自然條件下半干珊瑚砂混凝土配制技術(shù)

陳飛翔，張國志，丁沙，秦明強，劉曠怡

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北武漢430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢430040）

自然條件下半干珊瑚砂混凝土配制技術(shù)

陳飛翔1，張國志1，丁沙1，秦明強2，劉曠怡2

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北武漢430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢430040）

海洋工程建設(shè)過程中，考慮到工程現(xiàn)場降水頻繁，不可能長時間晾曬珊瑚砂，因此珊瑚砂在使用時是一種半干狀態(tài)。通過研究自然狀態(tài)下半干珊瑚砂的性能，對于使用珊瑚砂配制海洋工程混凝土，降低施工成本，具有極高的研究意義及應(yīng)用價值。試驗結(jié)果表明，珊瑚砂早期吸水速率非?？?，2 h吸水率達(dá)到了2.5%，10 h以后吸水速度逐漸變緩，48 h的吸水率達(dá)到了6.4%，遠(yuǎn)超一般的天然砂的吸水率，吸水速率在8 h時存在著一個明顯的拐點，此時吸水率約為5.3%，是48 h吸水率的83%。選取吸水特征點的含水率4%~6%作為計算附加用水量，并以此確定的總水膠比以及凈水膠比是合理的，能夠反映珊瑚砂混凝土實際的凈水膠比情況，預(yù)濕可明顯改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

珊瑚砂；吸水率；凈水膠比；預(yù)濕

海洋工程建設(shè)遠(yuǎn)離大陸，物資、淡水資源匱乏，若使用傳統(tǒng)的建筑材料進(jìn)行海洋工程施工，不僅存在著海上運輸任務(wù)艱巨、運輸成本過高的問題，而且傳統(tǒng)的建筑材料在海洋氣候環(huán)境下耐久性差、服役壽命短，嚴(yán)重制約了人類對海洋的大規(guī)模建設(shè)、管理和資源開發(fā)。為了解決上述問題，可以考慮充分利用海洋工程周邊的原材料來進(jìn)行工程建設(shè)，例如可以利用珊瑚砂作為細(xì)骨料，配制一些不需要配筋的海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)，如護(hù)岸、防波堤等，不僅可以擺脫遠(yuǎn)距離海上運輸?shù)闹萍s，而且能夠大幅度節(jié)省工程造價[1-6]。利用珊瑚砂取代傳統(tǒng)細(xì)骨料如天然河砂配制混凝土，國內(nèi)外開展了一定的研究，美國土木工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如缺乏常規(guī)骨料，工程建設(shè)可使用珊瑚骨料作為混凝土骨料，并在太平洋的島嶼上建造了珊瑚骨料混凝土的建筑物；國內(nèi)對利用珊瑚骨料配制混凝土的研究并不多，基本上還處于實驗室研究階段，尚無工程案例方面的文獻(xiàn)報道。

此外，海洋工程建設(shè)一般都處于海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，濕度大，季風(fēng)明顯，受臺風(fēng)影響嚴(yán)重，全年有效的施工作業(yè)時間不到1/3。在工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂經(jīng)過一段時間的晾曬，依然無法完全晾干，對工程現(xiàn)場使用的珊瑚砂的含水率進(jìn)行測試，一般在7%左右。這一方面是因為珊瑚砂多孔、吸水率較高，降水時會吸收大量的水分，另一方面是因為空氣濕度太大，風(fēng)干效率較低?？紤]到工程現(xiàn)場降水頻繁，不可能長時間晾曬珊瑚砂，因此珊瑚砂使用時的含水率依然保持在較高的水平，是一種半干的狀態(tài)。

