海水拌養(yǎng)珊瑚骨料混凝土配合比試驗(yàn)研究

孫　瀟, 韋灼彬, 高　屹

(海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院， 天津 300450)

?

海水拌養(yǎng)珊瑚骨料混凝土配合比試驗(yàn)研究

孫瀟, 韋灼彬, 高屹

(海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院， 天津 300450)

【摘要】文章介紹了按照正交試驗(yàn)方法，針對四因素三水平，進(jìn)行珊瑚骨料混凝土配合比試驗(yàn)，分析了水泥用量、骨料用量、體積砂率、凈用水量以及齡期對混凝土強(qiáng)度的影響，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上推薦了C40強(qiáng)度等級珊瑚混凝土的配合比。

【關(guān)鍵詞】正交試驗(yàn)；海水拌養(yǎng)；珊瑚骨料混凝土；配合比

珊瑚礁是由造礁珊瑚群體死后遺骸經(jīng)過破壞、搬運(yùn)、沉積以及膠結(jié)等作用而形成的特殊巖土體。在島礁工程建設(shè)中開挖礁盤、開劈港池和疏浚航道所得珊瑚礁石，經(jīng)錘式或顎式破碎機(jī)破碎后可形成珊瑚碎屑，粒徑較小者為珊瑚碎砂，較大者為珊瑚碎石。用珊瑚碎屑做骨料配制珊瑚混凝土，較之近幾年國內(nèi)學(xué)者以海水沖刷至岸邊的樹狀或鹿角狀珊瑚塊做骨料配制珊瑚混凝土的研究[1-3]更具實(shí)用意義，樹狀或鹿角狀珊瑚塊無法大量獲取且往往強(qiáng)度較低。在文獻(xiàn)[4]研究原材料對珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，本文以珊瑚碎石作粗骨料、珊瑚碎砂與天然珊瑚砂搭配作細(xì)骨料，利用抗硫酸鹽水泥配制海水拌養(yǎng)珊瑚骨料混凝土。采用正交試驗(yàn)方法，分析水泥、粗骨料、體積砂率、凈用水量等對珊瑚骨料混凝土強(qiáng)度的影響，以獲得性能較好的海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土優(yōu)化配合比。

1參數(shù)的選擇及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)材料

珊瑚礁石和天然珊瑚砂均采自遠(yuǎn)海島礁。珊瑚礁石破碎后得到珊瑚碎石和珊瑚碎砂，粗骨料為珊瑚碎石，細(xì)骨料為珊瑚砂，包括天然珊瑚砂和珊瑚碎砂。水泥為PO42.5級抗硫酸硅酸鹽水泥(簡稱抗硫酸鹽水泥)，拌養(yǎng)用水為參照海水指標(biāo)人工配制海水。試驗(yàn)的外加劑使用按20%濃度配置的聚羧酸高效減水劑。珊瑚砂和珊瑚碎石的基本物理性能參數(shù)(表1)。

表1　骨料基本參數(shù)

1.2參數(shù)水平的選擇

以C40為目標(biāo)設(shè)定試配強(qiáng)度為50MPa，根據(jù)混凝土配合比松散體積法的特點(diǎn)，水泥用量、用水量以及砂率參照J(rèn)GJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》確定大概范圍。水泥單方用量范圍410～510kg，基準(zhǔn)值取450kg/m3。粗骨料單方用量范圍670～760kg/m3，基準(zhǔn)用量為710kg/m3。砂率取值范圍35%～45%，基準(zhǔn)值取43%。根據(jù)稠度要求，凈用水量(扣除骨料1h吸水量的用水量)為180～225kg/m3，碎石型輕骨料宜增加10kg/m3，基準(zhǔn)值為200kg/m3。本試驗(yàn)使用聚羧酸高效減水劑，干減水率為20 %左右，配制濃度20 %的減水劑溶液亦消耗一定水量，所以制作混凝土?xí)r應(yīng)減少該部分用水，實(shí)際總用水量基準(zhǔn)值為215kg/m3(表2)。

表2　混凝土配合比參數(shù)水平

1.3試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果

為研究不同水泥用量、粗骨料用量、細(xì)骨料品種以及不同凈用水量對珊瑚骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響，制定珊瑚骨料混凝土的最終配比方案，設(shè)定四個(gè)因素，分別為水泥用量、粗骨料用量、體積砂率以及凈用水量，每個(gè)因素三水平，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表3所示。

表3　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3中強(qiáng)度值已按0.95進(jìn)行折減(試件采用100mm×100mm×100mm試模制作，試件澆筑后24h后拆模并置于相對濕度95%以上、溫度20±2℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28d)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1均值與方差分析

