海水拌養珊瑚骨料混凝土配合比試驗研究

孫　瀟, 韋灼彬, 高　屹

(海軍工程大學勤務學院， 天津 300450)

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海水拌養珊瑚骨料混凝土配合比試驗研究

孫瀟, 韋灼彬, 高屹

(海軍工程大學勤務學院， 天津 300450)

【摘要】文章介紹了按照正交試驗方法，針對四因素三水平，進行珊瑚骨料混凝土配合比試驗，分析了水泥用量、骨料用量、體積砂率、凈用水量以及齡期對混凝土強度的影響，在試驗的基礎上推薦了C40強度等級珊瑚混凝土的配合比。

【關鍵詞】正交試驗；海水拌養；珊瑚骨料混凝土；配合比

珊瑚礁是由造礁珊瑚群體死后遺骸經過破壞、搬運、沉積以及膠結等作用而形成的特殊巖土體。在島礁工程建設中開挖礁盤、開劈港池和疏浚航道所得珊瑚礁石，經錘式或顎式破碎機破碎后可形成珊瑚碎屑，粒徑較小者為珊瑚碎砂，較大者為珊瑚碎石。用珊瑚碎屑做骨料配制珊瑚混凝土，較之近幾年國內學者以海水沖刷至岸邊的樹狀或鹿角狀珊瑚塊做骨料配制珊瑚混凝土的研究[1-3]更具實用意義，樹狀或鹿角狀珊瑚塊無法大量獲取且往往強度較低。在文獻[4]研究原材料對珊瑚砂混凝土抗壓強度影響的基礎上，本文以珊瑚碎石作粗骨料、珊瑚碎砂與天然珊瑚砂搭配作細骨料，利用抗硫酸鹽水泥配制海水拌養珊瑚骨料混凝土。采用正交試驗方法，分析水泥、粗骨料、體積砂率、凈用水量等對珊瑚骨料混凝土強度的影響，以獲得性能較好的海水拌養珊瑚混凝土優化配合比。

1參數的選擇及試驗設計

1.1試驗材料

珊瑚礁石和天然珊瑚砂均采自遠海島礁。珊瑚礁石破碎后得到珊瑚碎石和珊瑚碎砂，粗骨料為珊瑚碎石，細骨料為珊瑚砂，包括天然珊瑚砂和珊瑚碎砂。水泥為PO42.5級抗硫酸硅酸鹽水泥(簡稱抗硫酸鹽水泥)，拌養用水為參照海水指標人工配制海水。試驗的外加劑使用按20%濃度配置的聚羧酸高效減水劑。珊瑚砂和珊瑚碎石的基本物理性能參數(表1)。

表1　骨料基本參數

1.2參數水平的選擇

以C40為目標設定試配強度為50MPa，根據混凝土配合比松散體積法的特點，水泥用量、用水量以及砂率參照JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》確定大概范圍。水泥單方用量范圍410～510kg，基準值取450kg/m3。粗骨料單方用量范圍670～760kg/m3，基準用量為710kg/m3。砂率取值范圍35%～45%，基準值取43%。根據稠度要求，凈用水量(扣除骨料1h吸水量的用水量)為180～225kg/m3，碎石型輕骨料宜增加10kg/m3，基準值為200kg/m3。本試驗使用聚羧酸高效減水劑，干減水率為20 %左右，配制濃度20 %的減水劑溶液亦消耗一定水量，所以制作混凝土時應減少該部分用水，實際總用水量基準值為215kg/m3(表2)。

表2　混凝土配合比參數水平

1.3試驗的設計及結果

為研究不同水泥用量、粗骨料用量、細骨料品種以及不同凈用水量對珊瑚骨料混凝土的抗壓強度的影響，制定珊瑚骨料混凝土的最終配比方案，設定四個因素，分別為水泥用量、粗骨料用量、體積砂率以及凈用水量，每個因素三水平，正交試驗設計表3所示。

表3　正交試驗設計

表3中強度值已按0.95進行折減(試件采用100mm×100mm×100mm試模制作，試件澆筑后24h后拆模并置于相對濕度95%以上、溫度20±2℃的環境中養護28d)。

