珊瑚骨料混凝土的循環(huán)再生試驗(yàn)研究

鐘何，趙羽習(xí)，盧予奇

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

近幾十年來(lái)，隨著海洋戰(zhàn)略地位的日益突出，各國(guó)遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)、海島建設(shè)加速推進(jìn)。珊瑚礁砂作為遠(yuǎn)海地區(qū)能替代天然砂石的骨料資源，可制備成珊瑚骨料混凝土用于工程建設(shè)，并已成為遠(yuǎn)海島礁建設(shè)的重要建筑材料。然而，珊瑚礁作為海洋中生物多樣性及生物生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)[1]，在粗放式捕撈、廢棄物污染、島礁建設(shè)挖掘等人類活動(dòng)及全球氣候變暖影響下，近幾十年內(nèi)已減少近50%[2-3]，海洋生態(tài)平衡受到了嚴(yán)重影響。加之，戰(zhàn)時(shí)遠(yuǎn)海島礁建筑設(shè)施若遭受軍事打擊需快速重建，傳統(tǒng)的內(nèi)陸砂石遠(yuǎn)洋運(yùn)輸及臨時(shí)開(kāi)采珊瑚礁資源均難以滿足作戰(zhàn)需求。為了協(xié)調(diào)海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)、海洋生態(tài)與軍事戰(zhàn)爭(zhēng)準(zhǔn)備三者之間關(guān)系，對(duì)珊瑚骨料混凝土的循環(huán)利用進(jìn)行系統(tǒng)研究十分必要。

有研究表明[4-10]，珊瑚礁是一種特殊類型的巖土，破碎后形成的骨料與天然骨料相比，具有多孔、質(zhì)輕、低強(qiáng)等特性，且表觀密度及堆積密度較低，吸水率較高。由珊瑚礁砂制備的珊瑚骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能較同等條件下的普通混凝土差[11-15]。同時(shí)，由于骨料性能缺陷，珊瑚骨料混凝土一般很難制備成高強(qiáng)混凝土，多在低強(qiáng)度場(chǎng)合應(yīng)用。珊瑚骨料混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)破壞后的質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度損失率比普通混凝土大[16]，且其抗氯離子侵蝕及抗收縮性能較差[15，17-19]。至于將珊瑚骨料混凝土破碎形成粗細(xì)骨料并進(jìn)行循環(huán)利用研究，目前尚未查閱到相關(guān)文獻(xiàn)。

本文將由南海海域珊瑚砂石制備而成的珊瑚骨料混凝土破碎形成再生珊瑚粗細(xì)骨料，分析骨料的物理性能，探索再生珊瑚骨料混凝土的配合比，并測(cè)試其力學(xué)及收縮變形性能，為珊瑚骨料混凝土循環(huán)利用研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 再生珊瑚粗細(xì)骨料試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所用再生珊瑚粗細(xì)骨料為廢棄珊瑚混凝土試塊經(jīng)課題組自行研發(fā)的箱式小型再生骨料生產(chǎn)線破碎制得。破碎后的再生珊瑚骨料按照母體混凝土強(qiáng)度等級(jí)分為R1（母體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C40）、R2（母體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50以上）兩類，如圖1所示。

對(duì)經(jīng)四分法縮分后的兩類再生珊瑚骨料性能進(jìn)行測(cè)試，參照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》及GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》測(cè)試再生珊瑚粗細(xì)骨料的吸水曲線、顆粒級(jí)配、表觀密度、堆積密度及壓碎指標(biāo)等基本性能。對(duì)GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010未明確的部分試驗(yàn)方法說(shuō)明如下：

