自然条件下半干珊瑚砂混凝土配制技术

陈飞翔，张国志，丁沙，秦明强，刘旷怡

（1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北武汉430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040）

自然条件下半干珊瑚砂混凝土配制技术

陈飞翔1，张国志1，丁沙1，秦明强2，刘旷怡2

（1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北武汉430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040）

海洋工程建设过程中，考虑到工程现场降水频繁，不可能长时间晾晒珊瑚砂，因此珊瑚砂在使用时是一种半干状态。通过研究自然状态下半干珊瑚砂的性能，对于使用珊瑚砂配制海洋工程混凝土，降低施工成本，具有极高的研究意义及应用价值。试验结果表明，珊瑚砂早期吸水速率非常快，2 h吸水率达到了2.5%，10 h以后吸水速度逐渐变缓，48 h的吸水率达到了6.4%，远超一般的天然砂的吸水率，吸水速率在8 h时存在着一个明显的拐点，此时吸水率约为5.3%，是48 h吸水率的83%。选取吸水特征点的含水率4%~6%作为计算附加用水量，并以此确定的总水胶比以及净水胶比是合理的，能够反映珊瑚砂混凝土实际的净水胶比情况，预湿可明显改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力学性能。

珊瑚砂；吸水率；净水胶比；预湿

海洋工程建设远离大陆，物资、淡水资源匮乏，若使用传统的建筑材料进行海洋工程施工，不仅存在着海上运输任务艰巨、运输成本过高的问题，而且传统的建筑材料在海洋气候环境下耐久性差、服役寿命短，严重制约了人类对海洋的大规模建设、管理和资源开发。为了解决上述问题，可以考虑充分利用海洋工程周边的原材料来进行工程建设，例如可以利用珊瑚砂作为细骨料，配制一些不需要配筋的海洋工程混凝土结构，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[1-6]。利用珊瑚砂取代传统细骨料如天然河砂配制混凝土，国内外开展了一定的研究，美国土木工程标准规定了如缺乏常规骨料，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骨料混凝土的建筑物；国内对利用珊瑚骨料配制混凝土的研究并不多，基本上还处于实验室研究阶段，尚无工程案例方面的文献报道。

此外，海洋工程建设一般都处于海洋性季风气候，雨量充沛，湿度大，季风明显，受台风影响严重，全年有效的施工作业时间不到1/3。在工程现场发现，珊瑚砂经过一段时间的晾晒，依然无法完全晾干，对工程现场使用的珊瑚砂的含水率进行测试，一般在7%左右。这一方面是因为珊瑚砂多孔、吸水率较高，降水时会吸收大量的水分，另一方面是因为空气湿度太大，风干效率较低。考虑到工程现场降水频繁，不可能长时间晾晒珊瑚砂，因此珊瑚砂使用时的含水率依然保持在较高的水平，是一种半干的状态。

通过研究自然状态下半干珊瑚砂的一系列性能，对于使用珊瑚砂取代天然河砂配制海洋工程混凝土，降低施工成本，具有极高的研究意义及应用价值。

1 原材料

1.1 珊瑚砂

试验中所用珊瑚砂为天然珊瑚砂（见表1）。

表1 珊瑚砂的物理性能Table 1Physical properties of coral sand

从表1中可知，珊瑚砂的表观密度、松散堆积密度和紧密堆积密度均要明显小于河砂，因此配制的珊瑚砂混凝土的重度要小于普通的河砂混凝土。珊瑚砂的吸水率要大于河砂，在拌制珊瑚砂混凝土时，应实时监测珊瑚砂的含水量，及时调整混凝土用水量。珊瑚砂的氯离子含量远大于河砂，其含盐量主要来自海水中的硫酸盐和氯盐，海水中硫酸盐含量仅为氯盐的1/10左右（硫酸盐含量折算为SO42-含量，氯盐含量折算为Cl-含量），因此珊瑚砂的含盐量主要是氯盐引起的，这可能会使珊瑚砂混凝土早期强度增长较快。

通过对珊瑚砂进行筛分发现，4.75 mm筛孔上的为珊瑚石颗粒以及少量贝壳，而2.36~4.75 mm与1.18~2.36 mm两档筛孔部分的几乎全部是薄片状颗粒，0.63~1.18 mm筛孔部分的珊瑚砂才开始出现形状规则的颗粒，见图1。

图1 不同筛孔上的珊瑚砂形貌Fig.1The coral sand morphology on the different mesh

表2 珊瑚砂各档压碎值Table 2Coral sand gears crush value

从表2中可以看出，珊瑚砂的力学性质较差，且压碎值随着粒径的增大而增大，说明珊瑚砂粗颗粒的力学性质更差。2.36~4.75 mm和1.18~2.36 mm两档的压碎值均超过了50%，而压碎值最小的一档也达到了18.89%，这可能会对珊瑚砂混凝土的强度造成影响。

