多孔隙珊瑚生态混凝土配合比试验研究

张呈强，庄妍，裴尧尧，詹学启，杨艳霜

（1.河海大学 土木与交通学院，江苏南京210098；2.东南大学 土木工程学院，江苏南京211189；3.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北武汉430068；4.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

0 引言

随着海洋开发以及海洋权益的争夺，各种各样的海洋工程建设日渐增多［1］，传统混凝土在海岛工程建设中受到环境污染和生态破坏等问题的限制。

珊瑚礁是我国沿海海岛地质布局的主要结构，是造礁珊瑚群体死亡后的遗骸经过破坏、搬运、沉积和胶结作用等形成的一种特殊的岩土体。由于水动力的作用，这些骨骼会自主进行分解，形成松散珊瑚碎块和珊瑚砂。Vines［2］、王以贵［3］、陈兆林［4-5］、卢博［6-7］、李伟峰［8］、王磊［9］等研究表明这些珊瑚碎块经过处理能够成为新的建筑材料，以珊瑚为骨料的珊瑚混凝土，能够在岛礁上就地取材，不但可以缩短工程的工期，还可以有效的节约陆地资源和运输成本，对海岛工程的建设开发具有积极的促进作用。

目前，国内对于以珊瑚为骨料的珊瑚混凝土研究取得了进展。陈兆林［4-5］等，研究表明珊瑚混凝土的净水灰比与抗压强度呈现一定的线性关系。粗骨料无论使用珊瑚礁砂还是混合使用珊瑚礁砂和碎石，珊瑚混凝土的强度都随着水泥用量的增加而增加，并且抗压强度增长的速率比水泥用量增加的速率慢。卢博［6-7］采用抗硫酸盐的水泥来拌制珊瑚混凝土可以更好地满足强度要求。Arumugam［10］、赵艳林［11］、王磊［12］、沈锦林［13］、Wang［14］、Ma［15］等指出珊瑚混凝土的早期抗压强度发展快。

总之，现阶段对多孔隙珊瑚混凝土的研究仍然不太完善，在对珊瑚混凝土的研究中主要针对密实混凝土的应用，而对多孔隙珊瑚混凝土的应用研究则较少。鉴于此，开展多孔隙珊瑚混凝土配合比设计试验，研究珊瑚粗细骨料含量、水灰比、砂含量等因素对多孔隙珊瑚混凝土抗压强度的影响。研究结果将为此类生态护坡在实际工程中的应用提供一定的参考依据。

1 原材料与试验方案

多孔隙珊瑚混凝土是一种具有较大孔隙率、高强度的透水性生态混凝土，其孔隙率能够达到18%以上，主要特点除具有过滤效果性能外还具有植生、改善环境等效果性能。多孔隙珊瑚混凝土优良的排水透水性能、植生性能以及净化水质性能都出自其自身的多孔性，为了保证植生，该生态混凝土的孔隙率要求在20%以上［16］。

1.1 原材料

试验所用原材料：（1）采用南京公司生产的P·O42.5型普通硅酸盐水泥。

（2）珊瑚粗骨料采用南海出产的具有连续级配的珊瑚礁，级配情况如图1所示，主要物理性能指标见表1所列。珊瑚礁是一种很特殊的岩土，是珊瑚群体在死亡后所遗留下的骨骼及残骸所形成的。珊瑚砂是由造礁珊瑚碎屑聚集而成，在碎屑的堆积物中还含有一些海洋生物的碎屑。珊瑚砂的化学成分主要是碳酸钙，属于碳酸岩类砂土或者钙质砂土。珊瑚砂的颗粒形状大小不规则，粒径大小混杂，并且部分粒径大于5 mm，同时在堆积物中还含有许多的鹿角状珊瑚碎屑，其本身棱角度高、磨圆度差，导致珊瑚砂的孔隙比较大。鉴于珊瑚骨料形状特殊，对于珊瑚颗粒必须进行简单破碎处理，减小长棒状和鹿角状珊瑚的长度，将粒径控制在5～20 mm，如图2所示。

