多孔隙珊瑚生態混凝土配合比試驗研究

張呈強，莊妍，裴堯堯，詹學啟，楊艷霜

（1.河海大學 土木與交通學院，江蘇南京210098；2.東南大學 土木工程學院，江蘇南京211189；3.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北武漢430068；4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

0 引言

隨著海洋開發以及海洋權益的爭奪，各種各樣的海洋工程建設日漸增多［1］，傳統混凝土在海島工程建設中受到環境污染和生態破壞等問題的限制。

珊瑚礁是我國沿海海島地質布局的主要結構，是造礁珊瑚群體死亡后的遺骸經過破壞、搬運、沉積和膠結作用等形成的一種特殊的巖土體。由于水動力的作用，這些骨骼會自主進行分解，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，還可以有效的節約陸地資源和運輸成本，對海島工程的建設開發具有積極的促進作用。

目前，國內對于以珊瑚為骨料的珊瑚混凝土研究取得了進展。陳兆林［4-5］等，研究表明珊瑚混凝土的凈水灰比與抗壓強度呈現一定的線性關系。粗骨料無論使用珊瑚礁砂還是混合使用珊瑚礁砂和碎石，珊瑚混凝土的強度都隨著水泥用量的增加而增加，并且抗壓強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度發展快。

總之，現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混凝土的應用，而對多孔隙珊瑚混凝土的應用研究則較少。鑒于此，開展多孔隙珊瑚混凝土配合比設計試驗，研究珊瑚粗細骨料含量、水灰比、砂含量等因素對多孔隙珊瑚混凝土抗壓強度的影響。研究結果將為此類生態護坡在實際工程中的應用提供一定的參考依據。

1 原材料與試驗方案

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

1.1 原材料

試驗所用原材料：（1）采用南京公司生產的P·O42.5型普通硅酸鹽水泥。

（2）珊瑚粗骨料采用南海出產的具有連續級配的珊瑚礁，級配情況如圖1所示，主要物理性能指標見表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。珊瑚砂的化學成分主要是碳酸鈣，屬于碳酸巖類砂土或者鈣質砂土。珊瑚砂的顆粒形狀大小不規則，粒徑大小混雜，并且部分粒徑大于5 mm，同時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g·m-3

（3）采用黃河流域出產的河砂。

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

表2 人工海水的化學組成g·l-1

1.2 試驗方案與結果

參照《輕集料混凝土技術規程》［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計來設計珊瑚混凝土各種原材料的配合比。依據規范《普通混凝土力學性能試驗方法》［18］（GB/T 50081-2016），對各混凝土試塊進行立方體抗壓試驗。試塊采用標準大小為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度的影響

珊瑚混凝土采用相同的配合比設計，細骨料分別采用河砂和珊瑚砂兩種珊瑚混凝土。在養護28 d后對其進行抗壓試驗。河砂及珊瑚砂配合比設計及強度變化見表3和圖3。

表3 珊瑚砂、河砂拌養混凝土抗壓強度kg·m-3

圖3 砂含量及種類對珊瑚混凝土強度的影響

1.2.2珊瑚粗骨料及水灰比對珊瑚混凝土強度的影響

通過控制珊瑚粗骨料含量以及水灰比的大小，進行配合比試驗。在養護28 d后對其進行抗壓試驗，試驗配比及強度結果見表4、圖4。

表4 珊瑚混凝配土比設計及抗壓強度kg·m-3

圖4 珊瑚粗骨料及水灰比對珊瑚混凝土強度的影響

1.2.3 水泥含量對珊瑚混凝土強度的影響

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度的影響。在養護28 d后對其進行抗壓試驗，試驗配比及強度結果見表5、圖5。

