堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土力學性能研究

許瑋瀅，楊樹桐,2，孫 赫，徐鋮基

(1. 中國海洋大學工程學院 土木工程系，山東 青島 266100；2. 青島理大學 藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266100)

近年來，我國愈加重視海島資源的開發與保護.在開發時需要建造大量配套的建筑工程.若從內陸運輸骨料及海島上稀缺的淡水資源，不但會加大工程成本，還易因為運輸過程中的突發狀況延誤工期.而國內目前所慣用的建筑材料—硅酸鹽混凝土在生產過程中不僅會產生大量的粉塵、溫室氣體，有毒氣體等，還會釋放出許多熱能，并消耗掉大量的礦物質.同時，煅燒水泥需要消耗大量的煤炭，對環境具有一定的破壞.2013年，我國共生產水泥24.2億t，占全球總量近60%，所造成的污染與能源浪費難以估量[1].而水泥的原材料-石灰石是一種不可再生資源，據目前的開采量估計，我國的石灰石資源大約有450億噸，而可開采供以利用的僅250億t[1]，長此以往的大量使用將導致未來石灰石材料的用無可用.

目前，冶金工業產生的廢棄物礦渣經磨細后通過堿激發劑進行激發可以制備強度達到60 MPa的混凝土[2].同時，我國南海海域存在豐富的珊瑚島礁資源，這是一種多孔，密度較低，碳酸鈣含量達95%的材料，其吸水率更高、表面粗糙，在混凝土配制中通過耗費更高的砂漿包裹以獲取良好的施工性能[3]，目前研究表明[4]：珊瑚混凝土的力學性能較為穩定，適合高溫高濕的海洋環境.Li 等[5]在研究堿激發礦渣水泥凈漿、砂漿和混凝土耐高溫和力學性能時，將淡水換為海水.研究證明了將淡水換成海水所制備的堿激發礦粉混凝土，其強度及耐久性會更高.

如若能以礦粉為膠凝材料，以珊瑚為骨料，拌以海水、硅酸鈉及氫氧化鈉制備堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土，并將其應用于海島建設中，不僅能夠減少硅酸鹽水泥的使用、減少碳排放、解決礦渣大量堆積、污染環境的弊端，還可以解決海島上傳統建筑材料稀缺的問題.

本文將礦粉與珊瑚骨料結合，在制備堿激發海水珊瑚砂漿的基礎上，通過改變珊瑚骨料與普通骨料的比例，以及砂率和堿摻量，確定出此新型混凝土的合理配合比，并研究其基本力學性能.

1 試驗材料

(1)珊瑚骨料：本試驗采用的珊瑚粗骨料為西沙島礁珊瑚，其形態見圖1，其基本指標如表1所示.所用細骨料為西沙島礁珊瑚砂，其形態如圖2所示，其基本指標如表2所示，圖3為放大500倍后的珊瑚礁石微觀形態.

圖1 試驗用珊瑚礁石Fig.1 Coral aggregates for test

表1 珊瑚礁石質量檢測與評價

注：“—” 表示該檢測項目沒有明確的國家標準.

表2 珊瑚砂質量檢測與評價

注：“— ”表示該檢測項目沒有明確的國家標準.

圖2 試驗用珊瑚砂Fig.2 Coral sand for test

圖3 珊瑚礁石微觀形態(放大500倍)Fig.3 SEM image of coral aggregate (Mag=500)

由于珊瑚的含水率較高，因此試驗前應提前測量其含水率.其中珊瑚粗骨料在使用前24 h浸泡于海水中預濕，其含水率為將珊瑚浸泡于海水中23 h后，取出晾置1h后烘干測量所得，經測試，珊瑚粗骨料含水率為11.9%.在設計試驗配比時，應將珊瑚骨料所含水分考慮進拌合海水的摻量中.其中，凈水膠比由凈用水量計算得出，總水膠比在凈水膠比的基礎上加上珊瑚骨料及水玻璃中所含水分計算得出.

(2)普通骨料：本研究所用普通粗骨料的為5～20 mm連續級配的花崗巖碎石.

(3)礦粉：采用青島建筑材料公司生產的S95級礦粉，經鑒定，礦粉的比表面積350 m2/kg，礦粉的主要氧化物含量見表3.

