海水拌制珊瑚礁砂混凝土制備及基本力學(xué)性能

鮑文博， 張昊斌， 呂晨曦， 趙洪濤， 曹海嬌， 魏英華， 李 京

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所， 沈陽(yáng) 110016)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)、恢復(fù)海洋資源為目的海洋工程建設(shè)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì).海洋通常處于重腐蝕環(huán)境，對(duì)工程材料要求比較嚴(yán)苛，由于混凝土不僅具有較好的力學(xué)性能，而且還具有較好的耐腐蝕性和耐久性，是海洋工程首選的基礎(chǔ)材料.但是，對(duì)于海洋工程，特別是遠(yuǎn)海工程，混凝土原材料如果依靠陸地提供則遠(yuǎn)航運(yùn)輸成本較高，在一定程度上影響了海洋工程的發(fā)展.為此不少學(xué)者提出就地取材，利用海洋當(dāng)?shù)刭Y源制備混凝土，其中以珊瑚礁砂替代天然砂制備珊瑚礁砂混凝土成為重要的研究?jī)?nèi)容之一.

早在上個(gè)世紀(jì)，美國(guó)就在二戰(zhàn)期間在西太平洋的島嶼工程上使用了珊瑚混凝土，并出版了土木工程標(biāo)準(zhǔn)《Unified facilities criteria：tropical engineering》[1].1991年，美國(guó)學(xué)者Rick[2]提出“珊瑚混凝土的強(qiáng)度能夠滿足工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求”的設(shè)想；1996年，印度學(xué)者 Arumugam等[3]用試驗(yàn)證明了“珊瑚混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢”的結(jié)論；19世紀(jì)80年代，王以貴[4]開(kāi)始利用礦渣水泥與珊瑚礁骨料制備混凝土；21世紀(jì)以來(lái)，劉存鵬等[5-6]研究了向珊瑚混凝土摻加劍麻纖維后的相關(guān)性能；麻海燕等[7-10]通過(guò)實(shí)地調(diào)研，對(duì)珊瑚混凝土力學(xué)性能與耐久性進(jìn)行了研究，分析了其在實(shí)際工程中的可行性.目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)珊瑚礁砂混凝土制備及其基本力學(xué)性能的研究還不夠充分，開(kāi)展相關(guān)研究對(duì)于推進(jìn)海洋工程的發(fā)展具有重要意義.

珊瑚礁是一種遠(yuǎn)海海洋非常豐富的資源，這些珊瑚礁為開(kāi)發(fā)海洋建設(shè)提供了一種新型的建筑材料——珊瑚骨料[11-14].如果珊瑚礁砂能夠取代天然砂制備出滿足工程要求的混凝土，則可以節(jié)約大量的成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義.本文基于混凝土制備原理，開(kāi)展了海水拌和珊瑚礁砂混凝土的制備及基本力學(xué)性能的研究，除以珊瑚礁砂取代天然砂外，還采用海水替代淡水，進(jìn)一步加大當(dāng)?shù)刭Y源的利用比例，為珊瑚礁砂混凝土的工程應(yīng)用提供了有益參考.

1 珊瑚砂混凝土的制備

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)選用的水泥為山水工源牌PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料為遼寧撫順出產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20 mm；細(xì)骨料采用遠(yuǎn)海某區(qū)域珊瑚砂，大部分為珊瑚碎屑，少部分為貝殼碎屑，細(xì)度模數(shù)為2.44，屬于中砂，其堆積密度為1 115 kg/m3，表觀密度為2 500 kg/m3；粉煤灰為沈西熱電廠生產(chǎn)的表觀密度為2 200 kg/m3的I級(jí)粉煤灰；減水劑為遼寧省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的LJ612型聚羧酸高效減水劑；海水為人工拌制海水，成分如表1所示.

表1 海水化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of sea water g

1.2 配合比設(shè)計(jì)

通過(guò)試配確定了各材料組分配比的基本范圍，在此基礎(chǔ)上采用三因素三水平正交試驗(yàn)，以混凝土工作性能為約束、抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)對(duì)珊瑚礁砂混凝土最佳配合比進(jìn)行試驗(yàn).正交試驗(yàn)選用的三因素三水平[15]如表2所示，正交試驗(yàn)得到的珊瑚礁砂混凝土配合比如表3所示.

