凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的可行性研究Ⅰ
——凝石供試體的抗壓強(qiáng)度、浸泡海水的pH及其與水泥供試體的比較

陳勇,田濤,倪文,趙子儀,劉永虎

(1.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京110000)

凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的可行性研究Ⅰ
——凝石供試體的抗壓強(qiáng)度、浸泡海水的pH及其與水泥供試體的比較

陳勇1,田濤1,倪文2,趙子儀1,劉永虎1

(1.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京110000)

用尾礦等廢棄物制成的凝石膠凝材料制作供試體,在實(shí)驗(yàn)室條件下測定其抗壓強(qiáng)度和浸泡海水的pH值,并與水泥供試體進(jìn)行比較,探討用凝石膠凝材料作為人工魚礁造礁材料的可行性。結(jié)果表明:1)在淡水中養(yǎng)護(hù)28 d后,隨著水灰比的增加,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,而水泥供試體的抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,其中水灰比為0.60、0.55、0.49、0.44的凝石供試體(S1、S2、S3、S4)和水泥供試體(C1、C2、C3、C4)的抗壓強(qiáng)度,除S4組顯著低于C4組外(P＜0.05),其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05)。2)在海水中浸泡30 d后,除S4組與C4組的抗壓強(qiáng)度相等之外,其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05);在海水中浸泡60 d后,同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05)。3)浸泡4種凝石供試體的海水平均pH值分別為8.84、8.87、9.10、8.95,浸泡4種水泥供試體的海水平均pH值分別為10.42、10.44、10.80、10.72,凝石組海水的pH值均顯著低于水泥組(P＜0.05)。試驗(yàn)表明,以凝石膠凝材料作為人工魚礁材料在抗壓強(qiáng)度和對海水pH的影響方面均優(yōu)于水泥材料。

凝石;人工魚礁材料;抗壓強(qiáng)度;pH

人工魚礁是用于改善海域生態(tài)環(huán)境,建設(shè)漁場和增養(yǎng)殖場的人工設(shè)施[1]。近年來,用于建造人工魚礁的材料日益趨于多樣化,有鋼筋混凝土魚礁、鋼制魚礁、玻璃鋼魚礁、竹制魚礁、木制魚礁和廢棄物魚礁等[1]。人工魚礁材料的選擇主要從制成魚礁后礁體在海水中的耐久性、親水性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面來考慮,既要保證礁體的使用壽命,不會(huì)對海洋環(huán)境造成影響,還要盡量降低成本。隨著人工魚礁建設(shè)的發(fā)展,人工魚礁的建礁材料也在向趨于廢棄物利用的方向發(fā)展,一方面可以做到廢物利用,另一方面也降低了建礁成本,如日本開發(fā)的硫磺固化物魚礁和貝殼礁等[2-4]。因此,環(huán)保、低廉的魚礁材料已成為新的研究熱點(diǎn)。

凝石膠凝材料是以高爐水淬礦渣、建筑石膏、硅酸鹽水泥熟料、普通硅酸鹽425水泥以及其他化學(xué)激發(fā)劑為主要原料,在常溫、常壓條件下生產(chǎn)出的高性能新型水泥產(chǎn)品。凝石膠凝材料固廢利用率大于80%,無污染成分,主要性能指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中普通硅酸鹽425水泥的規(guī)定。相比傳統(tǒng)水泥材料,凝石膠凝材料具有污染物排放低、成本低以及良好的耐久性和體積穩(wěn)定性、優(yōu)良的固結(jié)性能等特點(diǎn)[5]。相同試驗(yàn)條件下,由于凝石漿體具有較好的孔徑分布,并且凝石混凝土的界面過渡區(qū)結(jié)合緊密,所以凝石混凝土的抗碳化性能、抗氯離子滲透性能和抗?jié)B性能均優(yōu)于同水灰比的水泥混凝土[6]。如果凝石膠凝材料能夠作為人工魚礁的造礁材料,不僅可以提高礦渣等工業(yè)廢棄物的利用率,降低人工魚礁的造礁成本,而且還可以減少傳統(tǒng)造礁材料的水泥使用量,從而減少生產(chǎn)水泥時(shí)消耗的石灰石和燃煤量,有利于節(jié)能環(huán)保。目前,關(guān)于凝石膠凝材料的研究較多,但利用凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的研究尚未見報(bào)道。

