紫 民,劉曠怡,劉 松,秦明強(qiáng)

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

珊瑚礁砂細(xì)骨料基本性能研究

紫 民1,劉曠怡2,劉 松2,秦明強(qiáng)2

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

對比分析了珊瑚礁砂細(xì)骨料與天然河砂、機(jī)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(xué)成分與微觀形貌。結(jié)果表明,珊瑚礁砂細(xì)骨料具有細(xì)度模數(shù)小、輕質(zhì)、多孔與吸水率高等特點(diǎn);其主要巖相為方解石,主要化學(xué)成分為碳酸鈣;其表面粗糙,布滿孔隙,具有多層狀結(jié)構(gòu)與籠狀結(jié)構(gòu)。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(dāng)降低容重。

珊瑚礁砂; 微觀形貌; 細(xì)骨料; 配合比設(shè)計

我國遠(yuǎn)海島礁遠(yuǎn)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(shè),海上運(yùn)輸任務(wù)艱巨且運(yùn)輸成本高,在一定程度上制約我國對遠(yuǎn)海的大規(guī)模建設(shè)和資源開發(fā)。遠(yuǎn)海島礁上具有豐富珊瑚礁砂資源,利用珊瑚礁砂作為細(xì)骨料,配制素混凝土結(jié)構(gòu),如護(hù)岸、防波堤等,不僅可以擺脫遠(yuǎn)距離海上運(yùn)輸?shù)闹萍s,而且能夠大幅度節(jié)省工程造價[1]。

珊瑚礁砂為珊瑚蟲死后的產(chǎn)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(xì)集料配制混凝土,國內(nèi)外開展了一定的研究。美國土木工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如在缺乏常規(guī)骨料,工程建設(shè)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(nèi)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(shí)驗(yàn)室研究階段,尚無工程案例方面的文獻(xiàn)報道。

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

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

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

1.2 試驗(yàn)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(fā)生的相變、脫水、分解或化合過程進(jìn)行分析;通過掃描電鏡對珊瑚礁砂的微觀形貌進(jìn)行觀察,分析珊瑚礁砂表面的形貌特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基本性能

按照《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)規(guī)定的試驗(yàn)方法對珊瑚礁砂、機(jī)制砂與河砂的基本性能參數(shù)進(jìn)行測試,試驗(yàn)結(jié)果見表1、級配曲線見圖1。

該工程主要產(chǎn)出各類農(nóng)產(chǎn)品，考慮到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)作物品種和灌水技術(shù)的不斷改進(jìn)，產(chǎn)量會不斷提高，工程計算期內(nèi)預(yù)測的產(chǎn)量可能偏小，因此按效益增加10%分析對評價指標(biāo)的影響程度。另外，考慮到農(nóng)作物產(chǎn)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(biāo)變化。

表1 珊瑚礁砂、河砂和機(jī)制砂的物理性能對比

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

將珊瑚礁砂進(jìn)行磨片,在單偏光鏡下觀察巖相的顏色、多色性、晶體的形態(tài)、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(jù)不同的晶體形態(tài)、消光的規(guī)律和延性確定巖相的種類。巖相分析的結(jié)果見表2。

表2 珊瑚礁砂、機(jī)制砂和河砂巖相分析

從表2可看出,珊瑚礁砂、機(jī)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(jī)制砂則與母巖巖性一致,研究的機(jī)制砂主要為硅質(zhì)灰?guī)r;河砂主要為石英。

2.2 化學(xué)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(jìn)行分析,結(jié)果見表3。珊瑚礁砂中CaO與CO2含量較高,分別達(dá)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(jié)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(jié)果w/%

為確定珊瑚礁砂內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu),對珊瑚礁砂進(jìn)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(zhì)同晶現(xiàn)象,CaCO3晶體結(jié)構(gòu)上的Ca2+離子被性質(zhì)相近的Mg2+離子替換,共同結(jié)晶成單相晶體,而沒有改變晶體的結(jié)構(gòu)和鍵性。結(jié)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(jié)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?yàn)樯汉鹘甘L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(jié)果如圖3所示,在0～1 000℃范圍內(nèi)可明顯看到碳酸鹽分解的吸熱收峰和質(zhì)量變化,其他溫度未見明顯波動,這與前面成分的分析結(jié)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(jié)構(gòu)與籠狀結(jié)構(gòu)。珊瑚礁砂的這種微觀形貌特點(diǎn)導(dǎo)致其具有較大的比表面積,使用珊瑚礁砂配制混凝土?xí)忍烊缓由暗男杷恳?。另一方?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(dá)到95%以上,具有輕質(zhì)、空隙率大、吸水性強(qiáng)等特點(diǎn),因此,采用珊瑚礁砂作為細(xì)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(qiáng)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(xué)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(dá)到了218 kg/m3、外加劑摻量高達(dá)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(dá)到180 mm以上。

珊瑚礁砂具有較多的孔隙、吸附性強(qiáng),亞甲藍(lán)值測試結(jié)果達(dá)到了1.2;同時,珊瑚礁砂具有表面粗糙、多棱角的特點(diǎn),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?xí)r應(yīng)提高單方用水量,外加劑摻量也應(yīng)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(dāng)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(zhì)的特點(diǎn),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(jié)構(gòu),需要考慮結(jié)構(gòu)物的尺寸。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,珊瑚礁砂混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(diǎn),水泥漿體會進(jìn)入珊瑚骨料表面地勢較低的部分,填補(bǔ)珊瑚礁砂表面的空洞,以至于強(qiáng)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(jié)力較普通骨料-水泥漿體的界面黏結(jié)力大。其次,珊瑚骨料由于其多孔結(jié)構(gòu)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(tài),供水作用使珊瑚骨料附近的水泥在后期能充分水化,進(jìn)一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密實(shí)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(qiáng)劑會對珊瑚礁砂混凝土強(qiáng)度的發(fā)展造成影響[4]。最后,珊瑚礁砂本身的低強(qiáng)度,可能會使珊瑚礁砂混凝土的強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

a.珊瑚礁砂細(xì)骨料具有細(xì)度模數(shù)小、輕質(zhì)、多孔與吸水率高等特點(diǎn);其主要巖相為方解石,主要化學(xué)成分為碳酸鈣;其表面粗糙,布滿孔隙,具有多層狀結(jié)構(gòu)與籠狀結(jié)構(gòu)。

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(dāng)降低容重。

[1] 孫宗勛.南沙群島珊瑚礁砂工程性質(zhì)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(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2015,32:221-224.

[3] 張 偉,劉 丹,徐世君.利用海砂海水生產(chǎn)混凝土-海洋島礁混凝土發(fā)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(jī)理研究[D].廣西大學(xué),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