珊瑚骨料混凝土的循环再生试验研究

2022-10-02钟何赵羽习卢予奇

新型建筑材料 2022年9期

钟何，赵羽习，卢予奇

（浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058）

0 引言

近几十年来，随着海洋战略地位的日益突出，各国远海开发、海岛建设加速推进。珊瑚礁砂作为远海地区能替代天然砂石的骨料资源，可制备成珊瑚骨料混凝土用于工程建设，并已成为远海岛礁建设的重要建筑材料。然而，珊瑚礁作为海洋中生物多样性及生物生产力最高的生态系统[1]，在粗放式捕捞、废弃物污染、岛礁建设挖掘等人类活动及全球气候变暖影响下，近几十年内已减少近50%[2-3]，海洋生态平衡受到了严重影响。加之，战时远海岛礁建筑设施若遭受军事打击需快速重建，传统的内陆砂石远洋运输及临时开采珊瑚礁资源均难以满足作战需求。为了协调海洋开发建设、海洋生态与军事战争准备三者之间关系，对珊瑚骨料混凝土的循环利用进行系统研究十分必要。

有研究表明[4-10]，珊瑚礁是一种特殊类型的岩土，破碎后形成的骨料与天然骨料相比，具有多孔、质轻、低强等特性，且表观密度及堆积密度较低，吸水率较高。由珊瑚礁砂制备的珊瑚骨料混凝土抗压强度、劈拉强度、弹性模量等力学性能较同等条件下的普通混凝土差[11-15]。同时，由于骨料性能缺陷，珊瑚骨料混凝土一般很难制备成高强混凝土，多在低强度场合应用。珊瑚骨料混凝土经过冻融循环破坏后的质量及抗压强度损失率比普通混凝土大[16]，且其抗氯离子侵蚀及抗收缩性能较差[15，17-19]。至于将珊瑚骨料混凝土破碎形成粗细骨料并进行循环利用研究，目前尚未查阅到相关文献。

本文将由南海海域珊瑚砂石制备而成的珊瑚骨料混凝土破碎形成再生珊瑚粗细骨料，分析骨料的物理性能，探索再生珊瑚骨料混凝土的配合比，并测试其力学及收缩变形性能，为珊瑚骨料混凝土循环利用研究提供参考。

1 试验

1.1 再生珊瑚粗细骨料试验方案

本试验所用再生珊瑚粗细骨料为废弃珊瑚混凝土试块经课题组自行研发的箱式小型再生骨料生产线破碎制得。破碎后的再生珊瑚骨料按照母体混凝土强度等级分为R1（母体混凝土强度等级C30～C40）、R2（母体混凝土强度等级C50以上）两类，如图1所示。

对经四分法缩分后的两类再生珊瑚骨料性能进行测试，参照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》及GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》测试再生珊瑚粗细骨料的吸水曲线、颗粒级配、表观密度、堆积密度及压碎指标等基本性能。对GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010未明确的部分试验方法说明如下：

（1）关于再生珊瑚细骨料吸水曲线测试。GB/T 25176—2010方法仅能实现对细骨料饱和面干吸水率WRS的测试。实验过程中，本研究结合容量瓶法测试细骨料随时间变化的吸水曲线。将m=300 g再生珊瑚细骨料装进容量瓶，向内加入清水至容量瓶刻度线处，称量容量瓶、水以及细骨料总质量m0，将此刻定为初始0时刻。晃动容量瓶排除内部气泡，补充清水使液面重新达到容量瓶刻度线处，再次称量容量瓶、水以及细骨料总质量mt（t=5 min，10 min，30 min，…24 h），考虑到再生珊瑚细骨料在初始时刻即吸收部分水，假定骨料吸水24 h即达到饱和，则不同时刻再生珊瑚细骨料吸水率

（2）关于再生珊瑚骨料表观密度测试。考虑到珊瑚骨料多孔的特性，定义视密度为再生珊瑚粗细骨料近似密实状态下的单位质量，表观密度为其自然状态下的单位质量。其中，前者仅考虑了固体物质与封闭孔隙体积，后者则同时考虑了固体物质、封闭孔隙与连通孔隙体积。通过视密度ρ0的测试（采用GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010规定方法），结合饱和面干吸水率WRS，可换算出骨料的表观密度ρ，关系式为ρ=，其中ρw=1000 kg/m3。

1.2 再生珊瑚骨料混凝土配合比设计

分别选取R1、R2两类再生珊瑚粗细骨料，结合实验室配制的模拟海水制备再生珊瑚骨料混凝土，模拟海水离子浓度配比见表1。试验采用P·O42.5基准水泥，外加剂为聚羧酸高效减水剂（含固量40%、减水率20%），未掺其它矿物掺合料。