由圖1可看出，對珊瑚骨料混凝土強(qiáng)度影響最顯著的因素是水泥的用量，遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)因素。粗骨料用量對其強(qiáng)度也有較明顯的影響，而相比之下凈用水量的影響不大。由于正交試驗(yàn)中的4個(gè)因素皆為處理因素，這種試驗(yàn)實(shí)際沒有全面考慮試驗(yàn)誤差，在正交試驗(yàn)中，如果沒有重復(fù)試驗(yàn)又無空白項(xiàng)時(shí)，常取各因素中離差平方和最小項(xiàng)作為誤差估計(jì)[5]，如表4所示。均值與方差分析各因素對試驗(yàn)結(jié)果的重要性一致。

(a)水泥用量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

(b)粗骨料用量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

(c)體積砂率與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

(d)凈用水量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

項(xiàng)目SfVFF標(biāo)準(zhǔn)顯著性水泥粗骨料體積砂率凈用水量合計(jì)20.3916.423.651.6042.062222810.198.211.830.80-40.7832.857.303.19-F0.01(2,2)=99.00F0.05(2,2)=19.00顯著顯著---

2.2各因素對強(qiáng)度的影響

2.2.1水泥用量

水泥用量是影響混凝土強(qiáng)度等力學(xué)性能的重要因素，在一定范圍內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大，超過此范圍，強(qiáng)度將不出現(xiàn)明顯增長，即存在一水泥用量臨界值。由于珊瑚表面多空隙且粗糙，水泥砂漿緊密的包裹填充于珊瑚骨料的表面和空隙，在未達(dá)到極限承載力時(shí)，骨料與水泥石交界處強(qiáng)度將明顯影響混凝土強(qiáng)度；當(dāng)水泥用量達(dá)到臨界值、水化反應(yīng)達(dá)到一定程度、水泥石強(qiáng)度達(dá)到或超過珊瑚碎石強(qiáng)度后時(shí)，此時(shí)強(qiáng)度取決于珊瑚骨料的強(qiáng)度。根據(jù)圖1均值直觀變化可知，450kg/m3的水泥用量已經(jīng)接近臨界值，即為保證混凝土強(qiáng)度同時(shí)從經(jīng)濟(jì)成本的角度考慮，水泥用量不宜超過此臨界值。除此，水泥的用量決定了水泥砂漿體的流動(dòng)性，其流動(dòng)性對混凝土流動(dòng)性起決定作用[6]，當(dāng)砂漿稠度過低不僅會(huì)影響混凝土流動(dòng)性還會(huì)使其在施工時(shí)難以密實(shí)，甚至影響混凝土強(qiáng)度和耐久性。

2.2.2骨料用量

骨料用量的增加將會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的不斷降低。經(jīng)破碎后的珊瑚碎石出現(xiàn)三種類型：巖石型、多孔型和貫通多孔型[7]。珊瑚碎石中約有9%的貫通多孔性碎石，其空隙多為外部空隙，孔隙體系在混凝土的養(yǎng)護(hù)進(jìn)程中，存在吸水和供水作用[8-9]，其中，吸水使得珊瑚骨料旁邊的水泥漿體水灰比較低，提高了硬化水泥漿體與珊瑚骨料交界面相互的粘結(jié)力，供水使得珊瑚骨料附近的水泥漿體養(yǎng)護(hù)時(shí)間長[10]，使混凝土的強(qiáng)度有一定程度的增長；而其他兩種類型碎石中存在大量的內(nèi)部空隙，將因水泥砂漿無法填充而影響強(qiáng)度。除此，骨料用量的增加就意味著水泥用量的減少，將會(huì)導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度下降，最終影響混凝土強(qiáng)度。

2.2.3凈用水量

凈用水量的增加也會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低，這是由于相同的水泥用量下增加用水量意味著水灰比增大，水泥漿液的濃度降低，一系列水化反應(yīng)后混凝土內(nèi)的多余游離水分會(huì)附著在珊瑚礁碎屑粗顆粒上，降低了粘結(jié)面積，粘結(jié)力下降，從而在一定程度上降低了混凝土的強(qiáng)度。由于水泥的水化程度和水灰比顯著影響混凝土強(qiáng)度，故為提高強(qiáng)度、改善流動(dòng)性，在混凝土制作時(shí)應(yīng)加入聚羧酸減水劑，減小水灰比，以保證在同等流動(dòng)性下，混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度的提高。

