水泥種類和水膠比對人工魚礁生態(tài)混凝土基本性能的影響

張思雨，叢干文，孫嘉卿，劉君實，劉妍，全洪珠

(青島農(nóng)業(yè)大學建筑工程學院，山東青島 266109)

人工魚礁是人為在海中設(shè)置的構(gòu)造物，其目的是改善海域生態(tài)系統(tǒng)，營造海洋生物棲息的良好環(huán)境，保護、增殖和提高漁獲量。為了大力推進國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部修訂了《國家級海洋牧場示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2017—2025年)》[1]，而人工魚礁是海洋牧場的重要組成部分，建設(shè)人工魚礁是修復海洋生態(tài)環(huán)境、促進海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一條有效途徑[2]。目前，普遍使用的鋼筋混凝土人工魚礁存在耐久性差、堿性強等諸多問題，使人工魚礁服役壽命低于設(shè)計指標，不利于人工魚礁向生態(tài)功能化方向發(fā)展[3]。近年來，對普通混凝土人工魚礁的研發(fā)及應(yīng)用較多，但使用不同種類水泥制備人工魚礁生態(tài)混凝土并進行性能研究的相對較少[4]。作者在前期試驗數(shù)據(jù)和成果的基礎(chǔ)上[5-7]，使用普通硅酸鹽水泥(P.O)、硫鋁酸鹽水泥(R.SAC)、高抗折超硫酸鹽水泥(SSC)和堿激發(fā)水泥(AAC)等4種水泥制備人工魚礁生態(tài)混凝土，并對其力學性能、耐久性能和生態(tài)性能進行試驗研究，為生態(tài)功能型混凝土人工魚礁的工程應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

使用的4種水泥的物理力學性能見表1；礦物摻合料選用青島電廠生產(chǎn)的S95級礦粉和Ⅱ級粉煤灰；細骨料使用中砂，表觀密度為2 630 kg/m3，吸水率為2.2%；粗骨料使用5～20 mm花崗巖質(zhì)碎石，其物理性能見表2；減水劑使用聚羧酸高效減水劑，外觀為茶色液體，pH=7.9，減水率達25%～35%；拌和用水使用自來水。

表1 4種水泥物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of four kinds of cement

表2 所選粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of natural coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計

共設(shè)計7組配合比(表3)，一方面研究水膠比為0.5時不同水泥種類的影響，另一方面以普通硅酸鹽水泥(摻礦粉、粉煤灰)為對象，研究不同水膠比(分別為0.5、0.45和0.42)的影響?；炷聊繕颂涠葹?80～200 mm，通過調(diào)整減水劑用量來確定坍落度。設(shè)計試件編號記為“水泥種類-水膠比”形式。

表3 生態(tài)混凝土試件的配合比設(shè)計Table 3 Mix design of ecological concrete specimen

1.3 試驗方法

在攪拌混凝土時，先將膠凝材料和細骨料投入強制式攪拌機攪拌30 s，然后投入摻有減水劑的水并攪拌60 s，最后投入粗骨料并攪拌90 s，使混凝土拌和均勻。

采用人工插搗的方法裝模，24 h后拆模，將試件置于(20±2)℃、相對濕度大于95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，到規(guī)定齡期后進行各項性能測試，包括測試抗壓強度、抗折強度、抗氯離子和硫酸鹽侵蝕性能、混凝土pH值、有害物質(zhì)及放射性等。測試抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕性能試驗、混凝土pH試驗時，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；測試抗折強度時，試件尺寸為100 mm×100 mm×550 mm；測試抗氯離子滲透性能時，試件為直徑(100±1)mm、高(50±2)mm的圓柱體。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥種類和水膠比對生態(tài)混凝土28 d強度的影響

混凝土28 d抗壓強度和抗折強度測試結(jié)果見表4。由表4可知：在水膠比相同時，SSC人工魚礁生態(tài)混凝土的抗壓強度和抗折強度明顯高于其他組的，抗壓強度比其他組的提高了11%～24%，抗折強度比其他組的提高了57%～70%。這表明，利用SSC制備的人工魚礁生態(tài)混凝土力學性能較好。另外，根據(jù)表4，P.FS人工魚礁生態(tài)混凝土的力學性能隨水膠比的增大而降低。

表4 生態(tài)混凝土試件28 d抗壓強度和28 d抗折強度Table 4 28 days’compressive strength and 28 days’flexural strength of ecological concrete specimens

2.2 水泥種類和水膠比對生態(tài)混凝土耐久性能的影響

為應(yīng)對海洋環(huán)境中氯離子和硫酸鹽的侵蝕，生態(tài)混凝土人工魚礁要比普通混凝土人工魚礁具有更高的結(jié)構(gòu)耐久性[8]。為準確研究人工魚礁生態(tài)混凝土抗氯離子滲透性能，采用電通量法和交流電測量法兩種方法進行試驗[9-10]。各生態(tài)混凝土試件的電通量和電阻率見表5。

表5 生態(tài)混凝土試件電通量和電阻率Table 5 Electrical flux and resistivity of ecological concrete specimens

由表5可知：使用電通量法測量時，不同水泥人工魚礁混凝土的抗氯離子滲透性能強弱順序為SSC-0.5>P.FS-0.5>AAC-0.5>R.SAC-0.5>P.O-0.5；使用交流電測量法時，抗氯離子滲透性能強弱順序為SSC-0.5>AAC-0.5>R.SAC-0.5>P.FS-0.5>P.O-0.5。兩種方法都說明：混凝土抗氯離子滲透性能與水膠比呈反比，且4種水泥中，SSC制備的人工魚礁生態(tài)混凝土抗氯離子滲透性能最好，P.O的最差。

