碱式硫酸镁水泥珊瑚混凝土的抗压强度及其影响因素

2022-08-25郭建博余红发麻海燕

材料科学与工程学报 2022年4期

郭建博,余红发,麻海燕,常赟

(1.南京航空航天大学民航学院土木与机场工程系,江苏南京 211106；2.江苏省机场基础设施安全工程研究中心,江苏南京 211106)

1 前言

随着国际形势日趋严峻,对诸多岛屿的开发势在必行。但是由于大部分岛礁距离大陆较远,严重缺乏砂石淡水资源,考虑到工程成本以及自然条件的限制,岛礁工程建设可选用岛屿上丰富的珊瑚礁(砂)代替普通粗细骨料,海水为拌和养护的用水方法,制备一种新型海工岛礁混凝土—全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete,CASC)。在海洋工程中,硅酸盐水泥混凝土易受到海水侵蚀而影响其物理力学性能；碱式硫酸镁水泥(basic magnesium sulfate cement,BMSC)是国内学者发现的一种具备早强、快凝、抗水热等优点的新型镁质水泥[1],利用BMSC 制备新型海工混凝土,并研究影响立方体抗压强度的各种因素,对建设海岛工程有重要的工程意义和现实价值。

美国是第一个开始研究珊瑚混凝土的国家,在其周边众多岛屿上采用珊瑚混凝土(coral aggregate concrete,CAC)修建大量军事建筑[2],20世纪50～60年代,Dempsey G[3]和Narver D L[4]对早期的CAC建筑物进行广泛的评估,发表了关于开采和加工珊瑚骨料以及CAC 配合比与搅拌标准等报告。我国于1980年左右开展了大量CAC 研究,王以贵等[5]、陈兆林等[6]、卢博等[7]在西沙工程建设中大量采用了C15～C25的CAC 用于港工构筑物；2010 年以后李林[8]、赵艳林等[9]、王磊等[10]对C20～C30 的CAC力学性能开展了深入的研究工作；2013 年以后余红发等[11-16]通过岛上调研对珊瑚混凝土的配合比设计、力学性能、耐久性、梁柱构件力学性能与服役寿命开展了系统的研究。

磷酸镁水泥、硫氧镁水泥和氯氧镁水泥构成了镁质水泥。1867 年,Sorel[17]首先发明了氯氧镁水泥；1983年,美国Brookhaven国家实验室[18-19]研发出磷酸铵镁水泥,并研究了其水化产物和机理；Argonne国家实验室[20]发明了水化性能更优异的磷酸钾镁水泥。硫氧镁水泥是被广大学者研究开发的另一种镁质胶凝材料,其中碱式硫酸镁水泥是由余红发等[21-24]借助外加剂技术发明的一种完全不同于传统硫氧镁水泥的新型镁质胶凝材料；2016年之后何梁[25]、岳鹏[26]、王南等[27]、张娜等[28]、朱海威等[29]、刘婷等[30]对碱式硫酸镁水泥混凝土的配合比设计、梁柱构件的力学性能、耐水性、单轴应力应变曲线、动态冲击力学性能开展了研究。

为了探究碱式硫酸镁水泥珊瑚混凝土(BMSCCAC)的立方体抗压强度(fcu),本实验拟通过改变碱式硫酸镁水泥总量、萘系高效减水剂掺量及珊瑚砂率这三个影响因素,探究BMSC-CAC 28 dfcu的变化规律。研究新型海工BMSC-CAC 的制备技术,为后续BMSC-CAC的制备提供基础数据。

2 实验

2.1 原材料

原材料主要包括某公司生产的52.5型碱式硫酸镁水泥,其基本物理力学性能见表1；南沙某岛礁的珊瑚及珊瑚砂(见图1),珊瑚经人工破碎筛分成5～15 mm连续级配,其表观密度为2 557 kg/m3,堆积密度为1 062 kg/m3,空隙率为58.3%,针片状颗粒含量5.5%,1 h吸水率10.9%,含泥量1.3；珊瑚砂表观密度为2 500 kg/m3,堆积密度为1 391 kg/m3,含泥量17.6%,细度模数2.44,Ⅱ区级配,属于中砂；某厂生产的I级粉煤灰(FA),化学成分见表2；某公司生产的S95级磨细矿渣(SG),比表面积为461 m2/kg,化学成分见表2；某公司生产的萘系高效减水剂,减水率可达20%；符合国家标准的自来水。