通過研究自然狀態(tài)下半干珊瑚砂的一系列性能，對于使用珊瑚砂取代天然河砂配制海洋工程混凝土，降低施工成本，具有極高的研究意義及應(yīng)用價值。

1 原材料

1.1 珊瑚砂

試驗中所用珊瑚砂為天然珊瑚砂（見表1）。

表1 珊瑚砂的物理性能Table 1Physical properties of coral sand

從表1中可知，珊瑚砂的表觀密度、松散堆積密度和緊密堆積密度均要明顯小于河砂，因此配制的珊瑚砂混凝土的重度要小于普通的河砂混凝土。珊瑚砂的吸水率要大于河砂，在拌制珊瑚砂混凝土?xí)r，應(yīng)實時監(jiān)測珊瑚砂的含水量，及時調(diào)整混凝土用水量。珊瑚砂的氯離子含量遠(yuǎn)大于河砂，其含鹽量主要來自海水中的硫酸鹽和氯鹽，海水中硫酸鹽含量僅為氯鹽的1/10左右（硫酸鹽含量折算為SO42-含量，氯鹽含量折算為Cl-含量），因此珊瑚砂的含鹽量主要是氯鹽引起的，這可能會使珊瑚砂混凝土早期強度增長較快。

通過對珊瑚砂進(jìn)行篩分發(fā)現(xiàn)，4.75 mm篩孔上的為珊瑚石顆粒以及少量貝殼，而2.36~4.75 mm與1.18~2.36 mm兩檔篩孔部分的幾乎全部是薄片狀顆粒，0.63~1.18 mm篩孔部分的珊瑚砂才開始出現(xiàn)形狀規(guī)則的顆粒，見圖1。

圖1 不同篩孔上的珊瑚砂形貌Fig.1The coral sand morphology on the different mesh

表2 珊瑚砂各檔壓碎值Table 2Coral sand gears crush value

從表2中可以看出，珊瑚砂的力學(xué)性質(zhì)較差，且壓碎值隨著粒徑的增大而增大，說明珊瑚砂粗顆粒的力學(xué)性質(zhì)更差。2.36~4.75 mm和1.18~2.36 mm兩檔的壓碎值均超過了50%，而壓碎值最小的一檔也達(dá)到了18.89%，這可能會對珊瑚砂混凝土的強度造成影響。

珊瑚砂的形貌分析見圖2，從圖2中可以看到珊瑚砂的表面較為粗糙，布滿孔隙，存在很多層狀結(jié)構(gòu)與籠狀結(jié)構(gòu)。珊瑚砂的這種微觀形貌特點導(dǎo)致其具有巨大的比表面積，使得其配制混凝土?xí)r需水量會比河砂的大。此外，珊瑚砂表面的凸凹不平會造成珊瑚砂顆粒間的摩擦力較大，填充能力降低，在級配接近的情況下，孔隙率會大于形貌較好的河砂。

圖2 珊瑚砂SEM圖Fig.2Coral sand SEM figure

由以上結(jié)果可知，珊瑚砂的密度小，強度較低，多孔，表面凸凹不平，這使得配制珊瑚砂混凝土?xí)r需水量較大，且混凝土的密度較小。珊瑚砂中氯離子含量較高，使用時應(yīng)注意控制氯離子對混凝土性能的影響。

1.2 其它原材料

水泥為P.O42.5水泥，基本性能見表3；粗集料為5~25 mm石灰?guī)r碎石，針片狀含量6.0%，含泥量0.7%；減水劑為聚羧酸高效減水劑，其減水率為22%。

表3 水泥基本性能Table 3Basic properties of cement

2 試驗設(shè)計與分析

2.1 珊瑚砂吸水特性

在拌制混凝土的過程中，骨料會吸收水泥漿體中的自由水分，從而造成拌合物流動性降低且經(jīng)時損失的減少，而珊瑚砂是一種多孔骨料，吸水率較大，這一效應(yīng)將更加明顯，因此需要對珊瑚砂的吸水特性進(jìn)行研究。

珊瑚砂吸水率的測試方法如下：容量瓶中放置一定質(zhì)量的砂，加入80%水，搖動2 min，定容，隨著珊瑚砂吸水，液面會下降，在一定時間內(nèi)再次定容，稱取質(zhì)量，計算吸水質(zhì)量。依此方法，測定珊瑚砂48 h內(nèi)的吸水特性曲線（見圖3），可見珊瑚砂早期吸水速度非常快，2 h吸水率達(dá)到了2.5%，10 h以后吸水速度逐漸變緩，48 h的吸水率達(dá)到了6.4%，遠(yuǎn)超一般的天然砂的吸水率。

圖3 不同顆粒區(qū)間珊瑚砂48 h吸水率曲線Fig.348 h bibulous rate curve of different coral sand particles interval