图1 珊瑚颗粒级配曲线图

图2 珊瑚骨料处理前后

表1 珊瑚礁、珊瑚砂主要物理性能指标g·m-3

（3）采用黄河流域出产的河砂。

（4）采用德国BASF巴斯夫MELMENT®F10高效减水剂（磺化三聚氰胺减水剂）。

（5）试验所用淡水为普通自来水。海水参照南海海水指标进行人工配制，其成分含量见表2所列。

表2 人工海水的化学组成g·l-1

1.2 试验方案与结果

参照《轻集料混凝土技术规程》［17］（JGJ 51-2002）中的松散体积法以及多孔隙透水混凝土配合比设计来设计珊瑚混凝土各种原材料的配合比。依据规范《普通混凝土力学性能试验方法》［18］（GB/T 50081-2016），对各混凝土试块进行立方体抗压试验。试块采用标准大小为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体。

1.2.1 砂含量及种类对珊瑚混凝土强度的影响

珊瑚混凝土采用相同的配合比设计，细骨料分别采用河砂和珊瑚砂两种珊瑚混凝土。在养护28 d后对其进行抗压试验。河砂及珊瑚砂配合比设计及强度变化见表3和图3。

表3 珊瑚砂、河砂拌养混凝土抗压强度kg·m-3

图3 砂含量及种类对珊瑚混凝土强度的影响

1.2.2珊瑚粗骨料及水灰比对珊瑚混凝土强度的影响

通过控制珊瑚粗骨料含量以及水灰比的大小，进行配合比试验。在养护28 d后对其进行抗压试验，试验配比及强度结果见表4、图4。

表4 珊瑚混凝配土比设计及抗压强度kg·m-3

图4 珊瑚粗骨料及水灰比对珊瑚混凝土强度的影响

1.2.3 水泥含量对珊瑚混凝土强度的影响

通过控制水泥含量，来探究水泥含量对多孔隙珊瑚混凝土强度的影响。在养护28 d后对其进行抗压试验，试验配比及强度结果见表5、图5。

表5 珊瑚混凝土配比设计及抗压强度kg·m-3

图5 水泥含量对珊瑚混凝土强度的影响

2 试验结果分析

2.1 各因素对珊瑚混凝土强度影响分析

2.1.1 砂含量及种类对珊瑚混凝土强度的影响分析

由图3可以看出，河砂混凝土的强度低于珊瑚砂混凝土。主要由于珊瑚砂内部具有充足的孔隙，拌合过程中吸收大量的水分。在养护过程中水分得到释放使水化反应过程充分完成，从而孔隙减少，密实性提高。同时，珊瑚砂在伴和过程中受到各种挤压作用，结构受力破碎，粒径减小，密实度得到提高，进一步加强了珊瑚混凝土的强度。试验结果表明，可以采用珊瑚砂代替河砂，其强度较河砂混凝土具有一定的提高且孔隙率更优于河砂混凝土。多孔隙珊瑚混凝土的抗压强度与砂含量变化并不相同，在砂含量达到200 kg/m3时，多孔隙珊瑚混凝土的抗压强度达到其峰值，随着砂含量的继续增加，其强度开始有所下降，主要由于过多的珊瑚砂容易堆积在一起造成孔隙，在混凝土受压时结构会因为没有足够骨架的支撑而发生破坏，降低混凝土的强度。

2.1.2 珊瑚粗骨料含量及水灰比对珊瑚混凝土强度影响分析

由图4可知在相同水灰比条件下，随着珊瑚粗骨料用量的增加，抗压强度先增大后减小，在粗骨料用量达到1450 kg/m3时，抗压强度达到各自峰值。粗骨料的结构性是混凝土试块抗压的主要受力方面，粗骨料自身强度以及骨料之间的连接力决定着试块的抗压性能。当骨料自身强度与水灰比一定时，骨料的连接能力受到粗骨料用量的影响，当粗骨料用量过多时，水泥水化后提供不了足够的连接力，粗骨料的结构性降低，抗压能力减弱。