表3 礦粉主要氧化物含量

(4)工業水玻璃(Na2O·nSiO2)：蚌埠市精誠化工有限責任公司生產的鈉水玻璃，水玻璃模數為3.3，波美度40.水玻璃的主要技術指標見表4.

表4 水玻璃的主要技術指標

(5)氫氧化鈉(NaOH)：為純度99.5%的片狀氫氧化鈉，生產商為青島世紀星化學試劑有限公司.

(6)拌合海水：參考南海海水配制的人工海水，其成分及含量如表5所示

表5 人工拌合海水的配比

2 堿激發礦粉海水珊瑚骨料砂漿力學性能研究

本節主要針對堿激發礦粉海水珊瑚砂漿開展研究工作，旨在確定合理的堿摻量和水膠比.史才軍[2]提出，當堿激發劑模數介于1.0～1.5時，能起到最好的激發效果.而喻驍[6]曾發現，當水玻璃的模數大于1.6時，混凝土的凝結速度極快不利于施工.為此，本試驗將堿激發劑模數定為1.3，堿激發礦粉海水珊瑚砂漿的配合比及相應稠度和基本力學性能如表6所示.本次試驗參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[7]進行.其中，水膠比為總水膠比；堿摻量為堿激發劑中固體含量與礦粉的質量比.

由表6可以看出，當新拌砂漿的總水膠比為0.50時，砂漿的稠度為157 mm，滿足工程應用的要求.同時其7 d抗壓強度能達到52 MPa，7 d抗折強度能達6.3 MPa，28 d的抗壓與抗折強度相比較于7 d的強度均有所增長.由此可見，本試驗所確定的水膠比、堿摻量以及堿激發劑的模數是合理的；同時可為堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土的配制提供參考.

表6 堿激發礦粉海水珊瑚砂漿的配比及相應稠度和基本力學性能

3 堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土力學性能研究

3.1 堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土配合比的確定

參照富漿混凝土設計原理，將混凝土的膠砂比定為0.9，砂率初定為43.8%.根據堿激發礦粉海水珊瑚砂漿的試驗結果，將凈水膠比控制為0.113.細骨料全部采用珊瑚砂.粗骨料采用珊瑚骨料等質量替代普通骨料的方式，替代率分別為50%，70%和100%.因而，共設計了3組混凝土，具體配合比及7 d和28 d的立方體抗壓強度如表7所示.

由表7可以看出，當砂率在43.8%左右，隨著珊瑚礁石替代率的增加，堿激發礦粉海水混凝土的強度不斷降低.當珊瑚骨料替代率達到100%時，28 d混凝土強度僅14.5 MPa.這說明珊瑚骨料的加入會明顯降低混凝土的強度.因此，若要采用全珊瑚骨料配制堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土，并達到結構混凝土使用的強度，需要進一步提高配合比中的砂率，以增大膠砂材料對珊瑚礁石的包裹.表8為不同砂率對混凝土抗壓強度的影響.

表7 珊瑚骨料替代率對新拌砂漿抗壓強度的影響

由表8可發現，新拌堿激發礦粉海水珊瑚混凝土的抗壓強度隨著砂率的增加呈現上升趨勢，且當砂率為60%時，堿激發礦粉海水珊瑚混凝土7 d及28 d的抗壓強度較高，本試驗將堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土的砂率定為60%.此外，為了考慮堿摻量的影響，本試驗分別考慮了堿摻量為13%，16%和20%三種情況.三種堿摻量對混凝土7 d與28 d抗壓強度的影響見表9.

表8 珊瑚砂砂率對新拌混凝土抗壓強度的影響

表9 珊瑚骨料的替代率對新拌混凝土抗壓強度的影響

由表9可發現，堿摻量地提高對堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土的抗壓強度無明顯改善.而且當堿參量較大時，融有氫氧化鈉的拌和水中出現白色沉淀，即氫氧化鈉不能較好地溶解于拌合水中，從而導致激發效果較差，因而得到的混凝土抗壓強度明顯降低.本試驗從經濟角度出發，將混凝土的堿摻量確定為13%.

4.2 堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土基本力學性能研究

基于堿激發礦粉珊瑚砂漿的研究成果，并結合確定的砂率和堿摻量，確定堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土合理配合比如表10所示.

表10 堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土配合比

基于上述配合比，參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[8]，采用標準試件對堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土的立方體抗壓強度、劈裂強度、抗折強度、軸心抗壓強度、彈性模量及泊松比大小進行試驗.其7 d和28 d的結果如表11所示.