珊瑚砂的形貌分析见图2，从图2中可以看到珊瑚砂的表面较为粗糙，布满孔隙，存在很多层状结构与笼状结构。珊瑚砂的这种微观形貌特点导致其具有巨大的比表面积，使得其配制混凝土时需水量会比河砂的大。此外，珊瑚砂表面的凸凹不平会造成珊瑚砂颗粒间的摩擦力较大，填充能力降低，在级配接近的情况下，孔隙率会大于形貌较好的河砂。

图2 珊瑚砂SEM图Fig.2Coral sand SEM figure

由以上结果可知，珊瑚砂的密度小，强度较低，多孔，表面凸凹不平，这使得配制珊瑚砂混凝土时需水量较大，且混凝土的密度较小。珊瑚砂中氯离子含量较高，使用时应注意控制氯离子对混凝土性能的影响。

1.2 其它原材料

水泥为P.O42.5水泥，基本性能见表3；粗集料为5~25 mm石灰岩碎石，针片状含量6.0%，含泥量0.7%；减水剂为聚羧酸高效减水剂，其减水率为22%。

表3 水泥基本性能Table 3Basic properties of cement

2 试验设计与分析

2.1 珊瑚砂吸水特性

在拌制混凝土的过程中，骨料会吸收水泥浆体中的自由水分，从而造成拌合物流动性降低且经时损失的减少，而珊瑚砂是一种多孔骨料，吸水率较大，这一效应将更加明显，因此需要对珊瑚砂的吸水特性进行研究。

珊瑚砂吸水率的测试方法如下：容量瓶中放置一定质量的砂，加入80%水，摇动2 min，定容，随着珊瑚砂吸水，液面会下降，在一定时间内再次定容，称取质量，计算吸水质量。依此方法，测定珊瑚砂48 h内的吸水特性曲线（见图3），可见珊瑚砂早期吸水速度非常快，2 h吸水率达到了2.5%，10 h以后吸水速度逐渐变缓，48 h的吸水率达到了6.4%，远超一般的天然砂的吸水率。

图3 不同颗粒区间珊瑚砂48 h吸水率曲线Fig.348 h bibulous rate curve of different coral sand particles interval

同时还发现，不同颗粒区间的珊瑚砂的吸水特性也存在差异，0.315~0.63 mm区间的珊瑚砂吸水率最大，可达到6.9%；2.36~4.75 mm区间的珊瑚砂吸水率最小，不足5%；0.315~0.63 mm区间的珊瑚砂初始吸水最快，0.15~0.315 mm区间的珊瑚砂初始吸水最慢，式（1）为2 min定容时珊瑚砂的吸水率计算公式。

式中：m0为烘干珊瑚砂的质量；m1为定容后，珊瑚砂+水+容量瓶的质量；m2为容量瓶质量；ρ砂为珊瑚砂的表观密度；ρ水为水密度；V为容量瓶体积。

因此在配制珊瑚砂混凝土时需针对珊瑚砂的这一特点对配合比进行相应的改进，如采用较大的用水量，在珊瑚砂充分吸水的情况下仍能保证混凝土拌合物的工作性能，或参考轻集料混凝土的处理方法，对珊瑚砂提前进行预湿，使混凝土在拌合过程中珊瑚砂不继续吸水，保证混凝土的工作性能以及降低经时损失。

2.2 混凝土配合比设计

半干珊瑚砂混凝土进行配合比设计时，参考完全干燥的珊瑚砂混凝土的配合比相关参数[7-8]，并根据半干珊瑚砂的特性做适当调整。半干珊瑚砂混凝土试配强度保持不变，同时材料未发生变化，仅改变珊瑚砂的含水率，因此水泥用量与砂率保持不变，仅针对半干珊瑚砂的用水量进行调整。珊瑚砂多孔、吸水率大的特点与轻骨料相似，可借鉴轻骨料混凝土配合比设计中总用水量的确定方法。轻骨料混凝土的总用水量包括净用水量和附加水量两部分，净用水量对应的水胶比为净水胶比，而总用水量对应的水胶比为总水胶比。总用水量是指混凝土内所有水的含量，包括珊瑚砂所吸收水分的含量，而净用水量则不含骨料内水分的含量。通常情况下，骨料预先吸取的水分对新拌合的混凝土的工作性能影响较小，因此净水胶比才是轻骨料混凝土工作性能以及强度的决定因素。所以在自然条件下珊瑚砂含水率的基础上，确定合适的总用水量和净用水量是半干珊瑚砂混凝土配合比设计的关键。