同時還發(fā)現(xiàn)，不同顆粒區(qū)間的珊瑚砂的吸水特性也存在差異，0.315~0.63 mm區(qū)間的珊瑚砂吸水率最大，可達(dá)到6.9%；2.36~4.75 mm區(qū)間的珊瑚砂吸水率最小，不足5%；0.315~0.63 mm區(qū)間的珊瑚砂初始吸水最快，0.15~0.315 mm區(qū)間的珊瑚砂初始吸水最慢，式（1）為2 min定容時珊瑚砂的吸水率計算公式。

式中：m0為烘干珊瑚砂的質(zhì)量；m1為定容后，珊瑚砂+水+容量瓶的質(zhì)量；m2為容量瓶質(zhì)量；ρ砂為珊瑚砂的表觀密度；ρ水為水密度；V為容量瓶體積。

因此在配制珊瑚砂混凝土?xí)r需針對珊瑚砂的這一特點對配合比進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如采用較大的用水量，在珊瑚砂充分吸水的情況下仍能保證混凝土拌合物的工作性能，或參考輕集料混凝土的處理方法，對珊瑚砂提前進(jìn)行預(yù)濕，使混凝土在拌合過程中珊瑚砂不繼續(xù)吸水，保證混凝土的工作性能以及降低經(jīng)時損失。

2.2 混凝土配合比設(shè)計

半干珊瑚砂混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計時，參考完全干燥的珊瑚砂混凝土的配合比相關(guān)參數(shù)[7-8]，并根據(jù)半干珊瑚砂的特性做適當(dāng)調(diào)整。半干珊瑚砂混凝土試配強度保持不變，同時材料未發(fā)生變化，僅改變珊瑚砂的含水率，因此水泥用量與砂率保持不變，僅針對半干珊瑚砂的用水量進(jìn)行調(diào)整。珊瑚砂多孔、吸水率大的特點與輕骨料相似，可借鑒輕骨料混凝土配合比設(shè)計中總用水量的確定方法。輕骨料混凝土的總用水量包括凈用水量和附加水量兩部分，凈用水量對應(yīng)的水膠比為凈水膠比，而總用水量對應(yīng)的水膠比為總水膠比。總用水量是指混凝土內(nèi)所有水的含量，包括珊瑚砂所吸收水分的含量，而凈用水量則不含骨料內(nèi)水分的含量。通常情況下，骨料預(yù)先吸取的水分對新拌合的混凝土的工作性能影響較小，因此凈水膠比才是輕骨料混凝土工作性能以及強度的決定因素。所以在自然條件下珊瑚砂含水率的基礎(chǔ)上，確定合適的總用水量和凈用水量是半干珊瑚砂混凝土配合比設(shè)計的關(guān)鍵。

輕骨料混凝土用水量確定過程中一定要考慮骨料吸附的附加水量，規(guī)范中是通過計算骨料1 h吸收水分的質(zhì)量，若輕骨料已經(jīng)含水，就在附加水量中扣除自然含水量。珊瑚砂可以參照輕骨料配合比設(shè)計中用水量算法的相關(guān)思路，但選擇多長的吸水時間對應(yīng)的含水率來計算附加水量，以及在已知自然狀態(tài)下半干珊瑚砂含水率的條件下，選擇多大的總用水量，是值得思考和研究的。

根據(jù)2.1節(jié)中珊瑚砂吸水特性的研究可知，珊瑚砂吸水具有早期快、后期慢的特點，在8 h時存在著一個明顯的拐點，此時吸水率約為5.3%，是48 h吸水率的83%，在該點之前水分能夠較快的進(jìn)入珊瑚砂孔隙內(nèi)，而超過該點，水分進(jìn)入孔隙內(nèi)的速率就會變慢，因此，可選取此拐點附近作為珊瑚砂的吸水特征點，可以認(rèn)為，在此點之前珊瑚砂吸水較容易，此點之后吸水較困難，吸水率大于此點時在拌合過程中水分基本不會進(jìn)入珊瑚砂內(nèi)部。參照之前研究中全干珊瑚砂混凝土配合比中的總用水量[7-8]（見表4），選取的預(yù)濕水平為2%、4%、6%、8%和10%，配合比及各項性能見表5，表中所示計算凈水膠比的凈用水量為拌合所加水量，即總用水量減去預(yù)濕水量。

