多孔隙珊瑚生態(tài)混凝土配合比試驗(yàn)研究

張呈強(qiáng)，莊妍，裴堯堯，詹學(xué)啟，楊艷霜

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇南京211189；3.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068；4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

0 引言

隨著海洋開發(fā)以及海洋權(quán)益的爭奪，各種各樣的海洋工程建設(shè)日漸增多［1］，傳統(tǒng)混凝土在海島工程建設(shè)中受到環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題的限制。

珊瑚礁是我國沿海海島地質(zhì)布局的主要結(jié)構(gòu)，是造礁珊瑚群體死亡后的遺骸經(jīng)過破壞、搬運(yùn)、沉積和膠結(jié)作用等形成的一種特殊的巖土體。由于水動(dòng)力的作用，這些骨骼會(huì)自主進(jìn)行分解，形成松散珊瑚碎塊和珊瑚砂。Vines［2］、王以貴［3］、陳兆林［4-5］、盧博［6-7］、李偉峰［8］、王磊［9］等研究表明這些珊瑚碎塊經(jīng)過處理能夠成為新的建筑材料，以珊瑚為骨料的珊瑚混凝土，能夠在島礁上就地取材，不但可以縮短工程的工期，還可以有效的節(jié)約陸地資源和運(yùn)輸成本，對海島工程的建設(shè)開發(fā)具有積極的促進(jìn)作用。

目前，國內(nèi)對于以珊瑚為骨料的珊瑚混凝土研究取得了進(jìn)展。陳兆林［4-5］等，研究表明珊瑚混凝土的凈水灰比與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。粗骨料無論使用珊瑚礁砂還是混合使用珊瑚礁砂和碎石，珊瑚混凝土的強(qiáng)度都隨著水泥用量的增加而增加，并且抗壓強(qiáng)度增長的速率比水泥用量增加的速率慢。盧博［6-7］采用抗硫酸鹽的水泥來拌制珊瑚混凝土可以更好地滿足強(qiáng)度要求。Arumugam［10］、趙艷林［11］、王磊［12］、沈錦林［13］、Wang［14］、Ma［15］等指出珊瑚混凝土的早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展快。

總之，現(xiàn)階段對多孔隙珊瑚混凝土的研究仍然不太完善，在對珊瑚混凝土的研究中主要針對密實(shí)混凝土的應(yīng)用，而對多孔隙珊瑚混凝土的應(yīng)用研究則較少。鑒于此，開展多孔隙珊瑚混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究珊瑚粗細(xì)骨料含量、水灰比、砂含量等因素對多孔隙珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果將為此類生態(tài)護(hù)坡在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

多孔隙珊瑚混凝土是一種具有較大孔隙率、高強(qiáng)度的透水性生態(tài)混凝土，其孔隙率能夠達(dá)到18%以上，主要特點(diǎn)除具有過濾效果性能外還具有植生、改善環(huán)境等效果性能。多孔隙珊瑚混凝土優(yōu)良的排水透水性能、植生性能以及凈化水質(zhì)性能都出自其自身的多孔性，為了保證植生，該生態(tài)混凝土的孔隙率要求在20%以上［16］。

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料：（1）采用南京公司生產(chǎn)的P·O42.5型普通硅酸鹽水泥。

（2）珊瑚粗骨料采用南海出產(chǎn)的具有連續(xù)級配的珊瑚礁，級配情況如圖1所示，主要物理性能指標(biāo)見表1所列。珊瑚礁是一種很特殊的巖土，是珊瑚群體在死亡后所遺留下的骨骼及殘骸所形成的。珊瑚砂是由造礁珊瑚碎屑聚集而成，在碎屑的堆積物中還含有一些海洋生物的碎屑。珊瑚砂的化學(xué)成分主要是碳酸鈣，屬于碳酸巖類砂土或者鈣質(zhì)砂土。珊瑚砂的顆粒形狀大小不規(guī)則，粒徑大小混雜，并且部分粒徑大于5 mm，同時(shí)在堆積物中還含有許多的鹿角狀珊瑚碎屑，其本身棱角度高、磨圓度差，導(dǎo)致珊瑚砂的孔隙比較大。鑒于珊瑚骨料形狀特殊，對于珊瑚顆粒必須進(jìn)行簡單破碎處理，減小長棒狀和鹿角狀珊瑚的長度，將粒徑控制在5～20 mm，如圖2所示。

