珊瑚礁砂细骨料基本性能研究

紫 民,刘旷怡,刘 松,秦明强

(1.海军91058部队,三亚 572000;2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉 430040)

珊瑚礁砂细骨料基本性能研究

紫 民1,刘旷怡2,刘 松2,秦明强2

(1.海军91058部队,三亚 572000;2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉 430040)

对比分析了珊瑚礁砂细骨料与天然河砂、机制砂之间性能差异,并采用微观测试方法分析了珊瑚礁砂的化学成分与微观形貌。结果表明,珊瑚礁砂细骨料具有细度模数小、轻质、多孔与吸水率高等特点;其主要岩相为方解石,主要化学成分为碳酸钙;其表面粗糙,布满孔隙,具有多层状结构与笼状结构。采用珊瑚礁砂配制混凝土较天然河砂混凝土需提高单方用水量与外加剂掺量,适当降低容重。

珊瑚礁砂; 微观形貌; 细骨料; 配合比设计

我国远海岛礁远离大陆,建筑材料和淡水资源缺乏,若采用天然砂石作为骨料配制混凝土用于岛礁建设,海上运输任务艰巨且运输成本高,在一定程度上制约我国对远海的大规模建设和资源开发。远海岛礁上具有丰富珊瑚礁砂资源,利用珊瑚礁砂作为细骨料,配制素混凝土结构,如护岸、防波堤等,不仅可以摆脱远距离海上运输的制约,而且能够大幅度节省工程造价[1]。

珊瑚礁砂为珊瑚虫死后的产物,在水动力的冲刷作用下分解,推挤形成礁坪相或是湖相堆积物,这些松散堆积物即为珊瑚碎块和珊瑚礁砂,其中混杂有珊瑚藻和其他海洋生物的骨骼碎屑[2]。利用珊瑚礁砂替代细集料配制混凝土,国内外开展了一定的研究。美国土木工程标准规定如在缺乏常规骨料,工程建设可使用珊瑚骨料作为混凝土骨料,并在太平洋的岛屿上建造了珊瑚混凝土的建筑物;国内对利用珊瑚、珊瑚礁砂配制混凝土的研究不多,基本上处于实验室研究阶段,尚无工程案例方面的文献报道。

研究将对比分析珊瑚礁砂细骨料与常用的天然河砂、机制砂之间的差异,并进行珊瑚礁砂细骨料化学成分及形貌分析;通过配制混凝土对比分析,珊瑚礁砂细骨料与天然河砂骨料在混凝土工作性能、力学性能等方面的差异。

1 试验材料与方法

1.1 材料

试验所用珊瑚礁砂来自某岛礁,机制砂为宁波某石料有限公司生产,河砂为武汉天然河砂。

1.2 试验方法

岩相分析采用偏光显微镜,分析其主要矿物。元素分析采用X射线荧光光谱分析确定珊瑚礁砂所含元素的种类和含量;利用热重与差热分析对珊瑚礁砂加热过程中发生的相变、脱水、分解或化合过程进行分析;通过扫描电镜对珊瑚礁砂的微观形貌进行观察,分析珊瑚礁砂表面的形貌特点。

2 试验结果与讨论

2.1 基本性能

按照《建设用砂》(GB/T 14684—2011)规定的试验方法对珊瑚礁砂、机制砂与河砂的基本性能参数进行测试,试验结果见表1、级配曲线见图1。

该工程主要产出各类农产品，考虑到科学技术的进步，农作物品种和灌水技术的不断改进，产量会不断提高，工程计算期内预测的产量可能偏小，因此按效益增加10%分析对评价指标的影响程度。另外，考虑到农作物产量受气候、病虫害防治措施和来水量的影响，效益会明显降低，所以按效益减少10%分析指标变化。

表1 珊瑚礁砂、河砂和机制砂的物理性能对比

由图1可知,珊瑚礁砂偏细,位于3区。由表1可知,试验用珊瑚礁砂细度模数较小、属细砂;表观密度与堆积密度均小于河砂与机制砂,由珊瑚礁砂多孔造成;空隙率和吸水率大于河砂与机制砂,氯离子含量也明显高于河砂与机制砂。以上指标的差异会一定程度影响混凝土性能。