表11 堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土基本力學性能

由表11可以看出，堿激發礦粉海水珊瑚混凝土的28 d立方體抗壓強度可以達到42.2 MPa，且7 d的強度均超過28 d強度的80%.7 d和28 d的拉壓比分別為0.086和0.07，而普通混凝土的拉壓比為0.05～0.1，該混凝土的拉壓比介于其中.此外，堿激發礦粉海水珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比明顯高于普通混凝土，甚至大于1.實際上，當混凝土立方體試塊受壓時，由于混凝土受壓面與試驗機承壓板之間存在摩擦，從而產生較強的“環箍效應”，使得試件整個受壓高度范圍內處于三軸受壓狀態；而棱柱體軸心受壓時，遠離加載端位置試件所受的“環箍效應”不明顯，使得試件處于單軸受壓狀態.因此，測得的混凝土軸心抗壓強度低于立方體抗壓強度.但二者的比值隨接觸面摩擦系數的降低而提高[9].劉巽伯等[10]通過對輕骨料混凝土的研究發現：由于混凝土試模的“墻壁效應”導致緊貼試模的混凝土面只允許砂漿存在，而粗骨料后撤，故試件受壓端面幾乎為砂漿成分；相同強度等級的輕骨料混凝土和普通混凝土，輕骨料混凝土砂漿成分較高，故其受壓端面的砂漿成分也越高，從而導致承壓板與輕骨料混凝土受壓面的摩擦系數較低，使得輕骨料混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值較大，甚至出現比值大于1的情況.而本文配制的堿激發海水珊瑚骨料混凝土，膠凝材料用量較大，明顯高于粗骨料用量.因此，與輕骨料混凝土類似，其與試驗機承壓板的摩擦系數低于普通混凝土，導致軸心抗壓強度與立方體抗壓強度數值接近.

本次試驗所制備的堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土的立方體受壓破壞形態如圖4所示，軸心受壓破壞形態如圖5所示.通過圖4與圖5可發現，SCASC的軸心受壓破壞形態與普通混凝土的相似，均為受壓后斜裂縫失穩擴展破壞，無明顯區別.其劈裂破壞形態如圖6所示，抗折破壞形態如圖7所示.通過觀察其破壞面可發現，SCASC破壞過程中并未出現普通混凝土中骨料與漿體脫粘的現象，而是珊瑚粗骨料全部斷裂，這與珊瑚粗骨料本身形態細長，且強度較低有關.同時，珊瑚骨料相對于普通石子，孔隙大、表面粗糙，使得漿體對珊瑚粗骨料的包裹更為緊密嚴實，避免了混凝土因為骨料與漿體脫粘而產生的破壞.但這也表明，珊瑚骨料的抗折抗拉性能較差，易成為混凝土的薄弱環節.

圖4 混凝土立方體抗壓破壞情況Fig.4 Failure mode of SCASC after cube compressive strength test

圖5 混凝土軸心抗壓破壞情況Fig.5 Failure mode of SCASC after uniaxial compressive strength test

圖6 混凝土立方體劈裂破壞情況Fig.6 Failure mode of SCASC after splitting test

圖7 混凝土試件抗折破壞情況Fig.7 Failure mode of SCASC after bending test

4 結論

以礦粉為原材料，通過堿激發的方式制備膠凝材料，拌以海水和珊瑚骨料制備堿激發礦粉海水珊瑚骨料混凝土.分別從漿體和骨料的強度入手，確定了該新型混凝土的合理配合比，并進行了基本力學性能試驗.得出結論如下.

(1)當總水膠比為0.5、膠砂比為0.9、堿摻量為13%時，得到的堿激發礦粉海水珊瑚砂漿28d的抗壓強度可以達到60 MPa以上；

(2)砂率一定的條件下，隨珊瑚骨料對普通骨料替代率的增加，得到的混凝土抗壓強度不斷降低；隨堿摻量的增加，混凝土強度變化不明顯.進而在砂率為60%、堿摻量為13%的基礎上，確定了堿激發礦粉海水全珊瑚骨料混凝土合理配合比.

(3)該新型混凝土7 d的強度均超過28 d強度的70%.此外，由于該混凝土膠凝材料及珊瑚砂用量較大，導致其砂漿成分高于普通混凝土.因而，該混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比明顯高于普通混凝土，甚至大于1.