2試驗結果分析

2.1均值與方差分析

由圖1可看出，對珊瑚骨料混凝土強度影響最顯著的因素是水泥的用量，遠大于其他幾個因素。粗骨料用量對其強度也有較明顯的影響，而相比之下凈用水量的影響不大。由于正交試驗中的4個因素皆為處理因素，這種試驗實際沒有全面考慮試驗誤差，在正交試驗中，如果沒有重復試驗又無空白項時，常取各因素中離差平方和最小項作為誤差估計[5]，如表4所示。均值與方差分析各因素對試驗結果的重要性一致。

(a)水泥用量與混凝土強度關系

(b)粗骨料用量與混凝土強度關系

(c)體積砂率與混凝土強度關系

(d)凈用水量與混凝土強度關系

項目SfVFF標準顯著性水泥粗骨料體積砂率凈用水量合計20.3916.423.651.6042.062222810.198.211.830.80-40.7832.857.303.19-F0.01(2,2)=99.00F0.05(2,2)=19.00顯著顯著---

2.2各因素對強度的影響

2.2.1水泥用量

水泥用量是影響混凝土強度等力學性能的重要因素，在一定范圍內，混凝土的強度隨水泥摻量的增加而增大，超過此范圍，強度將不出現明顯增長，即存在一水泥用量臨界值。由于珊瑚表面多空隙且粗糙，水泥砂漿緊密的包裹填充于珊瑚骨料的表面和空隙，在未達到極限承載力時，骨料與水泥石交界處強度將明顯影響混凝土強度；當水泥用量達到臨界值、水化反應達到一定程度、水泥石強度達到或超過珊瑚碎石強度后時，此時強度取決于珊瑚骨料的強度。根據圖1均值直觀變化可知，450kg/m3的水泥用量已經接近臨界值，即為保證混凝土強度同時從經濟成本的角度考慮，水泥用量不宜超過此臨界值。除此，水泥的用量決定了水泥砂漿體的流動性，其流動性對混凝土流動性起決定作用[6]，當砂漿稠度過低不僅會影響混凝土流動性還會使其在施工時難以密實，甚至影響混凝土強度和耐久性。

2.2.2骨料用量

骨料用量的增加將會導致混凝土強度的不斷降低。經破碎后的珊瑚碎石出現三種類型：巖石型、多孔型和貫通多孔型[7]。珊瑚碎石中約有9%的貫通多孔性碎石，其空隙多為外部空隙，孔隙體系在混凝土的養護進程中，存在吸水和供水作用[8-9]，其中，吸水使得珊瑚骨料旁邊的水泥漿體水灰比較低，提高了硬化水泥漿體與珊瑚骨料交界面相互的粘結力，供水使得珊瑚骨料附近的水泥漿體養護時間長[10]，使混凝土的強度有一定程度的增長；而其他兩種類型碎石中存在大量的內部空隙，將因水泥砂漿無法填充而影響強度。除此，骨料用量的增加就意味著水泥用量的減少，將會導致混凝土的密實度下降，最終影響混凝土強度。

2.2.3凈用水量

凈用水量的增加也會導致混凝土強度的降低，這是由于相同的水泥用量下增加用水量意味著水灰比增大，水泥漿液的濃度降低，一系列水化反應后混凝土內的多余游離水分會附著在珊瑚礁碎屑粗顆粒上，降低了粘結面積，粘結力下降，從而在一定程度上降低了混凝土的強度。由于水泥的水化程度和水灰比顯著影響混凝土強度，故為提高強度、改善流動性，在混凝土制作時應加入聚羧酸減水劑，減小水灰比，以保證在同等流動性下，混凝土密實度和強度的提高。

2.2.4養護齡期

普通輕骨料混凝土3d可達到28d強度的40%～50%，7d可以達到70%～80%左右，而珊瑚骨料混凝土3d強度可達到28d強度的88%左右，7d強度已達到94%左右，說明珊瑚骨料混凝土早期強度的增長速度和幅度明顯高于普通輕骨料混凝土。