将珊瑚礁砂进行磨片,在单偏光镜下观察岩相的颜色、多色性、晶体的形态、晶体的完成程度,生长方向以及解理,同时在正交偏光镜下观察干涉色,消光类型,消光角度、延性、双晶,根据不同的晶体形态、消光的规律和延性确定岩相的种类。岩相分析的结果见表2。

表2 珊瑚礁砂、机制砂和河砂岩相分析

从表2可看出,珊瑚礁砂、机制砂和河砂主要矿物存在较大差异。珊瑚礁砂主要为方解石,含量90%以上;机制砂则与母岩岩性一致,研究的机制砂主要为硅质灰岩;河砂主要为石英。

2.2 化学成分及形貌分析

2.2.1 元素分析

采用X射线荧光光谱分析(XRF)对珊瑚礁砂元素组成及含量进行分析,结果见表3。珊瑚礁砂中CaO与CO2含量较高,分别达到了47.675%与44.779%,初步分析珊瑚礁砂的主要成分为钙盐,碳酸钙的可能性较高,结合之后X射线衍射图谱与岩相分析可确定珊瑚礁砂的主要矿物组成以及晶体类型。

表3 珊瑚礁砂元素分析结果w/%

为确定珊瑚礁砂内部的分子结构,对珊瑚礁砂进行X射线衍射(XRD)图谱分析。图2中所示为珊瑚礁砂的XRD图谱,衍射峰最显著的两种晶相是(Ca,Mg)CO3和CaCO3,分别为白云石与方解石的主要晶相。白云石和方解石是典型的异质同晶现象,CaCO3晶体结构上的Ca2+离子被性质相近的Mg2+离子替换,共同结晶成单相晶体,而没有改变晶体的结构和键性。结合元素分析可知,Mg O含量为2.47%,可知珊瑚礁砂中大部分为方解石,存在少量白云石,这与岩相分析结果一致。比白云石和方解石的峰稍弱的是NaCl晶体的衍射峰,这是因为珊瑚礁石长期浸泡在海水中,海水中的盐分浸入到珊瑚礁砂中。

2.2.3 热重与差热

珊瑚礁砂热重与差热分析结果如图3所示,在0～1 000℃范围内可明显看到碳酸盐分解的吸热收峰和质量变化,其他温度未见明显波动,这与前面成分的分析结果一致。

2.2.4 珊瑚礁砂表面形貌

扫描电子显微镜(SEM)测试珊瑚礁砂表面形貌观察所得如图4所示,由图中可以看到珊瑚礁砂的表面粗糙,布满孔隙,存在很多层状结构与笼状结构。珊瑚礁砂的这种微观形貌特点导致其具有较大的比表面积,使用珊瑚礁砂配制混凝土会比天然河砂的需水量要大。另一方面,表面粗糙同时也会造成珊瑚礁砂颗粒之间摩擦力较大,填充能力降低,在级配接近的情况下,孔隙率会大于颗粒光圆的河砂。

2.3 混凝土性能对比分析

通过上述测试可知珊瑚礁砂主要以方解石为主,碳酸钙含量达到95%以上,具有轻质、空隙率大、吸水性强等特点,因此,采用珊瑚礁砂作为细骨料配制混凝土与河砂具有较大的差异。采用河砂和珊瑚礁砂配制C30强度等级的混凝土,比较珊瑚礁砂混凝土和河砂混凝土工作性和力学性能的差别。配合比见表4,珊瑚礁砂与河砂混凝土性能对比见表5。

表4 C30混凝土配合比

表5 珊瑚礁砂与河砂混凝土性能对比

2.3.1 工作性能

为了使珊瑚礁砂混凝土具有较好的工作性能,单方用水量达到了218 kg/m3、外加剂掺量高达胶凝材料用量的2%,在该用水量情况下河砂混凝土不需要掺入外加剂坍落度即可达到180 mm以上。