2.2.4養(yǎng)護(hù)齡期

普通輕骨料混凝土3d可達(dá)到28d強(qiáng)度的40%～50%，7d可以達(dá)到70%～80%左右，而珊瑚骨料混凝土3d強(qiáng)度可達(dá)到28d強(qiáng)度的88%左右，7d強(qiáng)度已達(dá)到94%左右，說明珊瑚骨料混凝土早期強(qiáng)度的增長速度和幅度明顯高于普通輕骨料混凝土。

圖2　不同水泥用量珊瑚骨料混凝土強(qiáng)度隨齡期變化

2.3配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1推薦配合比

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮混凝土強(qiáng)度要求、施工性能要求和經(jīng)濟(jì)性，確定表3中編號A4的配合比為最終配合比，如表5所示。

表5　最終配合比　kg/m3

由于珊瑚骨料具有較高的吸水率，如按照普通混凝土拌合投料順序，則會(huì)導(dǎo)致骨料吸收大量拌合用水，不利于水泥反應(yīng)的進(jìn)行，而在養(yǎng)護(hù)時(shí)骨料孔隙中的水分析出與水泥反應(yīng)，又會(huì)形成空腔，使得混凝土密實(shí)度降低，影響強(qiáng)度和耐久性。所以其拌合投料順序可以參考輕骨料混凝土的投料順序，根據(jù)JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》給出的未預(yù)濕骨料投料順序配制，用水量要同時(shí)考慮珊瑚骨料的1h吸水量和聚羧酸高效減水劑配制溶液含水量。考慮到珊瑚礁石破碎后所得珊瑚碎屑，包括粗骨料和部分細(xì)骨料，在實(shí)際配制混凝土?xí)r不便也無需進(jìn)行篩分，直接將珊瑚碎屑作為粗細(xì)骨料混合使用，其粗細(xì)骨料比例為33∶17，近似為2∶1[7]，因此實(shí)際配制珊瑚骨料混凝土?xí)r各原材料用量為：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，減水劑溶液21.6kg/m3(濃度20%，減水劑固體3.6kg/m3)。

2.3.2強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

推薦配合比混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

各組數(shù)據(jù)值均大于50MPa，按照試配強(qiáng)度計(jì)算公式求得混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于41.7MPa，說明本試驗(yàn)所用珊瑚混凝土達(dá)到C40的強(qiáng)度等級要求。

表6　試驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

(1)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析，混凝土的強(qiáng)度和施工性能受到水灰比、砂率等多種因素影響，各因素對試驗(yàn)結(jié)果的重要性為：水泥用量的影響遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)因素，粗骨料用量對其強(qiáng)度也有較明顯的影響，相比之下凈用水量的影響不大。由于珊瑚骨料的吸水和供水作用，在混凝土拌養(yǎng)時(shí)應(yīng)注意投料順序。

(2)強(qiáng)度等級C40的珊瑚骨料混凝土推薦配合比為：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，減水劑溶液21.6kg/m3(濃度20%，減水劑固體3.6kg/m3)。按此配合比制備的混凝土試塊28d強(qiáng)度均大于50MPa，其強(qiáng)度可靠且滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李林，趙艷林，呂海波，等. 珊瑚骨料混凝土力學(xué)性能的影響因素研究 [J].福建建材，2011(1):10-11.

[2]趙艷林，韓超，張栓柱. 海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土抗壓齡期強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].混凝土， 2011(2)：43-45.

[3]王磊，趙艷林，呂海波. 珊瑚骨料混凝土的基礎(chǔ)性能及研究應(yīng)用前景[J].混凝土,2012(2):99-100.

[4]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(s1):221-225.

[5]張春華，嚴(yán)云良. 醫(yī)藥數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]． 北京: 科學(xué)出版社,2001.

[6]UchikawahHS.Theroleofstericrepulsiveforceinthedispersionofcementpartidesinfreshpastepreparedwithprganicmixture[J].Cementandconcreteresearch, 1997(27):37-50.

[7]潘柏州. 珊瑚骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)及基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2014.

[8]丁建彤，郭玉順，木村薰. 結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].混凝土，2000(9)：23-25.

[9]宋培晶，劉小龍，丁建彤. 不同輕骨料吸水特性及其對混凝土性能的影響[J].混凝土，2001(6):49-52.

[10]李林，趙艷林，呂海波，等. 珊瑚骨料預(yù)濕對混凝土力學(xué)性能的影響[J].混凝土，2011(1)：85-86.

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號】TU528.59

[作者簡介]孫瀟(1992～),女，碩士研究生，研究方向:混凝土材料性能研究。

[定稿日期]2015-10-13