表2 正交試驗(yàn)Tab.2 Orthogonal tests

表3 珊瑚礁砂混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of coral reef sand concrete kg

1.3 材料的制備

試件制備過(guò)程中，在準(zhǔn)備階段，需要將珊瑚砂測(cè)出吸水率晾干稱(chēng)重；攪拌過(guò)程中，需要先加入一部分預(yù)濕水，防止攪拌過(guò)程中攪拌機(jī)內(nèi)壁吸水影響水膠比；之后依次放入水泥、砂子，使其攪拌均勻，最后放入石子，使各材料均勻分布，不出現(xiàn)攪拌不均勻的現(xiàn)象；攪拌完畢，放入標(biāo)準(zhǔn)模具之中，使用振搗臺(tái)進(jìn)行外部振搗，嚴(yán)格把控時(shí)間，防止出現(xiàn)過(guò)振現(xiàn)象(模具涂油是方便拆模).振搗完畢后在20 ℃的室內(nèi)環(huán)境下靜置一天后進(jìn)行拆模.把拆模后的試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度20±2 ℃，濕度為95%.養(yǎng)護(hù)到一定齡期后拿出進(jìn)行試驗(yàn).

2 試驗(yàn)方案

基于正交優(yōu)化獲得的最優(yōu)配合比，分別開(kāi)展了珊瑚礁砂混凝土的立方體抗壓、劈裂抗拉、抗折、軸心抗壓、彈性模量試驗(yàn)，并分別討論了劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓和抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，為珊瑚礁砂混凝土的工程應(yīng)用提供依據(jù).試驗(yàn)方案如表4所示.

為了了解珊瑚礁砂混凝土的特性，試驗(yàn)選用了普通混凝土作為試驗(yàn)對(duì)比材料，以符號(hào)SH和PT分別表示珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土.同時(shí)，為了反映混凝土強(qiáng)度發(fā)展?fàn)顟B(tài)，分別研究了3、7、28和90 d等不同齡期下的力學(xué)指標(biāo).

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 立方體抗壓試驗(yàn)

立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土試件最重要的基本力學(xué)性能之一，也是珊瑚礁砂混凝土能否在實(shí)際工程中應(yīng)用的最基本指標(biāo).

表4 試驗(yàn)方案Tab.4 Test programs

表5 SH與PT立方體抗壓數(shù)據(jù)Tab.5 Compression data of SH and PT cubes MPa

圖1 立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.1 Comparison of cubic compressive strength

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，珊瑚礁砂混凝土各個(gè)不同齡期的立方體抗壓強(qiáng)度均高于同齡期普通混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，原因主要有兩個(gè)：一是珊瑚礁砂混凝土采用的是最優(yōu)配合比，各方面性能得到進(jìn)一步優(yōu)化；二是珊瑚礁砂混凝土屬于輕骨料混凝土，水泥的用量高于普通混凝土.

另一方面，試驗(yàn)表明珊瑚礁砂混凝土的早期強(qiáng)度顯著高于普通混凝土.由于珊瑚礁砂表面粗糙，棱角較多，增加其與水泥漿之間結(jié)合作用，相互之間產(chǎn)生咬合，而且海水中含有一些無(wú)機(jī)鹽，例如氯鹽、硫酸鹽等，它們能促進(jìn)水泥早期水化[17]，有助于前期立方體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)，使其前期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，明顯快于普通混凝土，珊瑚礁砂混凝土抗壓強(qiáng)度在齡期7 d時(shí)就可達(dá)到28 d的80%.在7～28 d的時(shí)間內(nèi)，珊瑚礁砂混凝土增長(zhǎng)速度開(kāi)始減慢，與普通混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度差距開(kāi)始縮小，28 d之后由于珊瑚礁砂混凝土采用水泥較多，充分水化后拉大了與普通混凝土抗壓強(qiáng)度的差距.

3.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

3.2.1 劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度是確定一種混凝土其抗裂程度與受拉力學(xué)性能的重要參數(shù)，是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo).對(duì)于普通混凝土而言，混凝土的抗拉強(qiáng)度取決于基材的強(qiáng)度以及基材與骨料的界面強(qiáng)度.SH內(nèi)部破壞面如圖2所示.

圖2 SH破壞后內(nèi)表面Fig.2 Internal surface after SH failure

表6 SH與PT劈裂抗拉數(shù)據(jù)Tab.6 Splitting tensile data of SH and PT specimens MPa

不同齡期珊瑚礁砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均明顯高于普通混凝土，抗拉性能明顯優(yōu)于普通混凝土.混凝土是脆性材料，珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相對(duì)比，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，更加利于珊瑚礁砂混凝土在工程中的應(yīng)用.珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與立方體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，珊瑚礁砂混凝土前期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快.

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Comparison of splitting tensile strength

3.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

分別將珊瑚礁砂混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到珊瑚礁砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Ft與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的關(guān)系式為

Ft(d)=0.007 2f2cu(d)-0.035 3fcu(d)+

0.119 4

(1)

式中，d為齡期.回歸方程(1)的決定系數(shù)為0.913 1，說(shuō)明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度較好.