（1）關(guān)于再生珊瑚細(xì)骨料吸水曲線測(cè)試。GB/T 25176—2010方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)骨料飽和面干吸水率WRS的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本研究結(jié)合容量瓶法測(cè)試細(xì)骨料隨時(shí)間變化的吸水曲線。將m=300 g再生珊瑚細(xì)骨料裝進(jìn)容量瓶，向內(nèi)加入清水至容量瓶刻度線處，稱量容量瓶、水以及細(xì)骨料總質(zhì)量m0，將此刻定為初始0時(shí)刻。晃動(dòng)容量瓶排除內(nèi)部氣泡，補(bǔ)充清水使液面重新達(dá)到容量瓶刻度線處，再次稱量容量瓶、水以及細(xì)骨料總質(zhì)量mt（t=5 min，10 min，30 min，…24 h），考慮到再生珊瑚細(xì)骨料在初始時(shí)刻即吸收部分水，假定骨料吸水24 h即達(dá)到飽和，則不同時(shí)刻再生珊瑚細(xì)骨料吸水率

（2）關(guān)于再生珊瑚骨料表觀密度測(cè)試?？紤]到珊瑚骨料多孔的特性，定義視密度為再生珊瑚粗細(xì)骨料近似密實(shí)狀態(tài)下的單位質(zhì)量，表觀密度為其自然狀態(tài)下的單位質(zhì)量。其中，前者僅考慮了固體物質(zhì)與封閉孔隙體積，后者則同時(shí)考慮了固體物質(zhì)、封閉孔隙與連通孔隙體積。通過(guò)視密度ρ0的測(cè)試（采用GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010規(guī)定方法），結(jié)合飽和面干吸水率WRS，可換算出骨料的表觀密度ρ，關(guān)系式為ρ=，其中ρw=1000 kg/m3。

1.2 再生珊瑚骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)

分別選取R1、R2兩類再生珊瑚粗細(xì)骨料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室配制的模擬海水制備再生珊瑚骨料混凝土，模擬海水離子濃度配比見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用P·O42.5基準(zhǔn)水泥，外加劑為聚羧酸高效減水劑（含固量40%、減水率20%），未摻其它礦物摻合料。

表1 模擬海水離子濃度配比 g/L

參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及以往珊瑚骨料混凝土配合比研究資料[5，7，20-22]，結(jié)合再生珊瑚骨料性能特點(diǎn)，試驗(yàn)組R1設(shè)置0.48、0.43、0.38、0.33、0.28等5種有效水灰比，試驗(yàn)組R2設(shè)置0.38、0.33、0.28、0.23等4種有效水灰比。其中，參考再生珊瑚粗細(xì)骨料堆積試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)組R1砂率為65%，試驗(yàn)組R2砂率為60%，附加用水量根據(jù)再生珊瑚粗細(xì)骨料10 min吸水率確定，減水劑摻量根據(jù)混凝土試配情況，總用量為水泥質(zhì)量的1.0%，再生珊瑚粗細(xì)骨料取代率均為100%。配合比設(shè)計(jì)如表2所示，編號(hào)中R1-48表示混凝土采用R1再生珊瑚粗細(xì)骨料進(jìn)行制備，且有效水灰比為0.48，其余編號(hào)依此類推。

表2 再生珊瑚骨料混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 再生珊瑚粗細(xì)骨料性能測(cè)試分析

2.1.1 顆粒級(jí)配（見(jiàn)圖2）

由圖2（a）可見(jiàn)，R1、R2粗骨料均為連續(xù)粒級(jí)，再生粗骨料公稱粒級(jí)為5～16 mm，按照GB/T 25177—2010，2種粗骨料僅在9.5 mm粒級(jí)篩余偏小，其它粒級(jí)均在限制范圍內(nèi)，故級(jí)配良好。

由圖2（b）計(jì)算可得，R1、R2細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)分別為3.17、3.70，均屬于粗砂，2種細(xì)骨料各號(hào)篩的累計(jì)篩余基本在Ⅰ級(jí)配區(qū)內(nèi)，僅R2細(xì)骨料在2.36 mm粒級(jí)略高于GB/T 25176—2010的限值，總體級(jí)配良好。

