土的配制

1.1　原材料

(1)水泥：采用華潤紅水河水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰：采用海南省?？诎l(fā)電廠二級粉煤灰。

(3)GHPC海洋耐蝕摻合料：山西呂梁廣廈特種建材有限公司生產(chǎn)。

(4)減水劑：山西黃騰外加劑廠生產(chǎn)，市售20%固含量聚羧酸減水劑。

(5)礁砂和礁石：海南某島礁疏浚港池和航道采掘的混合材料，經(jīng)過適當(dāng)破碎和篩分后，選用10~30 mm的石料作粗集料，符合中砂粒徑和級配的細(xì)料作細(xì)集料。按照GB/T 17431—1998《輕集料及其試驗方法》進(jìn)行試驗，測得其堆積密度為1 000 kg/m3，表觀密度為1 900 kg/m3，孔隙率為45%，吸水率為12.8%。

(6)水：自來水。

1.2　試配

在大量探索性試驗的基礎(chǔ)上，綜合考慮礁砂混凝土的工作性，包括粘聚性、保水性、流動性等指標(biāo)，以及各礁砂混凝土各齡期強度增長的連續(xù)性，設(shè)計配制了二元膠料C30、C50混凝土和三元復(fù)合膠料礁砂海洋高性能混凝土，配合比和產(chǎn)品性能見表1至表3。

表1　GHPC二元膠料C30混凝土的配合比和性能

表2　GHPC二元膠料C50混凝土的配合比和性能

表3　三元復(fù)合膠料礁砂混凝土的配合比和性能

從表1至表3可以看出，在膠料中內(nèi)摻8%~12.5%的GHPC摻合料，無論是粗細(xì)集料全部采用礁砂，還是粗集料用普通石子，細(xì)集料用礁砂，或者是粗集料用礁石，細(xì)集料用普通砂，濕拌混凝土均有較好的工作性，不僅能滿足泵送施工的坍落度和流動性，還能達(dá)到粘聚性、保水性和流動性的平衡，均適宜高流動性泵送混凝土的生產(chǎn)施工。就流動性來講，普通石子配礁砂的流動性最好，需水量最小。

利用礁砂作集料，混凝土需水量較大，但礁砂混凝土仍能滿足各齡期的強度。尤其是用大陸傳統(tǒng)粗集料和礁砂細(xì)集料配制的混凝土，其性能與普通砂石混凝土幾乎沒有差別。

可見，三元復(fù)合膠料配制高性能礁砂混凝土能同時解決混凝土流動性、強度和經(jīng)濟性的匹配問題，既可降低生產(chǎn)成本，又能發(fā)揮粉煤灰材料的潛在活性，同時解決了礁砂混凝土后期強度增進(jìn)乏力及礁砂混凝土吃灰、吃水量大的技術(shù)問題，推動了礁砂混凝土向綠色高性能方向轉(zhuǎn)化。

1.3　配合比的確定

比較以上3組礁砂混凝土的配合比，認(rèn)為選擇水泥、粉煤灰、GHPC摻合料作為礁砂海洋高性能混凝土的膠料為理想、科學(xué)的膠料組合。綜合考慮混凝土的工作性、強度、耐久性和經(jīng)濟性，確定膠料最佳配合比為：水泥75%，粉煤灰15%，GHPC摻合料10%。

2礁砂混凝土高性能化機理分析

采用礁砂礁石作混凝土集料，其特點(也是其弱點)是粗糙多孔、孔隙率大、吸水率高、形狀不規(guī)則、筒壓強度低，配制的混凝土需水量大，需要包裹的灰量大(即業(yè)界所謂的吃水和吃灰)。實現(xiàn)礁砂混凝土高性能化的途徑是：選用高效減水劑解決用水量大的問題，選用優(yōu)質(zhì)活性超細(xì)摻合料解決裹漿量和集料間摩擦阻力大造成的泵送困難的問題，以及水灰比大和集料軟弱引發(fā)的強度不足的問題。