表5 珊瑚混凝土配比設計及抗壓強度kg·m-3

圖5 水泥含量對珊瑚混凝土強度的影響

2 試驗結果分析

2.1 各因素對珊瑚混凝土強度影響分析

2.1.1 砂含量及種類對珊瑚混凝土強度的影響分析

由圖3可以看出，河砂混凝土的強度低于珊瑚砂混凝土。主要由于珊瑚砂內部具有充足的孔隙，拌合過程中吸收大量的水分。在養護過程中水分得到釋放使水化反應過程充分完成，從而孔隙減少，密實性提高。同時，珊瑚砂在伴和過程中受到各種擠壓作用，結構受力破碎，粒徑減小，密實度得到提高，進一步加強了珊瑚混凝土的強度。試驗結果表明，可以采用珊瑚砂代替河砂，其強度較河砂混凝土具有一定的提高且孔隙率更優于河砂混凝土。多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強度與砂含量變化并不相同，在砂含量達到200 kg/m3時，多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強度達到其峰值，隨著砂含量的繼續增加，其強度開始有所下降，主要由于過多的珊瑚砂容易堆積在一起造成孔隙，在混凝土受壓時結構會因為沒有足夠骨架的支撐而發生破壞，降低混凝土的強度。

2.1.2 珊瑚粗骨料含量及水灰比對珊瑚混凝土強度影響分析

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，抗壓強度先增大后減小，在粗骨料用量達到1450 kg/m3時，抗壓強度達到各自峰值。粗骨料的結構性是混凝土試塊抗壓的主要受力方面，粗骨料自身強度以及骨料之間的連接力決定著試塊的抗壓性能。當骨料自身強度與水灰比一定時，骨料的連接能力受到粗骨料用量的影響，當粗骨料用量過多時，水泥水化后提供不了足夠的連接力，粗骨料的結構性降低，抗壓能力減弱。

珊瑚混凝土抗壓強度隨著水灰比的增大表現出先增大后減小的規律。當用水量較少水灰比較小時，砂漿不具備充分的流動性，無法形成有效的黏結會造成珊瑚骨料黏結界面強度的降低，從而使珊瑚混凝土的強度有所降低。膠凝材料會隨著用水量增加而稀釋，對骨料的黏結作用減弱，使珊瑚混凝土的強度亦有所降低。試驗表明當水灰比為0.35時，抗壓強度最大。

2.1.3 水泥用量對珊瑚混凝土強度的影響

水泥水化后的粘接力在混凝土結構中起著粘結骨料的作用，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時抗壓強度隨著水泥用量的增加而增加，對于普通混凝土來說，適當的水泥摻量使其混凝土的強度會有所提高，超過一定用量后，強度反而會有所降低。但多孔隙珊瑚混凝土情況有所不同。根據圖5，強度隨水泥含量變化可知，當水泥用量為400 kg/m3時，珊瑚混凝土的強度仍在增加。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力得以增加，使得混凝土外表包裹層加厚，強度增大。但同時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度以保證其充足的孔隙率。試驗結果表明水泥用量在200 kg/m3時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，當水灰比過小時，珊瑚骨料自身的吸水性佳將導致膠凝材料吸水不足，從而無法形成水泥漿體，黏結作用大幅降低導致混凝土無法形成整體，出現松散的現象；當水灰比過大時，膠凝材料遇到過多的水分會造成其無法形成水泥漿體甚至膠凝材料而流失。本論述通過多個水灰比試驗的對比，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的作用，所以多孔隙珊瑚混凝土的破壞主要表現為珊瑚骨料的破壞。由珊瑚骨料抗壓強度試驗得出珊瑚骨料為1 450 kg/m3時獲得峰值抗壓強度；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，黏結不牢固，導致珊瑚混凝土出現松散現象且有一部分砂可能會填充到珊瑚骨料本身的孔隙當中，使外部砂含量的進一步降低。砂含量過大，會導致膠凝材料過多，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度，得出了最佳砂含量為200 kg/m3時可獲得較大孔隙率。

3 結論

通過對多孔隙珊瑚生態混凝土配合比試驗研究和分析，可以獲得下列結論：多孔隙珊瑚混凝土的抗壓強度隨著珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表現出先增大后減小的變化規律，隨著水泥用量的增大而增大。基于珊瑚混凝土抗壓強度又保證孔隙率的條件下，多孔隙珊瑚生態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。