珊瑚混凝土抗压强度随着水灰比的增大表现出先增大后减小的规律。当用水量较少水灰比较小时，砂浆不具备充分的流动性，无法形成有效的黏结会造成珊瑚骨料黏结界面强度的降低，从而使珊瑚混凝土的强度有所降低。胶凝材料会随着用水量增加而稀释，对骨料的黏结作用减弱，使珊瑚混凝土的强度亦有所降低。试验表明当水灰比为0.35时，抗压强度最大。

2.1.3 水泥用量对珊瑚混凝土强度的影响

水泥水化后的粘接力在混凝土结构中起着粘结骨料的作用，水泥用量对混凝土抗压性能有着重要的影响。由图5可以看出水泥用量在200～400 kg/m3时抗压强度随着水泥用量的增加而增加，对于普通混凝土来说，适当的水泥掺量使其混凝土的强度会有所提高，超过一定用量后，强度反而会有所降低。但多孔隙珊瑚混凝土情况有所不同。根据图5，强度随水泥含量变化可知，当水泥用量为400 kg/m3时，珊瑚混凝土的强度仍在增加。由于多孔隙珊瑚混凝土随着水泥用量的增加，珊瑚骨料之间的黏结力得以增加，使得混凝土外表包裹层加厚，强度增大。但同时阻碍了珊瑚混凝土所必需的孔隙，过多的水泥浆体不仅堵塞了珊瑚骨料之间的缝隙，同时对珊瑚骨料本身的孔隙也造成了影响，所以必须控制水泥用量，牺牲珊瑚混凝土的部分强度以保证其充足的孔隙率。试验结果表明水泥用量在200 kg/m3时珊瑚混凝土普遍能获得较理想的孔隙率。

2.2 最佳配比确定

由于多孔隙珊瑚混凝土的特殊性，当水灰比过小时，珊瑚骨料自身的吸水性佳将导致胶凝材料吸水不足，从而无法形成水泥浆体，黏结作用大幅降低导致混凝土无法形成整体，出现松散的现象；当水灰比过大时，胶凝材料遇到过多的水分会造成其无法形成水泥浆体甚至胶凝材料而流失。本论述通过多个水灰比试验的对比，得出最佳水灰比为0.35；由于多孔隙珊瑚混凝土其胶凝材料的用量较少，砂浆体主要起到一定黏结的作用，所以多孔隙珊瑚混凝土的破坏主要表现为珊瑚骨料的破坏。由珊瑚骨料抗压强度试验得出珊瑚骨料为1 450 kg/m3时获得峰值抗压强度；砂含量过少造成胶凝材料的不足而无法有效全面的沾附在珊瑚粗骨料的表面，黏结不牢固，导致珊瑚混凝土出现松散现象且有一部分砂可能会填充到珊瑚骨料本身的孔隙当中，使外部砂含量的进一步降低。砂含量过大，会导致胶凝材料过多，从而造成多孔隙珊瑚混凝土孔隙率下降，达不到多孔隙珊瑚混凝土对孔隙率的要求。通过研究不同砂含量的混凝土抗压强度，得出了最佳砂含量为200 kg/m3时可获得较大孔隙率。

3 结论

通过对多孔隙珊瑚生态混凝土配合比试验研究和分析，可以获得下列结论：多孔隙珊瑚混凝土的抗压强度随着珊瑚骨料含量、砂含量、水灰比的增大表现出先增大后减小的变化规律，随着水泥用量的增大而增大。基于珊瑚混凝土抗压强度又保证孔隙率的条件下，多孔隙珊瑚生态混凝土的最佳配比为：珊瑚骨料用量1450 kg/m3、砂用量200 kg/m3、水灰比0.35。