珊瑚礁砂細骨料基本性能研究

紫 民,劉曠怡,劉 松,秦明強

(1.海軍91058部隊,三亞 572000;2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司,武漢 430040)

珊瑚礁砂細骨料基本性能研究

紫 民1,劉曠怡2,劉 松2,秦明強2

(1.海軍91058部隊,三亞 572000;2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司,武漢 430040)

對比分析了珊瑚礁砂細骨料與天然河砂、機制砂之間性能差異,并采用微觀測試方法分析了珊瑚礁砂的化學成分與微觀形貌。結果表明,珊瑚礁砂細骨料具有細度模數小、輕質、多孔與吸水率高等特點;其主要巖相為方解石,主要化學成分為碳酸鈣;其表面粗糙,布滿孔隙,具有多層狀結構與籠狀結構。采用珊瑚礁砂配制混凝土較天然河砂混凝土需提高單方用水量與外加劑摻量,適當降低容重。

珊瑚礁砂; 微觀形貌; 細骨料; 配合比設計

我國遠海島礁遠離大陸,建筑材料和淡水資源缺乏,若采用天然砂石作為骨料配制混凝土用于島礁建設,海上運輸任務艱巨且運輸成本高,在一定程度上制約我國對遠海的大規模建設和資源開發。遠海島礁上具有豐富珊瑚礁砂資源,利用珊瑚礁砂作為細骨料,配制素混凝土結構,如護岸、防波堤等,不僅可以擺脫遠距離海上運輸的制約,而且能夠大幅度節省工程造價[1]。

珊瑚礁砂為珊瑚蟲死后的產物,在水動力的沖刷作用下分解,推擠形成礁坪相或是湖相堆積物,這些松散堆積物即為珊瑚碎塊和珊瑚礁砂,其中混雜有珊瑚藻和其他海洋生物的骨骼碎屑[2]。利用珊瑚礁砂替代細集料配制混凝土,國內外開展了一定的研究。美國土木工程標準規定如在缺乏常規骨料,工程建設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混凝土的建筑物;國內對利用珊瑚、珊瑚礁砂配制混凝土的研究不多,基本上處于實驗室研究階段,尚無工程案例方面的文獻報道。

研究將對比分析珊瑚礁砂細骨料與常用的天然河砂、機制砂之間的差異,并進行珊瑚礁砂細骨料化學成分及形貌分析;通過配制混凝土對比分析,珊瑚礁砂細骨料與天然河砂骨料在混凝土工作性能、力學性能等方面的差異。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

試驗所用珊瑚礁砂來自某島礁,機制砂為寧波某石料有限公司生產,河砂為武漢天然河砂。

1.2 試驗方法

巖相分析采用偏光顯微鏡,分析其主要礦物。元素分析采用X射線熒光光譜分析確定珊瑚礁砂所含元素的種類和含量;利用熱重與差熱分析對珊瑚礁砂加熱過程中發生的相變、脫水、分解或化合過程進行分析;通過掃描電鏡對珊瑚礁砂的微觀形貌進行觀察,分析珊瑚礁砂表面的形貌特點。

2 試驗結果與討論

2.1 基本性能

按照《建設用砂》(GB/T 14684—2011)規定的試驗方法對珊瑚礁砂、機制砂與河砂的基本性能參數進行測試,試驗結果見表1、級配曲線見圖1。

該工程主要產出各類農產品，考慮到科學技術的進步，農作物品種和灌水技術的不斷改進，產量會不斷提高，工程計算期內預測的產量可能偏小，因此按效益增加10%分析對評價指標的影響程度。另外，考慮到農作物產量受氣候、病蟲害防治措施和來水量的影響，效益會明顯降低，所以按效益減少10%分析指標變化。

表1 珊瑚礁砂、河砂和機制砂的物理性能對比

由圖1可知,珊瑚礁砂偏細,位于3區。由表1可知,試驗用珊瑚礁砂細度模數較小、屬細砂;表觀密度與堆積密度均小于河砂與機制砂,由珊瑚礁砂多孔造成;空隙率和吸水率大于河砂與機制砂,氯離子含量也明顯高于河砂與機制砂。以上指標的差異會一定程度影響混凝土性能。