2.1.2 吸水率（見(jiàn)表3）

表3 再生珊瑚粗細(xì)骨料的吸水率

由表3可見(jiàn)：

（1）R1、R2粗骨料飽和面干吸水率分別為9.6%、8.6%，均超出GB/T 25177—2010中Ⅲ類指標(biāo)限值，且略高于母體廢棄混凝土珊瑚粗骨料的吸水率（7.6%）[23]。主要是因?yàn)樵偕汉鞔止橇媳砻娓街嗌皾{，致使骨料吸水率增大，同時(shí)R2母體混凝土砂漿水灰比較R1小，其珊瑚粗骨料表面包裹砂漿致密程度高，因此R2粗骨料吸水率低于R1。

（2）再生珊瑚粗骨料在前10 min內(nèi)基本完成吸水過(guò)程，然后吸水速率變化逐漸變緩。R1粗骨料2 min、10 min吸水率分別達(dá)到飽和狀態(tài)的85.4%、90.6%，R2粗骨料則分別達(dá)到飽和狀態(tài)的84.9%、89.5%。前期吸水速率較高主要是因?yàn)椋偕汉鞔止橇洗嬖谳^多孔隙，且孔隙間相互連通程度較高，降低水分滲透的阻力。

（3）R1、R2細(xì)骨料飽和面干吸水率分別為12.0%、11.0%。細(xì)骨料吸水過(guò)程基本集中于前30 min完成，R1細(xì)骨料5 min、30 min吸水率分別達(dá)到飽和狀態(tài)的76.4%、93.1%，R2粗骨料則分別達(dá)到飽和狀態(tài)的81.8%、89.7%。前者吸水率更大，其規(guī)律與粗骨料一致。

（4）當(dāng)再生珊瑚粗細(xì)骨料來(lái)源為同一母體混凝土?xí)r，再生珊瑚細(xì)骨料吸水率高于再生珊瑚粗骨料，R1、R2細(xì)骨料飽和面干吸水率分別比R1、R2粗骨料提高26.3%、28.4%。主要是因?yàn)榧?xì)骨料表面附著舊砂漿比例更高，且在破碎過(guò)程中粗骨料內(nèi)部封閉孔隙會(huì)變?yōu)榧?xì)骨料連通孔隙，加之機(jī)械反復(fù)損傷，微裂縫增多，故再生珊瑚細(xì)骨料的吸水率較高。

2.1.3 視密度、表觀密度（見(jiàn)表4）

表4 再生珊瑚骨料的視密度、表觀密度和堆積密度

由表4可見(jiàn)，兩類粗細(xì)骨料視密度在2520～2685 kg/m3、表觀密度在2014～2098 kg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，視密度、表觀密度與母體混凝土來(lái)源有關(guān)，R2粗細(xì)骨料視密度、表觀密度略高于R1，但兩者差距并不明顯。

取無(wú)量綱參數(shù)H為同種骨料視密度與表觀密度之比值，該比值越大表明骨料的孔隙率越高，其中，HR1粗骨料=1.24，HR2粗骨料=1.22，HR1細(xì)骨料=1.33，HR2細(xì)骨料=1.30。課題組曾采取同樣的試驗(yàn)方法測(cè)試了寧波地區(qū)的普通再生骨料，其再生粗細(xì)骨料H參數(shù)分別為1.09、1.16，分別低于本文再生珊瑚粗細(xì)骨料。主要是因?yàn)樯汉鞴橇腺|(zhì)地較疏松，再生珊瑚粗骨料連通孔隙也就較多。同時(shí)，同類粗骨料的H值小于細(xì)骨料，這是因?yàn)榧?xì)骨料附著舊砂漿比例較高，有更多的連通孔隙，在提高吸水率的同時(shí)，降低了骨料表觀密度。

