試驗(yàn)研究

三元復(fù)合膠料配制海洋礁砂高性能混凝土的試驗(yàn)研究

□□ 成耀榮1，孫國(guó)峰2(1.山西省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030013；2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院 工程綜合試驗(yàn)研究中心，山東 青島266100)

摘要：利用普通硅酸鹽水泥、二級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰和GHPC海洋耐蝕摻合料三元復(fù)合膠料作膠料，破碎的礁石作粗集料代替石子，礁砂作細(xì)集料代替大陸河砂，配制了礁砂高性能海洋混凝土。對(duì)三元復(fù)合膠料礁砂混凝土的物理力學(xué)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，并對(duì)其高性能化的機(jī)理進(jìn)行了分析與探討。利用現(xiàn)有材料和技術(shù)，通過(guò)對(duì)島礁原料進(jìn)行新的組合，可以使礁砂混凝土高性能化，配制出C30~C50的大流動(dòng)、免震搗、自密實(shí)、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的高性能海洋礁砂混凝土。

關(guān)鍵詞：海洋混凝土；高性能混凝土；混凝土摻合料

文章編號(hào)：1009-9441(2015)03-0005-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TV 431；TU 528.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Using ternary compound rubber of ordinary Portland cement，second-quality fly ash and GHPC marine corrosion resisting admixture as material，broken rocks as coarse aggregate to replace stones，reef sand as fine aggregate to replace continental river sand，the author compounds high performance marine reef sand concrete.The test and research of physical and mechanical properties of the ternary composite rubber reef sand concrete is conducted，and the mechanism of its high performance is analyzed and discussed.Using existing materials and technology，through new combination of reef raw material，can make the reef sand concrete high-performance，and formulate the C30~C50 high performance marine concrete of big flow，jolt ramming free，self-compaction，corrosion resistance and long service life.

作者簡(jiǎn)介：成耀榮(1963-)，男，山西文水人，工程師，從事水泥工程設(shè)計(jì)與新材料試驗(yàn)研究工作。

收稿日期：2015-03-07

引言

我國(guó)的大多島嶼是由礁石組成。據(jù)地質(zhì)學(xué)考證，島礁的形成是由于一種海洋生物蟲(chóng)群體吸收海水中的鈣和CO2，使其外殼成為石灰石，生物蟲(chóng)的尸體經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)年代的壓實(shí)、石化，形成島礁。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的水力作用和風(fēng)化，外表處的島礁堆積物就形成了礁石和礁砂。礁石和礁砂的化學(xué)成分與大陸的石灰?guī)r類(lèi)似，即以CaCO3為主要成分。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和海洋開(kāi)發(fā)的深入，島礁建設(shè)也越來(lái)越引起人們的重視。但由于島礁遠(yuǎn)離大陸，運(yùn)輸成本較高，島礁建設(shè)中節(jié)能減排的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題日益突出，利用礁砂代替大陸傳統(tǒng)砂石作混凝土集料的技術(shù)課題應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)從20世紀(jì)60至70年代便開(kāi)始了利用礁砂作集料生產(chǎn)混凝土的探索和實(shí)踐。在一些島礁建設(shè)的素混凝土中有很多工程實(shí)踐，取得了很多成功的經(jīng)驗(yàn)。但由于礁砂粗糙多孔、形狀不規(guī)則、自身筒壓強(qiáng)度偏低且波動(dòng)較大，多年來(lái)礁砂混凝土的應(yīng)用僅限于在低強(qiáng)度等級(jí)的半干硬性混凝土中的低檔次應(yīng)用，滿足不了現(xiàn)代泵送混凝土對(duì)于高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高耐久性等性能的技術(shù)要求。因此，通過(guò)就地取材，利用礁砂代替大陸傳統(tǒng)砂石作集料，生產(chǎn)適宜泵送的高性能混凝土以滿足島礁建設(shè)，成為了業(yè)界爭(zhēng)相研究開(kāi)發(fā)的熱門(mén)課題。

利用高效減水劑和優(yōu)質(zhì)超細(xì)摻合料是配制生產(chǎn)高性能混凝土的有效途徑。用普通硅酸鹽水泥、二級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰和GHPC海洋耐蝕摻合料(以偏高嶺土活性材料為主體的超細(xì)摻合料)組成的三元復(fù)合膠料作膠料，破碎的礁石作粗集料代替石子，礁砂作細(xì)集料代替大陸河砂，配制礁砂高性能海洋混凝土，是礁砂混凝土高性能化的一個(gè)有益的探索和實(shí)踐。本試驗(yàn)嘗試?yán)矛F(xiàn)有材料和技術(shù)，就地取材，將島礁原料進(jìn)行組合，使礁砂混凝土高性能化，配制具有實(shí)用價(jià)值的C30~C50大流動(dòng)、免震搗、自密實(shí)、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命、高性能的海洋礁砂混凝土，是島礁建設(shè)中的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