表1 模拟海水离子浓度配比 g/L

参考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》及以往珊瑚骨料混凝土配合比研究资料[5，7，20-22]，结合再生珊瑚骨料性能特点，试验组R1设置0.48、0.43、0.38、0.33、0.28等5种有效水灰比，试验组R2设置0.38、0.33、0.28、0.23等4种有效水灰比。其中，参考再生珊瑚粗细骨料堆积试验结果，试验组R1砂率为65%，试验组R2砂率为60%，附加用水量根据再生珊瑚粗细骨料10 min吸水率确定，减水剂掺量根据混凝土试配情况，总用量为水泥质量的1.0%，再生珊瑚粗细骨料取代率均为100%。配合比设计如表2所示，编号中R1-48表示混凝土采用R1再生珊瑚粗细骨料进行制备，且有效水灰比为0.48，其余编号依此类推。

表2 再生珊瑚骨料混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及讨论

2.1 再生珊瑚粗细骨料性能测试分析

2.1.1 颗粒级配（见图2）

由图2（a）可见，R1、R2粗骨料均为连续粒级，再生粗骨料公称粒级为5～16 mm，按照GB/T 25177—2010，2种粗骨料仅在9.5 mm粒级筛余偏小，其它粒级均在限制范围内，故级配良好。

由图2（b）计算可得，R1、R2细骨料的细度模数分别为3.17、3.70，均属于粗砂，2种细骨料各号筛的累计筛余基本在Ⅰ级配区内，仅R2细骨料在2.36 mm粒级略高于GB/T 25176—2010的限值，总体级配良好。

2.1.2 吸水率（见表3）

表3 再生珊瑚粗细骨料的吸水率

由表3可见：

（1）R1、R2粗骨料饱和面干吸水率分别为9.6%、8.6%，均超出GB/T 25177—2010中Ⅲ类指标限值，且略高于母体废弃混凝土珊瑚粗骨料的吸水率（7.6%）[23]。主要是因为再生珊瑚粗骨料表面附着水泥砂浆，致使骨料吸水率增大，同时R2母体混凝土砂浆水灰比较R1小，其珊瑚粗骨料表面包裹砂浆致密程度高，因此R2粗骨料吸水率低于R1。

（2）再生珊瑚粗骨料在前10 min内基本完成吸水过程，然后吸水速率变化逐渐变缓。R1粗骨料2 min、10 min吸水率分别达到饱和状态的85.4%、90.6%，R2粗骨料则分别达到饱和状态的84.9%、89.5%。前期吸水速率较高主要是因为，再生珊瑚粗骨料存在较多孔隙，且孔隙间相互连通程度较高，降低水分渗透的阻力。

（3）R1、R2细骨料饱和面干吸水率分别为12.0%、11.0%。细骨料吸水过程基本集中于前30 min完成，R1细骨料5 min、30 min吸水率分别达到饱和状态的76.4%、93.1%，R2粗骨料则分别达到饱和状态的81.8%、89.7%。前者吸水率更大，其规律与粗骨料一致。

（4）当再生珊瑚粗细骨料来源为同一母体混凝土时，再生珊瑚细骨料吸水率高于再生珊瑚粗骨料，R1、R2细骨料饱和面干吸水率分别比R1、R2粗骨料提高26.3%、28.4%。主要是因为细骨料表面附着旧砂浆比例更高，且在破碎过程中粗骨料内部封闭孔隙会变为细骨料连通孔隙，加之机械反复损伤，微裂缝增多，故再生珊瑚细骨料的吸水率较高。

2.1.3 视密度、表观密度（见表4）

表4 再生珊瑚骨料的视密度、表观密度和堆积密度

由表4可见，两类粗细骨料视密度在2520～2685 kg/m3、表观密度在2014～2098 kg/m3范围内波动。同时，视密度、表观密度与母体混凝土来源有关，R2粗细骨料视密度、表观密度略高于R1，但两者差距并不明显。

取无量纲参数H为同种骨料视密度与表观密度之比值，该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细骨料=1.33，HR2细骨料=1.30。课题组曾采取同样的试验方法测试了宁波地区的普通再生骨料，其再生粗细骨料H参数分别为1.09、1.16，分别低于本文再生珊瑚粗细骨料。主要是因为珊瑚骨料质地较疏松，再生珊瑚粗骨料连通孔隙也就较多。同时，同类粗骨料的H值小于细骨料，这是因为细骨料附着旧砂浆比例较高，有更多的连通孔隙，在提高吸水率的同时，降低了骨料表观密度。

2.1.4 堆积密度

由表4可见，两类骨料松散堆积密度在1044～1307 kg/m3、紧密堆积密度在1178～1387 kg/m3范围波动，再生珊瑚细骨料松散堆积密度已达到GB/T 25176—2010中Ⅰ类指标要求，振动密实后再生珊瑚骨料堆积密度提高了9.2%～12.8%。主要是因为，在外部振动和骨料自重作用下，尺寸较小的骨料能够更好地填充大骨料之间的空隙，而两类再生珊瑚骨料均属于连续粒级，能够较好地实现逐级填充，因而紧密堆积密度提高明显。再生珊瑚粗细骨料的堆积曲线如图3所示。