2.1.4 堆積密度

由表4可見(jiàn)，兩類骨料松散堆積密度在1044～1307 kg/m3、緊密堆積密度在1178～1387 kg/m3范圍波動(dòng)，再生珊瑚細(xì)骨料松散堆積密度已達(dá)到GB/T 25176—2010中Ⅰ類指標(biāo)要求，振動(dòng)密實(shí)后再生珊瑚骨料堆積密度提高了9.2%～12.8%。主要是因?yàn)?，在外部振?dòng)和骨料自重作用下，尺寸較小的骨料能夠更好地填充大骨料之間的空隙，而兩類再生珊瑚骨料均屬于連續(xù)粒級(jí)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)逐級(jí)填充，因而緊密堆積密度提高明顯。再生珊瑚粗細(xì)骨料的堆積曲線如圖3所示。

由圖3（a）、（b）可見(jiàn)，R1、R2粗細(xì)骨料混合料堆積密度分別在細(xì)骨料質(zhì)量占粗、細(xì)骨料總質(zhì)量比例為80%、70%時(shí)達(dá)到最大值。此比值遠(yuǎn)大于一般骨料混凝土[24-27]。主要是因?yàn)樵偕汉鞔止橇狭椒秶浅Ｐ。偕汉骷?xì)骨料粒徑范圍較寬，在細(xì)骨料比例較大時(shí)才能形成密實(shí)的堆積體?？紤]到試驗(yàn)所備再生珊瑚骨料數(shù)量較少，根據(jù)堆積密度試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)原材料情況，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)R1砂率確定為65%，R2砂率確定為60%，以此進(jìn)行后續(xù)再生珊瑚骨料混凝土試驗(yàn)。

2.1.5 壓碎指標(biāo)

R1、R2粗骨料壓碎指標(biāo)分別為24%、23%，均達(dá)到GB/T 25177—2010中Ⅲ類再生骨料要求，即在30%范圍內(nèi)。R1、R2細(xì)骨料壓碎指標(biāo)分別為13%、12%，均達(dá)到GB/T 25176—2010中Ⅰ類再生骨料要求，即在20%范圍內(nèi)。2種骨料在荷載作用下抵抗破裂的能力接近，R2較R1更優(yōu)。

值得注意的是，再生珊瑚粗骨料遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)細(xì)骨料壓碎指標(biāo)，這與一般再生骨料不同。主要是因?yàn)?，?duì)于一般再生骨料，天然砂石堅(jiān)硬程度遠(yuǎn)高于附著其上的舊砂漿，且天然細(xì)骨料上附著更高比例舊砂漿，因此再生細(xì)骨料壓碎指標(biāo)較高。而珊瑚混凝土中珊瑚骨料并不比舊砂漿更堅(jiān)硬，而在粗骨料破碎為細(xì)骨料過(guò)程中部分較為薄弱的界面已在荷載作用下破裂，因此再生珊瑚細(xì)骨料壓碎指標(biāo)反而更低。

2.2 再生珊瑚骨料混凝土性能分析

2.2.1 力學(xué)性能

再生珊瑚骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度如表5所示，其他力學(xué)性能如表6所示。

表5 再生珊瑚骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

表6 再生珊瑚骨料混凝土其他力學(xué)性能

由表5可見(jiàn)，R1-28、R2-23組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為35.5、42.5 MPa，分別達(dá)到了預(yù)設(shè)的C25、C30強(qiáng)度目標(biāo)，但相較于母體廢棄混凝土，循環(huán)再生后的混凝土強(qiáng)度等級(jí)有較大幅度的降低。隨著有效水灰比減小，采用R1、R2兩種骨料制備的再生珊瑚骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度明顯提高，有效水灰比相同條件下，R2骨料制備的混凝土較R1骨料制備的略高，但是差距微小，這是因?yàn)镽1、R2兩種骨料母體混凝土珊瑚礁砂來(lái)源一致，R2骨料性能整體上略高于R1骨料。兩種珊瑚骨料混凝土3 d齡期立方體抗壓強(qiáng)度就達(dá)到28 d齡期的72%～84%，7 d齡期達(dá)到28 d齡期的85%～96%，這表明再生珊瑚骨料混凝土具有顯著的早強(qiáng)特性，與珊瑚混凝土類似[6，7，19，21-22]。