1三元復(fù)合膠料海洋礁砂混凝土的配制

1.1　原材料

(1)水泥：采用華潤(rùn)紅水河水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰：采用海南省?？诎l(fā)電廠二級(jí)粉煤灰。

(3)GHPC海洋耐蝕摻合料：山西呂梁廣廈特種建材有限公司生產(chǎn)。

(4)減水劑：山西黃騰外加劑廠生產(chǎn)，市售20%固含量聚羧酸減水劑。

(5)礁砂和礁石：海南某島礁疏浚港池和航道采掘的混合材料，經(jīng)過(guò)適當(dāng)破碎和篩分后，選用10~30 mm的石料作粗集料，符合中砂粒徑和級(jí)配的細(xì)料作細(xì)集料。按照GB/T 17431—1998《輕集料及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得其堆積密度為1 000 kg/m3，表觀密度為1 900 kg/m3，孔隙率為45%，吸水率為12.8%。

(6)水：自來(lái)水。

1.2　試配

在大量探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮礁砂混凝土的工作性，包括粘聚性、保水性、流動(dòng)性等指標(biāo)，以及各礁砂混凝土各齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)的連續(xù)性，設(shè)計(jì)配制了二元膠料C30、C50混凝土和三元復(fù)合膠料礁砂海洋高性能混凝土，配合比和產(chǎn)品性能見(jiàn)表1至表3。

表1　GHPC二元膠料C30混凝土的配合比和性能

表2　GHPC二元膠料C50混凝土的配合比和性能

表3　三元復(fù)合膠料礁砂混凝土的配合比和性能

從表1至表3可以看出，在膠料中內(nèi)摻8%~12.5%的GHPC摻合料，無(wú)論是粗細(xì)集料全部采用礁砂，還是粗集料用普通石子，細(xì)集料用礁砂，或者是粗集料用礁石，細(xì)集料用普通砂，濕拌混凝土均有較好的工作性，不僅能滿足泵送施工的坍落度和流動(dòng)性，還能達(dá)到粘聚性、保水性和流動(dòng)性的平衡，均適宜高流動(dòng)性泵送混凝土的生產(chǎn)施工。就流動(dòng)性來(lái)講，普通石子配礁砂的流動(dòng)性最好，需水量最小。

利用礁砂作集料，混凝土需水量較大，但礁砂混凝土仍能滿足各齡期的強(qiáng)度。尤其是用大陸傳統(tǒng)粗集料和礁砂細(xì)集料配制的混凝土，其性能與普通砂石混凝土幾乎沒(méi)有差別。

可見(jiàn)，三元復(fù)合膠料配制高性能礁砂混凝土能同時(shí)解決混凝土流動(dòng)性、強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性的匹配問(wèn)題，既可降低生產(chǎn)成本，又能發(fā)揮粉煤灰材料的潛在活性，同時(shí)解決了礁砂混凝土后期強(qiáng)度增進(jìn)乏力及礁砂混凝土吃灰、吃水量大的技術(shù)問(wèn)題，推動(dòng)了礁砂混凝土向綠色高性能方向轉(zhuǎn)化。

1.3　配合比的確定

比較以上3組礁砂混凝土的配合比，認(rèn)為選擇水泥、粉煤灰、GHPC摻合料作為礁砂海洋高性能混凝土的膠料為理想、科學(xué)的膠料組合。綜合考慮混凝土的工作性、強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，確定膠料最佳配合比為：水泥75%，粉煤灰15%，GHPC摻合料10%。

2礁砂混凝土高性能化機(jī)理分析

采用礁砂礁石作混凝土集料，其特點(diǎn)(也是其弱點(diǎn))是粗糙多孔、孔隙率大、吸水率高、形狀不規(guī)則、筒壓強(qiáng)度低，配制的混凝土需水量大，需要包裹的灰量大(即業(yè)界所謂的吃水和吃灰)。實(shí)現(xiàn)礁砂混凝土高性能化的途徑是：選用高效減水劑解決用水量大的問(wèn)題，選用優(yōu)質(zhì)活性超細(xì)摻合料解決裹漿量和集料間摩擦阻力大造成的泵送困難的問(wèn)題，以及水灰比大和集料軟弱引發(fā)的強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

