珊瑚砂大體積混凝土的配制及應(yīng)用研究

余以明 ，劉松 ，吳柯 ，徐文冰 ，高凡

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430040）

海洋工程拌制混凝土所需的原材料匱乏，混凝土原材料均從內(nèi)陸海運(yùn)至工程所在地，不僅運(yùn)輸成本高、耗工、耗時，而且影響工程的快速建設(shè)[1]。鑒于此，本著就近取材的原則，選用工程所在地的珊瑚砂來代替全部的河砂拌制混凝土[2-3]。一方面，可節(jié)約工程成本，節(jié)約資源，綠色環(huán)保[4]；另一方面，為后期大規(guī)模推廣珊瑚砂混凝土的應(yīng)用積累經(jīng)驗、提供借鑒。因此，珊瑚砂混凝土的應(yīng)用具有較好的時效性及經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：華潤紅水河 P·O.42.5 水泥，密度 3.10 g/cm3，初、終凝時間分別為161、335 min，比表面積341 m2/kg，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為7.8、47.3 MPa。

（2）粉煤灰：Ⅱ級，欽州港永佳環(huán)保有限公司。

（3）GHPC耐蝕劑：山西呂梁廣廈特種建材有限公司，作為膠凝材料使用，密度29 g/cm3、初、終凝時間分別為45、356 min，水中7 d、28 d限制膨脹率分別為0.025%、0.07%。

（4）粗集料：5～20 mm連續(xù)級配碎石。

（5）外加劑：四川路加VF-2聚羧酸高性能減水劑，減水率20%，含固量11%。

（6）拌合水：淡化海水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

（7）細(xì)集料：0～4.75 mm珊瑚砂、0～4.75 mm廣西北海河砂。珊瑚砂的基本物理性能指標(biāo)見表1，篩分結(jié)果見表2。

表1 珊瑚砂的基本物理性能

表2 珊瑚砂級配及細(xì)度模數(shù)

從表2可以看出，珊瑚砂細(xì)度模數(shù)為2.10，顆粒較細(xì)，屬于細(xì)砂的范疇，級配曲線大多數(shù)不在GB/T 14684—2011規(guī)定的范圍內(nèi)，級配不良。篩分后觀察各級珊瑚砂的形貌，其中4.75 mm級珊瑚砂為多孔、形狀不規(guī)則的珊瑚碎體，0.3～2.36 mm級珊瑚砂多為扁平的貝殼碎屑，0.075～0.15 mm級珊瑚砂細(xì)顆粒較多，為粉狀物[5]。

1.2 配合比及試驗方法

（1）珊瑚砂大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計強(qiáng)度為C30，其配合比按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的設(shè)計原則及GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的要求，確定水膠比≤0.55、砂率為38%～42%、坍落度控制在140～160 mm、摻15%的Ⅱ級粉煤灰。大體積混凝土的拌制原則：選用粒型、級配良好的粗細(xì)骨料，降低混凝土漿體率；使用性能優(yōu)良的高效減水劑，降低拌和水用量，降低膠凝材料用量。

由于珊瑚砂的形狀不規(guī)則，多孔、扁平、粉狀的顆粒較多，吸水率較大，能吸附大量的水及部分外加劑導(dǎo)致用水量增加，不利于大體積混凝土的配制，故確定外加劑用量占膠凝材料總量的1.5%以上；為提高該大體積混凝土的耐久性，按設(shè)計要求摻入一定量的耐蝕劑。在前期試驗時提出了基準(zhǔn)配合比（0#配比），在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上開展不同砂率、水膠比、外加劑用量、耐蝕劑用量的試驗來優(yōu)化珊瑚砂混凝土配合比，試驗配合比見表3。

（2）珊瑚砂混凝土的拌合性能及基本物理力學(xué)性能按JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行測試。

表3 珊瑚砂大體積混凝土的試驗配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

按 m（水泥）∶m（河砂）∶m（粗集料）∶m（淡化海水）∶m（減水劑）=420∶724∶1090∶160∶6.3制備普通混凝土，與 0#配比珊瑚砂混凝土進(jìn)行對比，研究2種混凝土強(qiáng)度隨齡期的變化，結(jié)果見表4。

表4 珊瑚砂混凝土與普通混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

由表4可見，珊瑚砂混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的延長而不斷提高，但珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度的增長速率逐漸降低，養(yǎng)護(hù)7 d以后其強(qiáng)度增長緩慢[6]，7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)其28 d抗壓強(qiáng)度的83.6%，普通混凝土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)其28 d抗壓強(qiáng)度的75.4%。珊瑚砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均低于普通混凝土。

2.2 耐蝕劑摻量對珊瑚砂混凝土性能的影響

經(jīng)過多次試拌發(fā)現(xiàn)，耐蝕劑吸水率較大，摻入耐蝕劑后若不提高減水劑用量，則需要摻入大量的拌合用水，用水量過高不僅降低珊瑚砂混凝土的強(qiáng)度，還會增加大體積混凝土的開裂風(fēng)險。耐蝕劑摻量對珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表5。