GHPC摻合料是一種以偏高嶺土活性材料為主體的超細(xì)摻合料，顆粒形貌好，有滾珠效應(yīng)，因而可以輔助減水，這種作用稱作是GHPC的“形貌效應(yīng)”；另一方面，該摻合料顆粒微細(xì)，干容重小，體積大，1 kg的GHPC摻合料與2.5 kg水泥的體積相當(dāng)，而其粒徑僅為水泥的1%，所以每個水泥顆粒的周圍有上百個GHPC摻合料顆粒，致使混凝土裹漿能力提高，摩擦阻力減小，在用水量較少的情況下，仍能夠獲得很好的工作性，解決了礁砂混凝土的流動性差和泵送難的技術(shù)難題。如選擇硅灰作摻合料，由于其比表面積過大，顆粒級配不合理，需水量反而增大，會使混凝土流動性變得更差，難以實現(xiàn)泵送。單純加大水泥用量，或者用礦渣微粉作摻合料，同樣存在流動性不足影響工作性能以及超細(xì)活性組分不足影響強度發(fā)展的問題。所以，膠料中內(nèi)摻GHPC海洋耐蝕摻合料是解決礁砂混凝土高性能化的理想選擇。

由于礁砂是一種質(zhì)地軟的多孔天然輕集料，筒壓強度低，需水量大，在沒有摻合料加入的情況下，如果為滿足工作性而一味地加水、加灰，會造成混凝土離析、泌水、后期強度停滯。膠料中摻入一定量的摻合料(包括GHPC摻合料和粉煤灰)后，其中大量的活性硅和活性鋁可以與水泥水化析出的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成低鈣硅比的水化硅酸鈣，這種水化產(chǎn)物強度高、抗折性能好，可以使混凝土的中后期強度得到可持續(xù)發(fā)展。同時，GHPC摻合料對粉煤灰有強烈的激發(fā)作用，可激發(fā)粉煤灰的潛在活性，使其在混凝土水化、硬化的后期充分發(fā)揮補強作用。兩種摻合料與水泥的復(fù)合，形成了水泥水化各階段的強度來源，使混凝土的強度能夠可持續(xù)發(fā)展。

礁砂混凝土中的礁砂集料，是經(jīng)過海水長期浸泡形成的，其耐海水腐蝕的性能毋庸置疑。礁砂混凝土的耐蝕性與普通混凝土一樣，主要體現(xiàn)在水泥石的耐蝕性方面，內(nèi)摻GHPC摻合料和粉煤灰以后，摻合料吸收大量的Ca(OH)2，使混凝土內(nèi)部的堿性降低，耐蝕性得以提高。摻合料的填充作用、二次水化作用和GHPC摻合料對粉煤灰的激發(fā)作用，對混凝土產(chǎn)生增強和致密的效果，使水泥石高度密實，混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)得到改善，有害的氣體和液體的傳輸通道被堵塞，混凝土耐蝕系數(shù)達(dá)到了1.0以上。所以，水泥、粉煤灰、GHPC摻合料組成的三元膠料的填充效應(yīng)、二次水化效應(yīng)及滾珠效應(yīng)，是礁砂混凝土實現(xiàn)高性能化的主要推動力和核心要素。

3結(jié)論

水泥、粉煤灰、GHPC摻合料組成的三元膠料與礁石集料組合，能夠配制C30~C50較高強度等級的混凝土，制得的礁砂混凝土具有優(yōu)良的工作性，耐久性好，中后期強度發(fā)展穩(wěn)定，實現(xiàn)了礁砂混凝土的高性能化。

On Marine Reef Sand High-Performance Concrete Compound by Ternary Composite Rubber

CHENG YAO-rong1，SUN Guo-feng2

(1.Building Material Industry Design and Research Institute of Shanxi Province，Taiyuan，Shanxi，030013，China；2.Comprehensive Test Engineering Research Center，Marine Engineering Design and Research Institute，Qingdao，Shandong，266100，China)

Key words：marine concrete；high performance concrete；concrete additive

(編輯芋艷梅)