珊瑚礁砂具有较多的孔隙、吸附性强,亚甲蓝值测试结果达到了1.2;同时,珊瑚礁砂具有表面粗糙、多棱角的特点,使得颗粒间相互咬合、流动阻力增大,相较于颗粒圆滑的河砂,工作性能会有明显的降低。因此,为保证珊瑚礁砂混凝土的工作性能要求,配制珊瑚礁砂混凝土时应提高单方用水量,外加剂掺量也应考虑珊瑚礁砂的吸附作用。为使珊瑚礁砂混凝土获得较好的流动性,可适当提高胶材用量和使用一定量的矿物掺合料,同时也改善了混凝土的泌水性和粘聚性[3]。

同时,由于珊瑚礁砂轻质的特点,拌制混凝土的容重会明显小于河砂混凝土,对于重力式混凝土结构,需要考虑结构物的尺寸。

2.3.2 抗压强度

抗压强度试验结果表明,珊瑚礁砂混凝土的抗压强度与天然河砂混凝土无明显差异。珊瑚礁砂混凝土的抗压强度主要受以下几个方面的共同影响,与普通混凝土相比更为复杂:首先,在珊瑚混凝土硬化之前,由于珊瑚礁砂颗粒表面凹凸不平的特点,水泥浆体会进入珊瑚骨料表面地势较低的部分,填补珊瑚礁砂表面的空洞,以至于强化了珊瑚骨料与水泥浆体的界面啮合作用,使得珊瑚骨料-水泥浆体的界面黏结力较普通骨料-水泥浆体的界面黏结力大。其次,珊瑚骨料由于其多孔结构具有吸水和供水作用—吸水作用使珊瑚骨料附近处于局部低水灰比的状态,供水作用使珊瑚骨料附近的水泥在后期能充分水化,进一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密实度。再次,由于珊瑚礁砂中存在较高含量的氯离子,氯离子作为一种早强剂会对珊瑚礁砂混凝土强度的发展造成影响[4]。最后,珊瑚礁砂本身的低强度,可能会使珊瑚礁砂混凝土的强度降低。

3 结 论

a.珊瑚礁砂细骨料具有细度模数小、轻质、多孔与吸水率高等特点;其主要岩相为方解石,主要化学成分为碳酸钙;其表面粗糙,布满孔隙,具有多层状结构与笼状结构。

b.采用珊瑚礁砂配制混凝土较河砂混凝土需提高单方用水量与外加剂掺量,适当降低容重。

[1] 孙宗勋.南沙群岛珊瑚礁砂工程性质研究[J].热带海洋,2000,19(2):1-4.

[2] 潘柏州.韦灼彬.原材料对珊瑚砂混凝土抗压强度影响的试验研究[J].工程力学,2015,32:221-224.

[3] 张 伟,刘 丹,徐世君.利用海砂海水生产混凝土-海洋岛礁混凝土发展的新方向.商品混凝土,2015(1):4-7.

[4] 张栓柱.珊瑚混凝土的疲劳特性及微观机理研究[D].广西大学,2012.

Study on the Basic Properties of Coral Sand Used as Fine Aggregate

ZI Min1,LIU Kuang-yi2,LIU Song2,QIN Ming-qiang2
(1.Navy 91058 Force,Sanya 572000,China;2.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.Ltd,Wuhan 430040,China)

The differences in performance between the coral reef sand,mechanism sand and natural sand were studied,and microscopic test methods were used to investigate the chemical composition and microstructure of different sands.The results showed that,the fineness module of the coral reef sand was small,and it was light and porous.The water absorption was high.The main lithofacies of the coral reef sand was calcite carbonatite,and the main composition was calcium carbonate.The surface of the coral reef sand was rough and existed a lot of pores.The water consumption and the dosage of additive of the coral reef sand concrete were higher,and density was lower than that of natural sand.

coral reef sand; microstructures; fine aggregate; mix design

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.003

2015-06-14.

紫 民(1975-),硕士,高级工程师.E-mail:dzqinmq@tom.com