表1 碱式硫酸镁水泥物理力学性能指标Table 1 Basic physical properties of basic magnesium sulfate cement

表2 胶凝材料的化学成分Table 2 Chemical composition of material %

图1 原材料 (a)珊瑚；(b)珊瑚砂Fig.1 Pictures of raw materials (a)coral and(b)coral sand

2.2 配合比及测试方法

通过改变水泥总量、减水剂掺量及珊瑚砂率,设计不同强度等级的BMSC-CAC,每组成型6 个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的标准试件,其配合比及平均立方体抗压强度见表3。

表3 碱式硫酸镁水泥珊瑚混凝土配合比及立方体抗压强度Table 3 Mixture proportion of basic magnesium sulfate cement coral aggregate concrete

珊瑚天然多孔,其特性为“吸水返水”,因此在拌合前需对珊瑚骨料进行预吸水处理。通过实验用搅拌机制备BMSC-CAC,图2 给出了具体的投料和搅拌工艺。测定不同配比的坍落度,倒入提前刷好脱模油的模具中,振动成型边长为100 mm 的立方体试件,置于标准养护条件(温度:(20±2)℃,相对湿度:60%±5%)下自然养护28 d。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081ˉ2002)[31],测定BMSCCAC的立方体抗压强度。

图2 碱镁珊瑚混凝土投料顺序以及拌和方式Fig.2 Mixing procedure of basic magnesium sulfate cement coral aggregate concrete

3 试验结果及分析

3.1 养护龄期的影响

图3是养护龄期对不同系列碱镁混凝土抗压强度的影响。从图可见,除了MCS-3、MCS-4和MCC-5试件,其余配合比的BMSC-CAC在7 d时就达到了28 d强度的83%～96%。这是由于BMSC在水化初期,形成了5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O,这些晶须分布均匀且致密[1],当承受荷载时,相比于片状Mg(OH)2晶体,能承受更大的压力,在早期强度增长迅速。当砂率改变时,其强度增长的波动较大,最小增长3.27%,最大增长44.1%；当减水剂掺量改变时,波动幅度相比砂率减小,最小增长4.5%,最大增长17%；而改变水泥总量,抗压强度的增幅变化很大,最小增长8%,最大增长33.8%。三种因素中,水泥总量的变化对抗压强度的增长速率最敏感,其次为珊瑚砂率,而减水剂种类对抗压强度涨幅影响相对较小。

图3 养护龄期和抗压强度的关系Fig.3 Compressive strength of basic magnesium sulfate cement coral concrete at 7 d and 28 d

3.2 减水剂掺量的影响

图4是减水剂掺量对碱镁类混凝土抗压强度的影响。从图可见,碱式硫酸镁水泥混凝土(BMSCC)随减水剂掺量的增加,抗压强度总体呈先减小后波动的态势。当掺加0～0.75%的减水剂,7和28 d抗压强度随减水剂用量的增大而减小；当减水剂掺量为0.75%～3%时,混凝土试件7和28 d抗压强度总体降低了25%左右,并在这个范围内波动；减水剂掺量分别为1%、1.5%和2.75%时的抗压强度处于波动的上限,可以明显看出萘系高效减水剂会对BMSCC 抗压强度造成不良影响,但是可以提高其工作性能。

图4 减水剂掺量与抗压强度的关系Fig.4 Relationship between naphthalene series water reducer and concrete compressive strength

