鮑文博， 張昊斌， 呂晨曦， 趙洪濤， 曹海嬌， 魏英華， 李 京

(1. 沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中國科學院 金屬研究所， 沈陽 110016)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，以開發(fā)、利用、保護、恢復海洋資源為目的海洋工程建設呈現出快速增長態(tài)勢.海洋通常處于重腐蝕環(huán)境，對工程材料要求比較嚴苛，由于混凝土不僅具有較好的力學性能，而且還具有較好的耐腐蝕性和耐久性，是海洋工程首選的基礎材料.但是，對于海洋工程，特別是遠海工程，混凝土原材料如果依靠陸地提供則遠航運輸成本較高，在一定程度上影響了海洋工程的發(fā)展.為此不少學者提出就地取材，利用海洋當地資源制備混凝土，其中以珊瑚礁砂替代天然砂制備珊瑚礁砂混凝土成為重要的研究內容之一.

早在上個世紀，美國就在二戰(zhàn)期間在西太平洋的島嶼工程上使用了珊瑚混凝土，并出版了土木工程標準《Unified facilities criteria：tropical engineering》[1].1991年，美國學者Rick[2]提出“珊瑚混凝土的強度能夠滿足工程結構的設計要求”的設想；1996年，印度學者 Arumugam等[3]用試驗證明了“珊瑚混凝土早期強度增長較快，后期強度增長緩慢”的結論；19世紀80年代，王以貴[4]開始利用礦渣水泥與珊瑚礁骨料制備混凝土；21世紀以來，劉存鵬等[5-6]研究了向珊瑚混凝土摻加劍麻纖維后的相關性能；麻海燕等[7-10]通過實地調研，對珊瑚混凝土力學性能與耐久性進行了研究，分析了其在實際工程中的可行性.目前國內外有關珊瑚礁砂混凝土制備及其基本力學性能的研究還不夠充分，開展相關研究對于推進海洋工程的發(fā)展具有重要意義.

珊瑚礁是一種遠海海洋非常豐富的資源，這些珊瑚礁為開發(fā)海洋建設提供了一種新型的建筑材料——珊瑚骨料[11-14].如果珊瑚礁砂能夠取代天然砂制備出滿足工程要求的混凝土，則可以節(jié)約大量的成本，具有重要的經濟意義和戰(zhàn)略意義.本文基于混凝土制備原理，開展了海水拌和珊瑚礁砂混凝土的制備及基本力學性能的研究，除以珊瑚礁砂取代天然砂外，還采用海水替代淡水，進一步加大當地資源的利用比例，為珊瑚礁砂混凝土的工程應用提供了有益參考.

1 珊瑚砂混凝土的制備

1.1 試驗原材料

本試驗選用的水泥為山水工源牌PO42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料為遼寧撫順出產的石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20 mm；細骨料采用遠海某區(qū)域珊瑚砂，大部分為珊瑚碎屑，少部分為貝殼碎屑，細度模數為2.44，屬于中砂，其堆積密度為1 115 kg/m3，表觀密度為2 500 kg/m3；粉煤灰為沈西熱電廠生產的表觀密度為2 200 kg/m3的I級粉煤灰；減水劑為遼寧省建筑科學研究院生產的LJ612型聚羧酸高效減水劑；海水為人工拌制海水，成分如表1所示.

表1 海水化學成分Tab.1 Chemical composition of sea water g

1.2 配合比設計

通過試配確定了各材料組分配比的基本范圍，在此基礎上采用三因素三水平正交試驗，以混凝土工作性能為約束、抗壓強度為目標對珊瑚礁砂混凝土最佳配合比進行試驗.正交試驗選用的三因素三水平[15]如表2所示，正交試驗得到的珊瑚礁砂混凝土配合比如表3所示.

表2 正交試驗Tab.2 Orthogonal tests

表3 珊瑚礁砂混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of coral reef sand concrete kg

1.3 材料的制備

試件制備過程中，在準備階段，需要將珊瑚砂測出吸水率晾干稱重；攪拌過程中，需要先加入一部分預濕水，防止攪拌過程中攪拌機內壁吸水影響水膠比；之后依次放入水泥、砂子，使其攪拌均勻，最后放入石子，使各材料均勻分布，不出現攪拌不均勻的現象；攪拌完畢，放入標準模具之中，使用振搗臺進行外部振搗，嚴格把控時間，防止出現過振現象(模具涂油是方便拆模).振搗完畢后在20 ℃的室內環(huán)境下靜置一天后進行拆模.把拆模后的試塊放入標準養(yǎng)護箱內進行養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為溫度20±2 ℃，濕度為95%.養(yǎng)護到一定齡期后拿出進行試驗.