圖2　不同水泥用量珊瑚骨料混凝土強度隨齡期變化

2.3配合比優化設計

2.3.1推薦配合比

根據配合比設計試驗結果，綜合考慮混凝土強度要求、施工性能要求和經濟性，確定表3中編號A4的配合比為最終配合比，如表5所示。

表5　最終配合比　kg/m3

由于珊瑚骨料具有較高的吸水率，如按照普通混凝土拌合投料順序，則會導致骨料吸收大量拌合用水，不利于水泥反應的進行，而在養護時骨料孔隙中的水分析出與水泥反應，又會形成空腔，使得混凝土密實度降低，影響強度和耐久性。所以其拌合投料順序可以參考輕骨料混凝土的投料順序，根據JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》給出的未預濕骨料投料順序配制，用水量要同時考慮珊瑚骨料的1h吸水量和聚羧酸高效減水劑配制溶液含水量。考慮到珊瑚礁石破碎后所得珊瑚碎屑，包括粗骨料和部分細骨料，在實際配制混凝土時不便也無需進行篩分，直接將珊瑚碎屑作為粗細骨料混合使用，其粗細骨料比例為33∶17，近似為2∶1[7]，因此實際配制珊瑚骨料混凝土時各原材料用量為：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，減水劑溶液21.6kg/m3(濃度20%，減水劑固體3.6kg/m3)。

2.3.2強度試驗結果

推薦配合比混凝土強度試驗結果見表6。

各組數據值均大于50MPa，按照試配強度計算公式求得混凝土28d立方體抗壓強度標準值大于41.7MPa，說明本試驗所用珊瑚混凝土達到C40的強度等級要求。

表6　試驗結果

3結論

(1)根據正交試驗結果分析，混凝土的強度和施工性能受到水灰比、砂率等多種因素影響，各因素對試驗結果的重要性為：水泥用量的影響遠大于其他幾個因素，粗骨料用量對其強度也有較明顯的影響，相比之下凈用水量的影響不大。由于珊瑚骨料的吸水和供水作用，在混凝土拌養時應注意投料順序。

(2)強度等級C40的珊瑚骨料混凝土推薦配合比為：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，減水劑溶液21.6kg/m3(濃度20%，減水劑固體3.6kg/m3)。按此配合比制備的混凝土試塊28d強度均大于50MPa，其強度可靠且滿足設計強度要求。

參考文獻

[1]李林，趙艷林，呂海波，等. 珊瑚骨料混凝土力學性能的影響因素研究 [J].福建建材，2011(1):10-11.

[2]趙艷林，韓超，張栓柱. 海水拌養珊瑚混凝土抗壓齡期強度試驗研究[J].混凝土， 2011(2)：43-45.

[3]王磊，趙艷林，呂海波. 珊瑚骨料混凝土的基礎性能及研究應用前景[J].混凝土,2012(2):99-100.

[4]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(s1):221-225.

[5]張春華，嚴云良. 醫藥數理統計[M]． 北京: 科學出版社,2001.

[6]UchikawahHS.Theroleofstericrepulsiveforceinthedispersionofcementpartidesinfreshpastepreparedwithprganicmixture[J].Cementandconcreteresearch, 1997(27):37-50.

[7]潘柏州. 珊瑚骨料混凝土配合比設計及基本力學性能試驗研究[D].武漢：海軍工程大學，2014.

[8]丁建彤，郭玉順，木村薰. 結構輕骨料混凝土的現狀與發展趨勢[J].混凝土，2000(9)：23-25.

[9]宋培晶，劉小龍，丁建彤. 不同輕骨料吸水特性及其對混凝土性能的影響[J].混凝土，2001(6):49-52.

[10]李林，趙艷林，呂海波，等. 珊瑚骨料預濕對混凝土力學性能的影響[J].混凝土，2011(1)：85-86.

【文獻標志碼】B

【中圖分類號】TU528.59

[作者簡介]孫瀟(1992～),女，碩士研究生，研究方向:混凝土材料性能研究。

[定稿日期]2015-10-13