而BMSC-CAC的抗压强度在7～28 d增长幅度不是很大,7 d就可达到28 d的80%～90%,BMSCCAC的立方体抗压强度随减水剂掺量的增加先增长后降低,减水剂掺量为3%时,抗压强度达到峰值。当减水剂掺量低于3%,抗压强度值增长速率随掺量的增加降低,说明萘系减水剂的效果随掺量增加不再明显。对于BMSC-CAC 来说,萘系减水剂的添加量控制在2%～3%之间较为合适。在BMSC-CAC中骨料由普通石子替换成珊瑚,由于珊瑚孔洞较多,能将早起吸收的部分水分释放,达到吸水反水的效果,在初期搅拌过程中,部分减水剂随着珊瑚砂进入珊瑚的孔洞中,使BMSC颗粒表面吸附外加剂中的阴离子,增加水泥表面的电负性,将初期形成的水泥颗粒絮凝状结构分散解体,填堵珊瑚的孔洞,增强了珊瑚的强度,同时释放出游离水,混凝土流动性得到改善,增强了抗压强度；当减水剂掺量增大,大量自由水阻碍了水泥颗粒絮凝状结构的形成,使减水率减小,导致抗压强度降低。

3.3 砂率的影响

图5是砂率对不同混凝土抗压强度的影响关系图。从图可见,BMSC-CAC的珊瑚砂率范围为30%～60%,随着珊瑚砂率的增大,BMSC-CAC 的抗压强度随之变大；当砂率达到40%左右时,抗压强度值达到峰值36.02 MPa,当砂率在超过40%后,BMSC-CAC抗压强度值逐渐降低。何梁[25]发现,当砂率在36%～48%内变化时,BMSCC 抗压强度随砂率的增大呈先增大后减小的现象,与本实验结果类似。对于普通混凝土,田冠飞等[32]研究了砂率与其抗压强度的关系,由图6可知,当砂率在22%～42%内变化时,抗压强度随砂率的提高缓慢增大,这个最大砂率的范围已超过40%；对于CASC来说,仅有的数据显示,砂率超过45%之后,抗压强度迅速减小,当砂率大于55%时,抗压强度缓慢回升,因此,对于BMSC-CAC,最佳的砂率实验建议取40%。原因是:砂率较小时,珊瑚砂砂浆量不足以包裹住整个珊瑚骨料表面,不能很好地填充珊瑚骨料的空隙,导致混凝土的和易性较差,降低了密实性,从而降低了BMSC-CAC 的抗压强度；砂率过大时,水泥总量不变,包裹在珊瑚骨料表面的水泥砂浆相对减少,减弱了骨料之间的胶结能力,使抗压强度降低。

图5 砂率与抗压强度的关系Fig.5 Relationship between sand ratio and concrete compressive strength

3.4 水泥总量的影响

图6是水泥总量对不同混凝土抗压强度的影响。从图可见,BMSC-CAC的水泥总量在525～600 kg/m3范围内变化时,抗压强度持续增长并达到峰值,而当水泥总量超过600 kg/m3,在600～825 kg/m3范围内变化时,抗压强度先减小后增大再减小,但始终没有超过600 kg/m3时的峰值强度。田冠飞等[32]研究了普通混凝土水泥总量与抗压强度的关系,由图6可知,当水泥总量在250～370 kg/m3的范围变化时,随着水泥总量的增加,抗压强度也随之增大,当水泥总量达到370 kg/m3时,抗压强度达到最大值57 MPa,当水泥总量继续增加,抗压强度迅速减小,至固定值；由图7可知,当水泥总量在500～600 kg/m3的范围内时,随着水泥总量增加,抗压强度先缓慢增加后迅速提升；当水泥总量在500～630 kg/m3的范围变化时,抗压强度总体保持不变,有较小的涨幅,但在600 kg/m3时有一个骤降。因此,对于BMSC-CAC来说,本实验推荐水泥总量控制在550～600 kg/m3之间。原因是BMSC中的主要矿物掺合料FA 起到了很好的减水效果,在水泥量适中时,能起到良好的减水效果,而随着水泥总量增加,掺合料的量也在增加,表观密度不变的情况下,影响了水化产物的生成。