轻骨料混凝土用水量确定过程中一定要考虑骨料吸附的附加水量，规范中是通过计算骨料1 h吸收水分的质量，若轻骨料已经含水，就在附加水量中扣除自然含水量。珊瑚砂可以参照轻骨料配合比设计中用水量算法的相关思路，但选择多长的吸水时间对应的含水率来计算附加水量，以及在已知自然状态下半干珊瑚砂含水率的条件下，选择多大的总用水量，是值得思考和研究的。

根据2.1节中珊瑚砂吸水特性的研究可知，珊瑚砂吸水具有早期快、后期慢的特点，在8 h时存在着一个明显的拐点，此时吸水率约为5.3%，是48 h吸水率的83%，在该点之前水分能够较快的进入珊瑚砂孔隙内，而超过该点，水分进入孔隙内的速率就会变慢，因此，可选取此拐点附近作为珊瑚砂的吸水特征点，可以认为，在此点之前珊瑚砂吸水较容易，此点之后吸水较困难，吸水率大于此点时在拌合过程中水分基本不会进入珊瑚砂内部。参照之前研究中全干珊瑚砂混凝土配合比中的总用水量[7-8]（见表4），选取的预湿水平为2%、4%、6%、8%和10%，配合比及各项性能见表5，表中所示计算净水胶比的净用水量为拌合所加水量，即总用水量减去预湿水量。

表4 基准配合比Table 4Basic mixture ratio

表5 混凝土配合比Table 5Concrete mixture ratio

从表5和图4中可以看出，净水胶比相同时，珊瑚砂混凝土的坍落度随着总用水量的增加而增大，抗压强度随着总用水量的增加而降低。总用水量相同时，珊瑚砂混凝土的工作性能随着净水胶比的减小而先增大后减小，这说明对珊瑚砂进行一定程度的预湿，有利于珊瑚砂混凝土工作性能的改善，但抗压强度则随着净水胶比的减小而增大，这是因为总水胶比相同时，净水胶比越小，珊瑚骨料附近的局部低水胶比就越低，因此减少了水分在珊瑚骨料和水泥浆界面富集及避免了骨料下部由于内分层作用而形成水囊，避免了界面处Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料与砂浆的界面黏结力，不利于Ca（OH）2晶体的发育，减少珊瑚混凝土的薄弱部分；预湿含水率越大，使得珊瑚砂供水作用越明显，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[9-14]。

因此，选取吸水特征点的含水率4%~6%作为计算附加用水量，并以此确定的总胶比以及净水胶比是合理的，能够反映珊瑚砂混凝土实际的净水胶比情况，预湿可明显改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力学性能。

图4 不同总水胶比、净水胶比珊瑚砂混凝土强度图Fig.4Coral sand concrete strength of different total water/cement ratio,pure water/cement ratio

3 结语

1）珊瑚砂早期吸水速度非常快，2 h吸水率达到了2.5%，10 h以后吸水速度逐渐变缓，48 h的吸水率达到了6.4%，远超一般的天然砂的吸水率；吸水速率在8 h时存在着一个明显的拐点，此时吸水率约为5.3%，是48 h吸水率的83%。

2）选取吸水特征点的含水率4%~6%作为计算附加用水量，并以此确定的总胶比以及净水胶比是合理的，能够反映珊瑚砂混凝土实际的净水胶比情况，预湿可明显改善珊瑚砂混凝土的工作性能和力学性能。

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Half-dry coral sand concrete preparation technology under natural conditions

CHEN Fei-xiang1,ZHANG Guo-zhi1,DING Sha1,QIN Ming-qiang2,LIU Kuang-yi2
（1.CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,National Enterprise Technology Center,Wuhan,Hubei 430040,China; 2.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

In the process of ocean engineering construction,considering the rainfall is frequent at engineering field,there isn't enough long time to dry the coral sand,so the coral sand is half dry when used.Studying the performance of half-dry coral sand which under the natural conditions is very useful for mixing coral sand concrete,reducing construction cost and has high research significance and application value.The test results show that the coral sand early water absorption speed is very fast,2 h water absorption rate reached 2.5%,water absorption speed gradually slow down after 10 h,48 h water absorption rate reached 6.4%,water absorption rate has an obvious turning point at 8 h when water absorption rate is 5.3%at 8 h,is 83%of 48 h water absorption rate.Select feature water absorption rate 4%to 6%as additional water consumption,and determine the total water/cement ratio and pure water/cement ratio are reasonable,can reflect the reality of the coral sand concrete pure water/ cement ratio,pre-wetting can significantly improve the coral sand concrete working performance and mechanical properties.

coral sand;water absorption rate;pure water/cement ratio;pre-wetting

U654；TU528.2

A

2095-7874（2017）05-0068-05

10.7640/zggwjs201705015

2016-10-17

2016-12-13

“十三五”国家重点研发计划（2016YFC0701003-4）

陈飞翔（1991—），男，山东临沂人，硕士，助理工程师，材料工程专业。E-mail：834178732@qq.com