將珊瑚礁砂進行磨片,在單偏光鏡下觀察巖相的顏色、多色性、晶體的形態、晶體的完成程度,生長方向以及解理,同時在正交偏光鏡下觀察干涉色,消光類型,消光角度、延性、雙晶,根據不同的晶體形態、消光的規律和延性確定巖相的種類。巖相分析的結果見表2。

表2 珊瑚礁砂、機制砂和河砂巖相分析

從表2可看出,珊瑚礁砂、機制砂和河砂主要礦物存在較大差異。珊瑚礁砂主要為方解石,含量90%以上;機制砂則與母巖巖性一致,研究的機制砂主要為硅質灰巖;河砂主要為石英。

2.2 化學成分及形貌分析

2.2.1 元素分析

采用X射線熒光光譜分析(XRF)對珊瑚礁砂元素組成及含量進行分析,結果見表3。珊瑚礁砂中CaO與CO2含量較高,分別達到了47.675%與44.779%,初步分析珊瑚礁砂的主要成分為鈣鹽,碳酸鈣的可能性較高,結合之后X射線衍射圖譜與巖相分析可確定珊瑚礁砂的主要礦物組成以及晶體類型。

表3 珊瑚礁砂元素分析結果w/%

為確定珊瑚礁砂內部的分子結構,對珊瑚礁砂進行X射線衍射(XRD)圖譜分析。圖2中所示為珊瑚礁砂的XRD圖譜,衍射峰最顯著的兩種晶相是(Ca,Mg)CO3和CaCO3,分別為白云石與方解石的主要晶相。白云石和方解石是典型的異質同晶現象,CaCO3晶體結構上的Ca2+離子被性質相近的Mg2+離子替換,共同結晶成單相晶體,而沒有改變晶體的結構和鍵性。結合元素分析可知,Mg O含量為2.47%,可知珊瑚礁砂中大部分為方解石,存在少量白云石,這與巖相分析結果一致。比白云石和方解石的峰稍弱的是NaCl晶體的衍射峰,這是因為珊瑚礁石長期浸泡在海水中,海水中的鹽分浸入到珊瑚礁砂中。

2.2.3 熱重與差熱

珊瑚礁砂熱重與差熱分析結果如圖3所示,在0～1 000℃范圍內可明顯看到碳酸鹽分解的吸熱收峰和質量變化,其他溫度未見明顯波動,這與前面成分的分析結果一致。

2.2.4 珊瑚礁砂表面形貌

掃描電子顯微鏡(SEM)測試珊瑚礁砂表面形貌觀察所得如圖4所示,由圖中可以看到珊瑚礁砂的表面粗糙,布滿孔隙,存在很多層狀結構與籠狀結構。珊瑚礁砂的這種微觀形貌特點導致其具有較大的比表面積,使用珊瑚礁砂配制混凝土會比天然河砂的需水量要大。另一方面,表面粗糙同時也會造成珊瑚礁砂顆粒之間摩擦力較大,填充能力降低,在級配接近的情況下,孔隙率會大于顆粒光圓的河砂。

2.3 混凝土性能對比分析

通過上述測試可知珊瑚礁砂主要以方解石為主,碳酸鈣含量達到95%以上,具有輕質、空隙率大、吸水性強等特點,因此,采用珊瑚礁砂作為細骨料配制混凝土與河砂具有較大的差異。采用河砂和珊瑚礁砂配制C30強度等級的混凝土,比較珊瑚礁砂混凝土和河砂混凝土工作性和力學性能的差別。配合比見表4,珊瑚礁砂與河砂混凝土性能對比見表5。

表4 C30混凝土配合比

表5 珊瑚礁砂與河砂混凝土性能對比

2.3.1 工作性能

為了使珊瑚礁砂混凝土具有較好的工作性能,單方用水量達到了218 kg/m3、外加劑摻量高達膠凝材料用量的2%,在該用水量情況下河砂混凝土不需要摻入外加劑坍落度即可達到180 mm以上。