表4 基準(zhǔn)配合比Table 4Basic mixture ratio

表5 混凝土配合比Table 5Concrete mixture ratio

從表5和圖4中可以看出，凈水膠比相同時，珊瑚砂混凝土的坍落度隨著總用水量的增加而增大，抗壓強度隨著總用水量的增加而降低?？傆盟肯嗤瑫r，珊瑚砂混凝土的工作性能隨著凈水膠比的減小而先增大后減小，這說明對珊瑚砂進(jìn)行一定程度的預(yù)濕，有利于珊瑚砂混凝土工作性能的改善，但抗壓強度則隨著凈水膠比的減小而增大，這是因為總水膠比相同時，凈水膠比越小，珊瑚骨料附近的局部低水膠比就越低，因此減少了水分在珊瑚骨料和水泥漿界面富集及避免了骨料下部由于內(nèi)分層作用而形成水囊，避免了界面處Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料與砂漿的界面黏結(jié)力，不利于Ca（OH）2晶體的發(fā)育，減少珊瑚混凝土的薄弱部分；預(yù)濕含水率越大，使得珊瑚砂供水作用越明顯，使珊瑚骨料附近的水泥在后期能充分水化，進(jìn)一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密實度[9-14]。

因此，選取吸水特征點的含水率4%~6%作為計算附加用水量，并以此確定的總膠比以及凈水膠比是合理的，能夠反映珊瑚砂混凝土實際的凈水膠比情況，預(yù)濕可明顯改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

圖4 不同總水膠比、凈水膠比珊瑚砂混凝土強度圖Fig.4Coral sand concrete strength of different total water/cement ratio,pure water/cement ratio

3 結(jié)語

1）珊瑚砂早期吸水速度非?？?，2 h吸水率達(dá)到了2.5%，10 h以后吸水速度逐漸變緩，48 h的吸水率達(dá)到了6.4%，遠(yuǎn)超一般的天然砂的吸水率；吸水速率在8 h時存在著一個明顯的拐點，此時吸水率約為5.3%，是48 h吸水率的83%。

2）選取吸水特征點的含水率4%~6%作為計算附加用水量，并以此確定的總膠比以及凈水膠比是合理的，能夠反映珊瑚砂混凝土實際的凈水膠比情況，預(yù)濕可明顯改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

[1]孫宗勛.南沙群島珊瑚砂工程性質(zhì)研究[J].熱帶海洋，2000，19（2）：1-8. SUN Zong-xun.Engineering properties of coral sands in Nansha islands[J].Tropic Oceanology,2000,19(2):1-8.

[2]陳兆林，陳天月，曲勣明.珊瑚礁、砂混凝土的應(yīng)用可行性研究[J].海洋工程，1991，9（3）：67-80. CHEN Zhao-lin,CHEN Tian-yue,QU Ji-ming.Feasibility study of coral reefs,sand concrete application[J].The Ocean Engineering, 1991,9(3):67-80.

[3]盧博，梁元博.海水珊瑚砂混凝土的實驗研究I[J].海洋通報，1993，12（5）：69-74. LU Bo,LIANG Yuan-bo.Experimental study of concrete prepared with coral reef and sea water I[J].Marine Science Bulletin,1993, 12(5):69-74.

[4]王以貴.珊瑚混凝土在港工中應(yīng)用的可行性[J].水運工程，1988（9）：46-48. WANG Yi-gui.The feasibility of coral concrete applied in the port industry[J].Port&Waterway Engineering,1988(9):46-48.

[5]張偉，劉丹，徐世君.利用海砂海水生產(chǎn)混凝土——海洋島礁混凝土發(fā)展的新方向[J].商品混凝土，2015（1）：4-8. ZHANG Wei,LIU Dan,XU Shi-jun.The use of sea sand sea water to produce concrete:a new direction of the development of the marine reef concrete[J].Ready-Mixed Concrete,2015(1):4-8.

[6]李林.珊瑚混凝土的基本特性研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2012. Li Lin.Research on basic characteristics of coral concrete[D]. Nanning:Guangxi University,2012.