由图3（a）、（b）可见，R1、R2粗细骨料混合料堆积密度分别在细骨料质量占粗、细骨料总质量比例为80%、70%时达到最大值。此比值远大于一般骨料混凝土[24-27]。主要是因为再生珊瑚粗骨料粒径范围非常小，而再生珊瑚细骨料粒径范围较宽，在细骨料比例较大时才能形成密实的堆积体。考虑到试验所备再生珊瑚骨料数量较少，根据堆积密度试验曲线及试验原材料情况，在配合比设计时R1砂率确定为65%，R2砂率确定为60%，以此进行后续再生珊瑚骨料混凝土试验。

2.1.5 压碎指标

R1、R2粗骨料压碎指标分别为24%、23%，均达到GB/T 25177—2010中Ⅲ类再生骨料要求，即在30%范围内。R1、R2细骨料压碎指标分别为13%、12%，均达到GB/T 25176—2010中Ⅰ类再生骨料要求，即在20%范围内。2种骨料在荷载作用下抵抗破裂的能力接近，R2较R1更优。

值得注意的是，再生珊瑚粗骨料远高于对应细骨料压碎指标，这与一般再生骨料不同。主要是因为，对于一般再生骨料，天然砂石坚硬程度远高于附着其上的旧砂浆，且天然细骨料上附着更高比例旧砂浆，因此再生细骨料压碎指标较高。而珊瑚混凝土中珊瑚骨料并不比旧砂浆更坚硬，而在粗骨料破碎为细骨料过程中部分较为薄弱的界面已在荷载作用下破裂，因此再生珊瑚细骨料压碎指标反而更低。

2.2 再生珊瑚骨料混凝土性能分析

2.2.1 力学性能

再生珊瑚骨料混凝土的立方体抗压强度如表5所示，其他力学性能如表6所示。

表5 再生珊瑚骨料混凝土的立方体抗压强度

表6 再生珊瑚骨料混凝土其他力学性能

由表5可见，R1-28、R2-23组混凝土28 d抗压强度分别为35.5、42.5 MPa，分别达到了预设的C25、C30强度目标，但相较于母体废弃混凝土，循环再生后的混凝土强度等级有较大幅度的降低。随着有效水灰比减小，采用R1、R2两种骨料制备的再生珊瑚骨料混凝土立方体抗压强度明显提高，有效水灰比相同条件下，R2骨料制备的混凝土较R1骨料制备的略高，但是差距微小，这是因为R1、R2两种骨料母体混凝土珊瑚礁砂来源一致，R2骨料性能整体上略高于R1骨料。两种珊瑚骨料混凝土3 d龄期立方体抗压强度就达到28 d龄期的72%～84%，7 d龄期达到28 d龄期的85%～96%，这表明再生珊瑚骨料混凝土具有显著的早强特性，与珊瑚混凝土类似[6，7，19，21-22]。

由表6可见：

（1）再生珊瑚骨料混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度比值较普通再生骨料混凝土经验值小[28]。主要原因是，再生珊瑚骨料表面粗糙程度大，与浆体机械咬合力强，且再生珊瑚骨料存在吸水吐水的微泵效应，促进了界面过渡区的水泥水化，因此再生珊瑚骨料混凝土界面过渡区也就不比骨料本身更脆弱，致使界面过渡区发生错动而削弱混凝土的环箍效应现象变弱。

（2）再生珊瑚骨料混凝土R2-23劈裂抗拉强度较R1-28高，这是因为R2再生珊瑚骨料本身性能较好，且R2-23有效水灰比较小。劈裂抗拉强度与立方体抗压强度比值处在普通混凝土1/10～1/20经验范围内，与普通再生骨料混凝土也比较相近[29-31]，这表明再生珊瑚混凝土延性尚可。

（3）根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，C25与C30强度等级普通混凝土弹性模量为2.80×104MPa与3.00×104MPa，再生珊瑚骨料混凝土R1-28与R2-23弹性模量比普通混凝土规范值分别低27.4%、22.0%，这是因为再生珊瑚骨料自身刚度非常低，对浆体变形的限制作用相对较弱。根据母体混凝土研究数据，R1与R2母体废弃珊瑚混凝土弹性模量分别为2.55×104MPa（C30强度等级）与2.70×104MPa（C50强度等级），R1-28与R2-23弹性模量较母体废弃珊瑚混凝土分别低19.2%、13.3%，显然经历循环再生后，混凝土多项力学性能都有所降低。

2.2.2 变形性能

再生珊瑚混凝土收缩率随时间的变化如图4所示。

由图4可知，R1-28与R2-23收缩率非常高，28 d后超过800×10-6，在实际应用中应采取措施预防收缩裂缝的形成。相较而言R1-28收缩率更大，这是因为R1-28有效水灰比更大，水分蒸发量也就更多。

文献[32]对C25与C30强度等级珊瑚混凝土收缩率进行了测试，结果显示，珊瑚骨料混凝土28 d收缩率小于400×10-6，远低于再生珊瑚骨料混凝土。这是因为根据本试验再生珊瑚骨料混凝土配合比，骨料用量较少，胶凝材料用量较多，加之再生珊瑚骨料本身带有部分旧砂浆，水化反应非常剧烈，因此收缩率也比一般珊瑚混凝土大。