珊瑚礁砂具有較多的孔隙、吸附性強,亞甲藍值測試結果達到了1.2;同時,珊瑚礁砂具有表面粗糙、多棱角的特點,使得顆粒間相互咬合、流動阻力增大,相較于顆粒圓滑的河砂,工作性能會有明顯的降低。因此,為保證珊瑚礁砂混凝土的工作性能要求,配制珊瑚礁砂混凝土時應提高單方用水量,外加劑摻量也應考慮珊瑚礁砂的吸附作用。為使珊瑚礁砂混凝土獲得較好的流動性,可適當提高膠材用量和使用一定量的礦物摻合料,同時也改善了混凝土的泌水性和粘聚性[3]。

同時,由于珊瑚礁砂輕質的特點,拌制混凝土的容重會明顯小于河砂混凝土,對于重力式混凝土結構,需要考慮結構物的尺寸。

2.3.2 抗壓強度

抗壓強度試驗結果表明,珊瑚礁砂混凝土的抗壓強度與天然河砂混凝土無明顯差異。珊瑚礁砂混凝土的抗壓強度主要受以下幾個方面的共同影響,與普通混凝土相比更為復雜:首先,在珊瑚混凝土硬化之前,由于珊瑚礁砂顆粒表面凹凸不平的特點,水泥漿體會進入珊瑚骨料表面地勢較低的部分,填補珊瑚礁砂表面的空洞,以至于強化了珊瑚骨料與水泥漿體的界面嚙合作用,使得珊瑚骨料-水泥漿體的界面黏結力較普通骨料-水泥漿體的界面黏結力大。其次,珊瑚骨料由于其多孔結構具有吸水和供水作用—吸水作用使珊瑚骨料附近處于局部低水灰比的狀態,供水作用使珊瑚骨料附近的水泥在后期能充分水化,進一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密實度。再次,由于珊瑚礁砂中存在較高含量的氯離子,氯離子作為一種早強劑會對珊瑚礁砂混凝土強度的發展造成影響[4]。最后,珊瑚礁砂本身的低強度,可能會使珊瑚礁砂混凝土的強度降低。

3 結 論

a.珊瑚礁砂細骨料具有細度模數小、輕質、多孔與吸水率高等特點;其主要巖相為方解石,主要化學成分為碳酸鈣;其表面粗糙,布滿孔隙,具有多層狀結構與籠狀結構。

b.采用珊瑚礁砂配制混凝土較河砂混凝土需提高單方用水量與外加劑摻量,適當降低容重。

[1] 孫宗勛.南沙群島珊瑚礁砂工程性質研究[J].熱帶海洋,2000,19(2):1-4.

[2] 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[J].工程力學,2015,32:221-224.

[3] 張 偉,劉 丹,徐世君.利用海砂海水生產混凝土-海洋島礁混凝土發展的新方向.商品混凝土,2015(1):4-7.

[4] 張栓柱.珊瑚混凝土的疲勞特性及微觀機理研究[D].廣西大學,2012.

Study on the Basic Properties of Coral Sand Used as Fine Aggregate

ZI Min1,LIU Kuang-yi2,LIU Song2,QIN Ming-qiang2
(1.Navy 91058 Force,Sanya 572000,China;2.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.Ltd,Wuhan 430040,China)

The differences in performance between the coral reef sand,mechanism sand and natural sand were studied,and microscopic test methods were used to investigate the chemical composition and microstructure of different sands.The results showed that,the fineness module of the coral reef sand was small,and it was light and porous.The water absorption was high.The main lithofacies of the coral reef sand was calcite carbonatite,and the main composition was calcium carbonate.The surface of the coral reef sand was rough and existed a lot of pores.The water consumption and the dosage of additive of the coral reef sand concrete were higher,and density was lower than that of natural sand.

coral reef sand; microstructures; fine aggregate; mix design

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.003

2015-06-14.

紫 民(1975-),碩士,高級工程師.E-mail:dzqinmq@tom.com