表5 耐蝕劑摻量對珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可知，摻入一定量的耐蝕劑以后，珊瑚砂混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度顯著提高，但當(dāng)耐蝕劑的摻量超過5%后，強(qiáng)度增長明顯減緩；當(dāng)耐蝕劑摻量達(dá)到膠凝材料總量的10%時，不改變其它材料用量則減水劑用量需提高到3%，這樣拌制出來的混凝土不僅黏度過大、易泌水且極不經(jīng)濟(jì)。因此，珊瑚砂混凝土中耐蝕劑的摻量確定為5%。

2.3 砂率對珊瑚砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響

在其它材料用量不變的情況下，改變珊瑚砂混凝土的用砂量及用水量，研究砂率對珊瑚砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表6。

表6 砂率對珊瑚砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可知，當(dāng)珊瑚砂混凝土中砂率低于35%時，其漿體量較少，混凝土的包裹性較差，試拌混凝土?xí)r出現(xiàn)了離析泌水現(xiàn)象；增大砂率，混凝土的工作性變好，但其強(qiáng)度有所降低，原因在于珊瑚砂本身吸水量較大，砂率增大時其用水量增大，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)砂率為38%時，漿體量適中，混凝土的包裹性好，滿足大體積混凝土的拌制原則。

2.4 水膠比對珊瑚砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響（見表7）

表7 水膠比對珊瑚砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可見，隨著水膠比增大，混凝土的坍落度變大，工作性變好，但其抗壓強(qiáng)度有所下降。水膠比為0.50時，不僅滿足皮帶機(jī)澆筑的施工要求，用水量和抗壓強(qiáng)度適中，滿足大體積混凝土的拌制要求。

通過上述試驗，選用0.50水膠比、38%砂率、減水劑摻量2%、摻5%耐蝕劑及15%粉煤灰的優(yōu)化配合比（見表8），按此配比配制的珊瑚砂混凝土工作性能優(yōu)良，坍落度為150 mm；力學(xué)性能較好，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)48.3MPa；抗離子滲透性較好，28 d電通量為987 C，滿足海工大體積混凝土的施工要求。

表8 珊瑚砂大體積混凝土的優(yōu)化配合比 kg/m3

3 試驗段應(yīng)用情況

采用皮帶機(jī)工藝澆筑珊瑚砂大體積混凝土結(jié)構(gòu)試驗段，澆筑時珊瑚砂混凝土的坍落度控制在（140±20）mm，現(xiàn)場施工性能良好，無泌水離析現(xiàn)象，勻質(zhì)性良好。試驗段脫模后外觀質(zhì)量良好，無砂線、蜂窩和麻面。拆模后，采用土工布覆蓋，定期灑水養(yǎng)護(hù)，3個多月后觀察該珊瑚砂大體積混凝土結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋，表明其體積穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

（1）珊瑚砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長而不斷提高，但其增長速率逐漸降低，早期強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長緩慢，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)其28 d抗壓強(qiáng)度的83.6%。

（2）耐蝕劑的吸水率較大，摻入耐蝕劑后若不提高減水劑摻量，則需摻入大量的拌合用水，提高外加劑摻量后，摻一定量耐蝕劑，珊瑚砂混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高，但當(dāng)耐蝕劑摻量超5%時，抗壓強(qiáng)度增長明顯減緩，故耐蝕劑的最佳摻量為5%。

（3）珊瑚砂混凝土砂率低于35%時其工作性不良，增大砂率后混凝土工作性變好，但其強(qiáng)度有所降低，砂率為38%時，漿體量適中，混凝土的包裹性好，滿足大體積混凝土的拌制要求。

（4）隨著水膠比增大，珊瑚砂混凝土的流動性增加，工作性較好，但其抗壓強(qiáng)度會有所下降。選用0.50的水膠比不僅滿足皮帶機(jī)澆筑的施工要求，而且用水量和抗壓強(qiáng)度適中，滿足大體積混凝土的拌制要求。

（5）通過配合比的優(yōu)化設(shè)計，選用0.5的水膠比、38%的砂率、減水劑摻量2%、摻5%耐蝕劑及15%粉煤灰配制的珊瑚砂混凝土的工作性能優(yōu)良，坍落度為150 mm；力學(xué)性能較好，28 d抗壓強(qiáng)度為48.3 MPa；抗離子滲透性較好，28 d電通量為987 C，可滿足海工大體積混凝土的施工要求。

[1] 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(bǔ)與應(yīng)用研究[J].海岸工程，2008，27（4）：60-69.

[2] 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，2006（7）：16-21.

[3] 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.

[4] 李刊.碎卵石配制高性能混凝土試驗研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[5] 紫民，劉曠怡，劉松，等.珊瑚礁砂細(xì)骨料基本性能研究[J].建材世界，2015，36（5）：11-14.

[6] 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）：99-101.