[7]丁沙，張國志，陳飛翔，等.珊瑚砂混凝土配制技術(shù)研究[J].建材世界，2016，37（2）：15-20. DING Sha,ZHANG Guo-zhi,CHEN Fei-xiang,et al.Coral sand concrete preparation technology research[J].The World of Building Materials,2016,37(2):15-20.

[8]陳飛翔，張國志，丁沙，等.珊瑚砂混凝土性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2016（7）：16-21. Chen Fei-xiang,Zhang Guo-zhi,DING Sha,et al.Coral sand concrete performance experimental research[J].China Concrete and Cement Products,2016(7):16-21.

[9]陳兆林，孫國峰，唐筱寧，等.島礁工程海水拌養(yǎng)珊瑚礁、砂混凝土修補與應(yīng)用研究[J].海岸工程，2008，27（4）：60-69. CHEN Zhao-lin,SUN Guo-feng,TANG Xiao-ning,et al.Study on applications of concretes from coral reef sand mixed with seawater for patching-up in reef engineering[J].Coastal Engineering,2008, 27(4):60-69.

[10]王新志.南沙群島珊瑚礁工程地質(zhì)特性及大型工程建設(shè)可行性研究[D].武漢：中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所），2008. WANG Xin-zhi.Study on engineering geological properties of coral reefs and feasibility of large project construction on Nansha islands [D].Wuhan:Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2008.

[11]王磊，趙艷林，呂海波.珊瑚骨料混凝土的基礎(chǔ)性能及研究應(yīng)用前景[J].混凝土，2012（2）：99-100. WANG Lei,ZHAO Yan-lin,Lü Hai-bo.Prospect on the properties and application situation of coral aggregate concrete[J].Concrete, 2012(2):99-100.

[12]張栓柱.珊瑚混凝土的疲勞特性及微觀機理研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2012. ZHANG Shuan-zhu.Experimental study on the fatigue property and microscopic mechanism of coral concrete[D].Nanning:Guangxi University,2012.

[13]王磊，范蕾.珊瑚碎屑混凝土的強度特性及破壞形態(tài)分析[J].混凝土與水泥制品，2015（1）：1-4. WANGLei,FANLei.Coraldetritusconcretestrength characteristics and failure pattern analysis[J].China Concrete and Cement Products,2015(1):1-4.

[14]潘柏州，韋灼彬.原材料對珊瑚砂混凝土抗壓強度影響的試驗研究[Z].工程力學(xué)，2015，32（S1）：221-225. PAN Bai-zhou,WEI Zhuo-bin.The impact of raw materials on the coral sand concrete compressive strength tests[J].Engineering Mechanics,2015,32(S1):221-225.

Half-dry coral sand concrete preparation technology under natural conditions

CHEN Fei-xiang1,ZHANG Guo-zhi1,DING Sha1,QIN Ming-qiang2,LIU Kuang-yi2
（1.CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,National Enterprise Technology Center,Wuhan,Hubei 430040,China; 2.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

In the process of ocean engineering construction,considering the rainfall is frequent at engineering field,there isn't enough long time to dry the coral sand,so the coral sand is half dry when used.Studying the performance of half-dry coral sand which under the natural conditions is very useful for mixing coral sand concrete,reducing construction cost and has high research significance and application value.The test results show that the coral sand early water absorption speed is very fast,2 h water absorption rate reached 2.5%,water absorption speed gradually slow down after 10 h,48 h water absorption rate reached 6.4%,water absorption rate has an obvious turning point at 8 h when water absorption rate is 5.3%at 8 h,is 83%of 48 h water absorption rate.Select feature water absorption rate 4%to 6%as additional water consumption,and determine the total water/cement ratio and pure water/cement ratio are reasonable,can reflect the reality of the coral sand concrete pure water/ cement ratio,pre-wetting can significantly improve the coral sand concrete working performance and mechanical properties.

coral sand;water absorption rate;pure water/cement ratio;pre-wetting

U654；TU528.2

A

2095-7874（2017）05-0068-05

10.7640/zggwjs201705015

2016-10-17

2016-12-13

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0701003-4）

陳飛翔（1991—），男，山東臨沂人，碩士，助理工程師，材料工程專業(yè)。E-mail：834178732@qq.com