3.3 抗折試驗(yàn)

3.3.1 抗折強(qiáng)度

圖4 抗折試驗(yàn)Fig.4 Flexural test

表7 SH與PT抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 Flexural test data of SH and PT specimens MPa

圖5 抗折強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of flexural strength

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)與立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，珊瑚礁砂混凝土前期強(qiáng)度增長(zhǎng)均快于普通混凝土，因此，前期強(qiáng)度差距比較大，7 d之后珊瑚礁砂混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，二者強(qiáng)度增長(zhǎng)速度差距變小.后期由于珊瑚礁砂混凝土水泥用量大于普通混凝土，水泥充分水化后，再次拉大與普通混凝土強(qiáng)度之間的差距.

3.3.2 折壓比

折壓比即是混凝土的抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值，是表達(dá)混凝土抵抗彎拉性能的重要指標(biāo).珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土不同齡期折壓比的試驗(yàn)結(jié)果如表8所示.

表8 SH與PT折壓比測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.8 Test data of flexural strength to cubic compressive

通過(guò)計(jì)算3、7、28和90 d折壓比數(shù)據(jù)得知，珊瑚礁砂混凝土平均折壓比為0.072，普通混凝土為0.064，珊瑚礁砂混凝土的折壓比高于普通混凝土，較普通混凝土高了12.5%.說(shuō)明珊瑚礁砂混凝土的抗裂性能并不低于普通混凝土，可以滿足其在實(shí)際工程中的應(yīng)用.

3.4 軸心抗壓試驗(yàn)

3.4.1 軸心抗壓強(qiáng)度

混凝土軸心抗壓試驗(yàn)與立方體抗壓試驗(yàn)相比，更能接近構(gòu)件受壓的實(shí)際力學(xué)性能，更加符合工程實(shí)際.試驗(yàn)結(jié)果如表9所示.

所得軸心抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的離散性滿足試驗(yàn)要求，軸壓比在0.9上下波動(dòng)，反映珊瑚礁砂混凝土比普通混凝土軸壓比高，具有比普通混凝土更好的延性，可以滿足在實(shí)際工程的需要.

表9 軸心抗壓立方體抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.9 Test data of axial and cubic compression

3.4.2 軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度均是混凝土抗壓性能的表現(xiàn)，但前者套箍效應(yīng)較大，無(wú)論是普通混凝土還是珊瑚礁砂混凝土，其立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu與軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)cp都是呈線性關(guān)系的，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

fcp=0.911fcu

(2)

擬合公式的決定系數(shù)為0.99，較為準(zhǔn)確地反映了fcp、fcu之間的關(guān)系，結(jié)果與文獻(xiàn)[18]一致.

3.5 彈性模量

混凝土彈性模量是評(píng)價(jià)混凝土剛度和耐久性的重要參數(shù)，也是衡量能否應(yīng)用于實(shí)際工程的指標(biāo)之一.強(qiáng)度為C30的珊瑚礁砂混凝土彈性模量的測(cè)試平均值為36.2 GPa，較普通混凝土彈性模量高了接近20%.

一般而言，混凝土的骨料是對(duì)彈性模量影響最大的因素，包括骨料的表面特征、骨料的形狀以及骨料的剛度，其中骨料的剛度是造成混凝土彈性模量影響最大的因素之一.通常珊瑚全骨料混凝土彈性模量約為25 MPa[19]，本文研制的珊瑚礁砂混凝土的彈性模量較之高了近45%，主要是因?yàn)椴捎昧藦?qiáng)度較高的碎石骨料所致.

上述試驗(yàn)表明，不同齡期珊瑚礁砂混凝土的基本力學(xué)性能均高于相應(yīng)齡期的普通混凝土，雖然水泥用量略高一些，但從海洋工程角度綜合考慮仍具有一定優(yōu)勢(shì).同時(shí)應(yīng)注意，珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相比，早期各力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)均較快，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)注重珊瑚礁砂混凝土的前期養(yǎng)護(hù).

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1) 不同齡期海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本強(qiáng)度均高于相應(yīng)齡期普通混凝土的強(qiáng)度，表明海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本力學(xué)性能可以滿足一般混凝土工程的要求.

2) 珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相比，早期各力學(xué)強(qiáng)度均發(fā)展較快，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)采取措施，保證珊瑚礁砂混凝土的前期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量.

3) 基于試驗(yàn)研究提出的劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系和軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系，其回歸擬合公式的決定系數(shù)均較大，可用于該研究范圍的相應(yīng)設(shè)計(jì).

4) 海水拌制珊瑚礁砂混凝土，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)海環(huán)境下混凝土工程中的水資源和細(xì)骨料資源的就地取材，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益.