由表6可見(jiàn)：

（1）再生珊瑚骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值較普通再生骨料混凝土經(jīng)驗(yàn)值小[28]。主要原因是，再生珊瑚骨料表面粗糙程度大，與漿體機(jī)械咬合力強(qiáng)，且再生珊瑚骨料存在吸水吐水的微泵效應(yīng)，促進(jìn)了界面過(guò)渡區(qū)的水泥水化，因此再生珊瑚骨料混凝土界面過(guò)渡區(qū)也就不比骨料本身更脆弱，致使界面過(guò)渡區(qū)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而削弱混凝土的環(huán)箍效應(yīng)現(xiàn)象變?nèi)酢?/p>

（2）再生珊瑚骨料混凝土R2-23劈裂抗拉強(qiáng)度較R1-28高，這是因?yàn)镽2再生珊瑚骨料本身性能較好，且R2-23有效水灰比較小。劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值處在普通混凝土1/10～1/20經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，與普通再生骨料混凝土也比較相近[29-31]，這表明再生珊瑚混凝土延性尚可。

（3）根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，C25與C30強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土彈性模量為2.80×104MPa與3.00×104MPa，再生珊瑚骨料混凝土R1-28與R2-23彈性模量比普通混凝土規(guī)范值分別低27.4%、22.0%，這是因?yàn)樵偕汉鞴橇献陨韯偠确浅５?，?duì)漿體變形的限制作用相對(duì)較弱。根據(jù)母體混凝土研究數(shù)據(jù)，R1與R2母體廢棄珊瑚混凝土彈性模量分別為2.55×104MPa（C30強(qiáng)度等級(jí)）與2.70×104MPa（C50強(qiáng)度等級(jí)），R1-28與R2-23彈性模量較母體廢棄珊瑚混凝土分別低19.2%、13.3%，顯然經(jīng)歷循環(huán)再生后，混凝土多項(xiàng)力學(xué)性能都有所降低。

2.2.2 變形性能

再生珊瑚混凝土收縮率隨時(shí)間的變化如圖4所示。

由圖4可知，R1-28與R2-23收縮率非常高，28 d后超過(guò)800×10-6，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采取措施預(yù)防收縮裂縫的形成。相較而言R1-28收縮率更大，這是因?yàn)镽1-28有效水灰比更大，水分蒸發(fā)量也就更多。

文獻(xiàn)[32]對(duì)C25與C30強(qiáng)度等級(jí)珊瑚混凝土收縮率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，珊瑚骨料混凝土28 d收縮率小于400×10-6，遠(yuǎn)低于再生珊瑚骨料混凝土。這是因?yàn)楦鶕?jù)本試驗(yàn)再生珊瑚骨料混凝土配合比，骨料用量較少，膠凝材料用量較多，加之再生珊瑚骨料本身帶有部分舊砂漿，水化反應(yīng)非常劇烈，因此收縮率也比一般珊瑚混凝土大。

3 結(jié)論

（1）再生珊瑚骨料質(zhì)地比較疏松，粗骨料飽和面干吸水率達(dá)到8.6%～9.6%，壓碎指標(biāo)達(dá)到23%～24%；細(xì)骨料飽和面干吸水率達(dá)到11.0%～12.0%，壓碎指標(biāo)達(dá)到12%～13%。

（2）再生珊瑚骨料混凝土力學(xué)性能較母體混凝土低，母體廢棄珊瑚混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C40時(shí)，相應(yīng)再生珊瑚骨料混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到35.5 MPa，廢棄珊瑚混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50時(shí)最高達(dá)到42.5 MPa。

（3）再生珊瑚混凝土具有顯著早強(qiáng)特性，3 d齡期抗壓強(qiáng)度就達(dá)到28 d齡期的72%～84%，收縮變形也較為劇烈，28 d收縮率大于800×10-6。