圖1 珊瑚顆粒級配曲線圖

圖2 珊瑚骨料處理前后

表1 珊瑚礁、珊瑚砂主要物理性能指標(biāo)g·m-3

（3）采用黃河流域出產(chǎn)的河砂。

（4）采用德國BASF巴斯夫MELMENT?F10高效減水劑（磺化三聚氰胺減水劑）。

（5）試驗(yàn)所用淡水為普通自來水。海水參照南海海水指標(biāo)進(jìn)行人工配制，其成分含量見表2所列。

表2 人工海水的化學(xué)組成g·l-1

1.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

參照《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》［17］（JGJ 51-2002）中的松散體積法以及多孔隙透水混凝土配合比設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)珊瑚混凝土各種原材料的配合比。依據(jù)規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》［18］（GB/T 50081-2016），對各混凝土試塊進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)。試塊采用標(biāo)準(zhǔn)大小為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體。

1.2.1 砂含量及種類對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

珊瑚混凝土采用相同的配合比設(shè)計(jì)，細(xì)骨料分別采用河砂和珊瑚砂兩種珊瑚混凝土。在養(yǎng)護(hù)28 d后對其進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。河砂及珊瑚砂配合比設(shè)計(jì)及強(qiáng)度變化見表3和圖3。

表3 珊瑚砂、河砂拌養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度kg·m-3

圖3 砂含量及種類對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

1.2.2珊瑚粗骨料及水灰比對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

通過控制珊瑚粗骨料含量以及水灰比的大小，進(jìn)行配合比試驗(yàn)。在養(yǎng)護(hù)28 d后對其進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)配比及強(qiáng)度結(jié)果見表4、圖4。

表4 珊瑚混凝配土比設(shè)計(jì)及抗壓強(qiáng)度kg·m-3

圖4 珊瑚粗骨料及水灰比對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

1.2.3 水泥含量對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

通過控制水泥含量，來探究水泥含量對多孔隙珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響。在養(yǎng)護(hù)28 d后對其進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)配比及強(qiáng)度結(jié)果見表5、圖5。

表5 珊瑚混凝土配比設(shè)計(jì)及抗壓強(qiáng)度kg·m-3

圖5 水泥含量對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各因素對珊瑚混凝土強(qiáng)度影響分析

2.1.1 砂含量及種類對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響分析

由圖3可以看出，河砂混凝土的強(qiáng)度低于珊瑚砂混凝土。主要由于珊瑚砂內(nèi)部具有充足的孔隙，拌合過程中吸收大量的水分。在養(yǎng)護(hù)過程中水分得到釋放使水化反應(yīng)過程充分完成，從而孔隙減少，密實(shí)性提高。同時(shí)，珊瑚砂在伴和過程中受到各種擠壓作用，結(jié)構(gòu)受力破碎，粒徑減小，密實(shí)度得到提高，進(jìn)一步加強(qiáng)了珊瑚混凝土的強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，可以采用珊瑚砂代替河砂，其強(qiáng)度較河砂混凝土具有一定的提高且孔隙率更優(yōu)于河砂混凝土。多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度與砂含量變化并不相同，在砂含量達(dá)到200 kg/m3時(shí)，多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到其峰值，隨著砂含量的繼續(xù)增加，其強(qiáng)度開始有所下降，主要由于過多的珊瑚砂容易堆積在一起造成孔隙，在混凝土受壓時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)闆]有足夠骨架的支撐而發(fā)生破壞，降低混凝土的強(qiáng)度。

2.1.2 珊瑚粗骨料含量及水灰比對珊瑚混凝土強(qiáng)度影響分析

由圖4可知在相同水灰比條件下，隨著珊瑚粗骨料用量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在粗骨料用量達(dá)到1450 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到各自峰值。粗骨料的結(jié)構(gòu)性是混凝土試塊抗壓的主要受力方面，粗骨料自身強(qiáng)度以及骨料之間的連接力決定著試塊的抗壓性能。當(dāng)骨料自身強(qiáng)度與水灰比一定時(shí)，骨料的連接能力受到粗骨料用量的影響，當(dāng)粗骨料用量過多時(shí)，水泥水化后提供不了足夠的連接力，粗骨料的結(jié)構(gòu)性降低，抗壓能力減弱。

珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。當(dāng)用水量較少水灰比較小時(shí)，砂漿不具備充分的流動(dòng)性，無法形成有效的黏結(jié)會(huì)造成珊瑚骨料黏結(jié)界面強(qiáng)度的降低，從而使珊瑚混凝土的強(qiáng)度有所降低。膠凝材料會(huì)隨著用水量增加而稀釋，對骨料的黏結(jié)作用減弱，使珊瑚混凝土的強(qiáng)度亦有所降低。試驗(yàn)表明當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。

2.1.3 水泥用量對珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響

水泥水化后的粘接力在混凝土結(jié)構(gòu)中起著粘結(jié)骨料的作用，水泥用量對混凝土抗壓性能有著重要的影響。由圖5可以看出水泥用量在200～400 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增加，對于普通混凝土來說，適當(dāng)?shù)乃鄵搅渴蛊浠炷恋膹?qiáng)度會(huì)有所提高，超過一定用量后，強(qiáng)度反而會(huì)有所降低。但多孔隙珊瑚混凝土情況有所不同。根據(jù)圖5，強(qiáng)度隨水泥含量變化可知，當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)，珊瑚混凝土的強(qiáng)度仍在增加。由于多孔隙珊瑚混凝土隨著水泥用量的增加，珊瑚骨料之間的黏結(jié)力得以增加，使得混凝土外表包裹層加厚，強(qiáng)度增大。但同時(shí)阻礙了珊瑚混凝土所必需的孔隙，過多的水泥漿體不僅堵塞了珊瑚骨料之間的縫隙，同時(shí)對珊瑚骨料本身的孔隙也造成了影響，所以必須控制水泥用量，犧牲珊瑚混凝土的部分強(qiáng)度以保證其充足的孔隙率。試驗(yàn)結(jié)果表明水泥用量在200 kg/m3時(shí)珊瑚混凝土普遍能獲得較理想的孔隙率。

2.2 最佳配比確定

由于多孔隙珊瑚混凝土的特殊性，當(dāng)水灰比過小時(shí)，珊瑚骨料自身的吸水性佳將導(dǎo)致膠凝材料吸水不足，從而無法形成水泥漿體，黏結(jié)作用大幅降低導(dǎo)致混凝土無法形成整體，出現(xiàn)松散的現(xiàn)象；當(dāng)水灰比過大時(shí)，膠凝材料遇到過多的水分會(huì)造成其無法形成水泥漿體甚至膠凝材料而流失。本論述通過多個(gè)水灰比試驗(yàn)的對比，得出最佳水灰比為0.35；由于多孔隙珊瑚混凝土其膠凝材料的用量較少，砂漿體主要起到一定黏結(jié)的作用，所以多孔隙珊瑚混凝土的破壞主要表現(xiàn)為珊瑚骨料的破壞。由珊瑚骨料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出珊瑚骨料為1 450 kg/m3時(shí)獲得峰值抗壓強(qiáng)度；砂含量過少造成膠凝材料的不足而無法有效全面的沾附在珊瑚粗骨料的表面，黏結(jié)不牢固，導(dǎo)致珊瑚混凝土出現(xiàn)松散現(xiàn)象且有一部分砂可能會(huì)填充到珊瑚骨料本身的孔隙當(dāng)中，使外部砂含量的進(jìn)一步降低。砂含量過大，會(huì)導(dǎo)致膠凝材料過多，從而造成多孔隙珊瑚混凝土孔隙率下降，達(dá)不到多孔隙珊瑚混凝土對孔隙率的要求。通過研究不同砂含量的混凝土抗壓強(qiáng)度，得出了最佳砂含量為200 kg/m3時(shí)可獲得較大孔隙率。

3 結(jié)論

通過對多孔隙珊瑚生態(tài)混凝土配合比試驗(yàn)研究和分析，可以獲得下列結(jié)論：多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，隨著水泥用量的增大而增大?；谏汉骰炷量箟簭?qiáng)度又保證孔隙率的條件下，多孔隙珊瑚生態(tài)混凝土的最佳配比為：珊瑚骨料用量1450 kg/m3、砂用量200 kg/m3、水灰比0.35。