2 試驗方案

基于正交優(yōu)化獲得的最優(yōu)配合比，分別開展了珊瑚礁砂混凝土的立方體抗壓、劈裂抗拉、抗折、軸心抗壓、彈性模量試驗，并分別討論了劈裂抗拉強度、軸心抗壓和抗折強度與立方體抗壓強度的關系，為珊瑚礁砂混凝土的工程應用提供依據.試驗方案如表4所示.

為了了解珊瑚礁砂混凝土的特性，試驗選用了普通混凝土作為試驗對比材料，以符號SH和PT分別表示珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土.同時，為了反映混凝土強度發(fā)展狀態(tài)，分別研究了3、7、28和90 d等不同齡期下的力學指標.

3 試驗結果與分析

3.1 立方體抗壓試驗

立方體抗壓強度是混凝土試件最重要的基本力學性能之一，也是珊瑚礁砂混凝土能否在實際工程中應用的最基本指標.

表4 試驗方案Tab.4 Test programs

表5 SH與PT立方體抗壓數據Tab.5 Compression data of SH and PT cubes MPa

圖1 立方體抗壓強度對比Fig.1 Comparison of cubic compressive strength

由試驗結果可見，珊瑚礁砂混凝土各個不同齡期的立方體抗壓強度均高于同齡期普通混凝土的立方體抗壓強度，原因主要有兩個：一是珊瑚礁砂混凝土采用的是最優(yōu)配合比，各方面性能得到進一步優(yōu)化；二是珊瑚礁砂混凝土屬于輕骨料混凝土，水泥的用量高于普通混凝土.

另一方面，試驗表明珊瑚礁砂混凝土的早期強度顯著高于普通混凝土.由于珊瑚礁砂表面粗糙，棱角較多，增加其與水泥漿之間結合作用，相互之間產生咬合，而且海水中含有一些無機鹽，例如氯鹽、硫酸鹽等，它們能促進水泥早期水化[17]，有助于前期立方體抗壓強度增長，使其前期抗壓強度增長迅速，明顯快于普通混凝土，珊瑚礁砂混凝土抗壓強度在齡期7 d時就可達到28 d的80%.在7～28 d的時間內，珊瑚礁砂混凝土增長速度開始減慢，與普通混凝土強度的增長速度差距開始縮小，28 d之后由于珊瑚礁砂混凝土采用水泥較多，充分水化后拉大了與普通混凝土抗壓強度的差距.

3.2 劈裂抗拉試驗

3.2.1 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度是確定一種混凝土其抗裂程度與受拉力學性能的重要參數，是混凝土結構設計中的一個重要指標.對于普通混凝土而言，混凝土的抗拉強度取決于基材的強度以及基材與骨料的界面強度.SH內部破壞面如圖2所示.

圖2 SH破壞后內表面Fig.2 Internal surface after SH failure

表6 SH與PT劈裂抗拉數據Tab.6 Splitting tensile data of SH and PT specimens MPa

不同齡期珊瑚礁砂混凝土的劈裂抗拉強度均明顯高于普通混凝土，抗拉性能明顯優(yōu)于普通混凝土.混凝土是脆性材料，珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相對比，抗拉強度相對較高，更加利于珊瑚礁砂混凝土在工程中的應用.珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土劈裂抗拉強度的增長趨勢與立方體抗壓強度增長趨勢相同，珊瑚礁砂混凝土前期強度增長速度較快.

圖3 劈裂抗拉強度對比Fig.3 Comparison of splitting tensile strength

3.2.2 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度關系

分別將珊瑚礁砂混凝土的立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的試驗數據進行最小二乘法擬合，得到珊瑚礁砂混凝土劈裂抗拉強度Ft與立方體抗壓強度fcu的關系式為

Ft(d)=0.007 2f2cu(d)-0.035 3fcu(d)+

0.119 4

(1)

式中，d為齡期.回歸方程(1)的決定系數為0.913 1，說明回歸直線對觀測值的擬合程度較好.