人工魚礁生態(tài)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗結(jié)果見表6。由表6可知：進行30次干濕循環(huán)后，7組混凝土試件的抗壓強度耐蝕系數(shù)都大于100%；進行90次干濕循環(huán)后，7組混凝土試件的抗壓強度耐蝕系數(shù)均有所下降。這主要是因為在干濕循環(huán)初期，干濕循環(huán)作用在一定程度上能夠增進水泥的水化。烘干過程中，溫度升高使未完全水化的水泥顆粒在游離水存在的條件下繼續(xù)水化，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，增加了生態(tài)混凝土的密實性[11]。另外，有少量硫酸鹽滲到界面過渡區(qū)，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成鈣礬石，體積膨脹，增加了界面處密實度，使界面過渡區(qū)得到一定程度的優(yōu)化。但進行到90次干濕循環(huán)時，由于水泥顆粒的持續(xù)水化和硫酸鹽侵蝕損傷的不斷積累，標準養(yǎng)護試件后期的抗壓強度大幅提高，導致耐蝕系數(shù)減小[12-13]。

表6 生態(tài)混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能測試Table 6 Test on sulfate resistance of ecological concrete specimens

由表6可知：混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能與水膠比呈反比。另外，進行90次干濕循環(huán)后，R.SAC-0.5、SSC-0.5、AAC-0.5的抗壓強度耐蝕系數(shù)仍大于100%，表明SSC生態(tài)混凝土、R.SAC生態(tài)混凝土和AAC生態(tài)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能較好。由表5、表6可知,降低混凝土的水膠比能夠提高混凝土在酸性環(huán)境下的耐久性[14]。綜合分析耐久性試驗，SSC生態(tài)混凝土抗酸鹽類侵蝕性能較好，P.O生態(tài)混凝土較差。

2.3 水泥種類和水膠比對生態(tài)混凝土生態(tài)性能的影響

生態(tài)性主要從生態(tài)混凝土對海水pH值的影響、生態(tài)混凝土有害物質(zhì)含量、生態(tài)混凝土放射性方面研究?；炷猎嚰H值測試結(jié)果見表7。

表7 生態(tài)混凝土試件pH值Table 7 Test results of pH value of ecological concrete specimens

分析表7中的數(shù)據(jù)，1～14 d，7組混凝土試件海水pH值均明顯升高，14 d之后，pH值增長速度變緩，甚至pH值下降。這是因為，水泥在水化過程初期會釋放硅酸鈣和氫氧化鈣等多種堿性物質(zhì)，導致海水pH值升高，之后水化速度減慢，析出的OH—相對變少[15]。表7顯示：隨著水膠比的減少，水泥量增多，析出的堿性物質(zhì)增多，pH值也隨之升高；水膠比相同時，與其他組相比，SSC-0.5溶出液28 d pH值低0.09～1.31，內(nèi)部pH值低0.13～1.03。因此，SSC生態(tài)混凝土的堿性較低，對海水水質(zhì)的影響更小[16]。

對7組人工魚礁生態(tài)混凝土試件進行重金屬檢測[17]的結(jié)果見表8?？梢钥闯?，7組混凝土試件均沒有重金屬污染物超標現(xiàn)象，滿足國家規(guī)范要求[18]。對7組生態(tài)混凝土試件進行放射性檢測，結(jié)果見表9，說明7組混凝土試件放射性核素限值均滿足規(guī)范要求[18]。

表9 生態(tài)混凝土試件放射性核素限值Table 9 Radionuclide limits of ecological concrete specimens 單位：Bq/kg

表8 生態(tài)混凝土試件重金屬含量Table 8 Test results of heavy metals in ecological concrete specimens 單位：mg/kg

3 結(jié)論

使用4種不同種類的水泥制備人工魚礁生態(tài)混凝土，研究其力學性能、耐久性能和生態(tài)性能，得到如下結(jié)論。

(1)力學性能方面，水膠比相同時，與其他組相比，高抗折超硫酸鹽水泥(SSC)人工魚礁生態(tài)混凝土抗壓強度提高11%～24%，抗折強度提高57%～70%。

(2)耐久性能方面，水膠比相同時，高抗折超硫酸鹽水泥(SSC)生態(tài)混凝土、硫鋁酸鹽水泥(R.SAC)生態(tài)混凝土和堿激發(fā)水泥(AAC)生態(tài)混凝土的抗酸鹽侵蝕性能較好；隨著水膠比的降低，混凝土抗酸鹽侵蝕性能增強。

(3)生態(tài)性能方面，水膠比相同時，與其他組相比，高抗折超硫酸鹽水泥(SSC)制備的生態(tài)混凝土堿性較弱，對海水水質(zhì)的影響更??；隨著水膠比的減少，混凝土pH值升高；制備的7組人工魚礁生態(tài)混凝土的重金屬和放射性物質(zhì)含量均未超標，滿足國家規(guī)范要求。

(4)綜合考慮7組人工魚礁生態(tài)混凝土的力學性能、耐久性能和生態(tài)性能，高抗折超硫酸鹽水泥(SSC)更適合用于制備人工魚礁生態(tài)混凝土。