GHPC摻合料是一種以偏高嶺土活性材料為主體的超細(xì)摻合料，顆粒形貌好，有滾珠效應(yīng)，因而可以輔助減水，這種作用稱(chēng)作是GHPC的“形貌效應(yīng)”；另一方面，該摻合料顆粒微細(xì)，干容重小，體積大，1 kg的GHPC摻合料與2.5 kg水泥的體積相當(dāng)，而其粒徑僅為水泥的1%，所以每個(gè)水泥顆粒的周?chē)猩习賯€(gè)GHPC摻合料顆粒，致使混凝土裹漿能力提高，摩擦阻力減小，在用水量較少的情況下，仍能夠獲得很好的工作性，解決了礁砂混凝土的流動(dòng)性差和泵送難的技術(shù)難題。如選擇硅灰作摻合料，由于其比表面積過(guò)大，顆粒級(jí)配不合理，需水量反而增大，會(huì)使混凝土流動(dòng)性變得更差，難以實(shí)現(xiàn)泵送。單純加大水泥用量，或者用礦渣微粉作摻合料，同樣存在流動(dòng)性不足影響工作性能以及超細(xì)活性組分不足影響強(qiáng)度發(fā)展的問(wèn)題。所以，膠料中內(nèi)摻GHPC海洋耐蝕摻合料是解決礁砂混凝土高性能化的理想選擇。

由于礁砂是一種質(zhì)地軟的多孔天然輕集料，筒壓強(qiáng)度低，需水量大，在沒(méi)有摻合料加入的情況下，如果為滿足工作性而一味地加水、加灰，會(huì)造成混凝土離析、泌水、后期強(qiáng)度停滯。膠料中摻入一定量的摻合料(包括GHPC摻合料和粉煤灰)后，其中大量的活性硅和活性鋁可以與水泥水化析出的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成低鈣硅比的水化硅酸鈣，這種水化產(chǎn)物強(qiáng)度高、抗折性能好，可以使混凝土的中后期強(qiáng)度得到可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，GHPC摻合料對(duì)粉煤灰有強(qiáng)烈的激發(fā)作用，可激發(fā)粉煤灰的潛在活性，使其在混凝土水化、硬化的后期充分發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)作用。兩種摻合料與水泥的復(fù)合，形成了水泥水化各階段的強(qiáng)度來(lái)源，使混凝土的強(qiáng)度能夠可持續(xù)發(fā)展。

礁砂混凝土中的礁砂集料，是經(jīng)過(guò)海水長(zhǎng)期浸泡形成的，其耐海水腐蝕的性能毋庸置疑。礁砂混凝土的耐蝕性與普通混凝土一樣，主要體現(xiàn)在水泥石的耐蝕性方面，內(nèi)摻GHPC摻合料和粉煤灰以后，摻合料吸收大量的Ca(OH)2，使混凝土內(nèi)部的堿性降低，耐蝕性得以提高。摻合料的填充作用、二次水化作用和GHPC摻合料對(duì)粉煤灰的激發(fā)作用，對(duì)混凝土產(chǎn)生增強(qiáng)和致密的效果，使水泥石高度密實(shí)，混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)得到改善，有害的氣體和液體的傳輸通道被堵塞，混凝土耐蝕系數(shù)達(dá)到了1.0以上。所以，水泥、粉煤灰、GHPC摻合料組成的三元膠料的填充效應(yīng)、二次水化效應(yīng)及滾珠效應(yīng)，是礁砂混凝土實(shí)現(xiàn)高性能化的主要推動(dòng)力和核心要素。

3結(jié)論

水泥、粉煤灰、GHPC摻合料組成的三元膠料與礁石集料組合，能夠配制C30~C50較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，制得的礁砂混凝土具有優(yōu)良的工作性，耐久性好，中后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了礁砂混凝土的高性能化。

On Marine Reef Sand High-Performance Concrete Compound by Ternary Composite Rubber

CHENG YAO-rong1，SUN Guo-feng2

(1.Building Material Industry Design and Research Institute of Shanxi Province，Taiyuan，Shanxi，030013，China；2.Comprehensive Test Engineering Research Center，Marine Engineering Design and Research Institute，Qingdao，Shandong，266100，China)

Key words：marine concrete；high performance concrete；concrete additive

(編輯芋艷梅)