3.3 抗折試驗

3.3.1 抗折強度

圖4 抗折試驗Fig.4 Flexural test

表7 SH與PT抗折試驗數據Tab.7 Flexural test data of SH and PT specimens MPa

圖5 抗折強度對比Fig.5 Comparison of flexural strength

由試驗結果可見，珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土的抗折強度增長趨勢與立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的增長趨勢相同，珊瑚礁砂混凝土前期強度增長均快于普通混凝土，因此，前期強度差距比較大，7 d之后珊瑚礁砂混凝土強度增長趨勢變緩，二者強度增長速度差距變小.后期由于珊瑚礁砂混凝土水泥用量大于普通混凝土，水泥充分水化后，再次拉大與普通混凝土強度之間的差距.

3.3.2 折壓比

折壓比即是混凝土的抗折強度與立方體抗壓強度的比值，是表達混凝土抵抗彎拉性能的重要指標.珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土不同齡期折壓比的試驗結果如表8所示.

表8 SH與PT折壓比測試數據Tab.8 Test data of flexural strength to cubic compressive

通過計算3、7、28和90 d折壓比數據得知，珊瑚礁砂混凝土平均折壓比為0.072，普通混凝土為0.064，珊瑚礁砂混凝土的折壓比高于普通混凝土，較普通混凝土高了12.5%.說明珊瑚礁砂混凝土的抗裂性能并不低于普通混凝土，可以滿足其在實際工程中的應用.

3.4 軸心抗壓試驗

3.4.1 軸心抗壓強度

混凝土軸心抗壓試驗與立方體抗壓試驗相比，更能接近構件受壓的實際力學性能，更加符合工程實際.試驗結果如表9所示.

所得軸心抗壓強度數據的離散性滿足試驗要求，軸壓比在0.9上下波動，反映珊瑚礁砂混凝土比普通混凝土軸壓比高，具有比普通混凝土更好的延性，可以滿足在實際工程的需要.

表9 軸心抗壓立方體抗壓試驗數據Tab.9 Test data of axial and cubic compression

3.4.2 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系

立方體抗壓強度與軸心抗壓強度均是混凝土抗壓性能的表現，但前者套箍效應較大，無論是普通混凝土還是珊瑚礁砂混凝土，其立方體抗壓強度fcu與軸心抗壓強度fcp都是呈線性關系的，通過最小二乘法進行擬合，其表達式為

fcp=0.911fcu

(2)

擬合公式的決定系數為0.99，較為準確地反映了fcp、fcu之間的關系，結果與文獻[18]一致.

3.5 彈性模量

混凝土彈性模量是評價混凝土剛度和耐久性的重要參數，也是衡量能否應用于實際工程的指標之一.強度為C30的珊瑚礁砂混凝土彈性模量的測試平均值為36.2 GPa，較普通混凝土彈性模量高了接近20%.

一般而言，混凝土的骨料是對彈性模量影響最大的因素，包括骨料的表面特征、骨料的形狀以及骨料的剛度，其中骨料的剛度是造成混凝土彈性模量影響最大的因素之一.通常珊瑚全骨料混凝土彈性模量約為25 MPa[19]，本文研制的珊瑚礁砂混凝土的彈性模量較之高了近45%，主要是因為采用了強度較高的碎石骨料所致.

上述試驗表明，不同齡期珊瑚礁砂混凝土的基本力學性能均高于相應齡期的普通混凝土，雖然水泥用量略高一些，但從海洋工程角度綜合考慮仍具有一定優(yōu)勢.同時應注意，珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相比，早期各力學強度增長均較快，工程應用時應注重珊瑚礁砂混凝土的前期養(yǎng)護.

4 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 不同齡期海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本強度均高于相應齡期普通混凝土的強度，表明海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本力學性能可以滿足一般混凝土工程的要求.

2) 珊瑚礁砂混凝土與普通混凝土相比，早期各力學強度均發(fā)展較快，工程應用時應采取措施，保證珊瑚礁砂混凝土的前期養(yǎng)護質量.

3) 基于試驗研究提出的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度關系和軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系，其回歸擬合公式的決定系數均較大，可用于該研究范圍的相應設計.

4) 海水拌制珊瑚礁砂混凝土，實現了遠海環(huán)境下混凝土工程中的水資源和細骨料資源的就地取材，具有重要的經濟價值和社會效益.