人工魚礁礁體在海水中的抗壓強(qiáng)度和對海水pH的影響是人工魚礁耐久性與親水性的主要考察指標(biāo),對人工魚礁材料的選擇具有重要意義。本研究中,作者通過對凝石供試體在海水中的抗壓強(qiáng)度和浸泡海水的pH值進(jìn)行測定,并與水泥供試體進(jìn)行比較,探討了以凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的可行性,旨在為人工魚礁材料選擇的多樣化提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用材料分別為北京科技大學(xué)研制的凝石膠凝材料、普通硅酸鹽325水泥、自來水、普通砂子和石子(直徑≤2 cm)。

1.2 方法

1.2.1 供試體的制作 根據(jù)人工魚礁抗壓強(qiáng)度的要求,按照水泥混凝土配合比計(jì)算方法,設(shè)計(jì)4種水灰比,分別為0.60、0.55、0.49、0.44,將凝石和水泥兩種材料各制成4種水灰比的供試體(表1),規(guī)格為10 cm×10 cm×10 cm,每組9塊,共制作72塊供試體。

表1 供試體的編號及設(shè)計(jì)要求Tab.1 The modules group and the design requirement

1.2.2 抗壓強(qiáng)度的測定 將各組供試體分別放在一個(gè)水箱(34 cm×26 cm×22 cm)中充分浸泡,浸泡水量與供試體的體積比為1.8∶1。

1)淡水養(yǎng)護(hù)。于2009年2月5日—3月4日用淡水浸泡各組供試體,淡水養(yǎng)護(hù)28 d后,每組隨機(jī)選擇3塊供試體,利用NYL-200型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試。具體操作方法:先處理供試體表面,使之成為互相平行的平面;再測量每個(gè)供試體的長度和寬度,分別求出各個(gè)方向的平均值,精確至1 mm;最后將供試體置于試驗(yàn)機(jī)承壓板下,使供試體的軸線與試驗(yàn)機(jī)壓板的壓力中心重合,以10～30 kN/s的速度加荷,直至供試體破壞,記錄最大破壞荷載。結(jié)果取3塊供試體破壞荷載的平均值,當(dāng)3個(gè)破壞荷載值中有超出平均值± 10%時(shí),應(yīng)予以剔除,重新取剩余2塊供試體破壞荷載的平均值作為此供試體的抗壓強(qiáng)度。

2)海水浸泡。于2009年3月5日—5月28日將剩余供試體用海水浸泡,浸泡海水的鹽度為32～33,溫度為14～15℃。每隔一個(gè)月測定一次供試體的抗壓強(qiáng)度,共測定兩次。

1.2.3 浸泡海水pH值的測定 供試體在海水中浸泡期間不換水,同時(shí)以不浸泡供試體的海水水樣作為平行對照。海水浸泡期間每隔5 d取樣一次。

使用EL20型pH計(jì)測量浸泡海水的pH值。具體操作方法:用小燒杯采集水箱中的水樣,為防止水體的不均勻性,在采集水樣前輕輕攪動(dòng)水箱中的海水,每個(gè)水樣取30 mL,先用兩瓶校準(zhǔn)液對pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),然后對水樣進(jìn)行測量。每次測量前用蒸餾水對探頭進(jìn)行清洗,用干燥紙擦拭干凈。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)、方差分析,用Duncan法進(jìn)行多重比較,以0.05作為差異顯著性水平。

2 結(jié)果

2.1 供試體的抗壓強(qiáng)度

1)淡水養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度。

從圖1可見,淡水養(yǎng)護(hù)28 d后,隨著水灰比的增大,即凝石量的減少,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為48.1 MPa,S3組的抗壓強(qiáng)度最高,為56.5 MPa。多重比較結(jié)果表明,水灰比較低的S4、S3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水灰比較高的S2、S1組(P＜0.05),而S4與S3組差異顯著(P＜0.05),S2與S1組差異不顯著(P＞0.05)。

從圖1還可以看出,隨著水灰比的增大,水泥供試體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中,水泥組C1的抗壓強(qiáng)度最低,為45 MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為60 MPa。多重比較結(jié)果表明,C4、C3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于C2、C1組(P＜0.05),而C4與C3組差異不顯著(P＞0.05),C2與C1組差異顯著(P＜0.05)。

圖1 淡水養(yǎng)護(hù)28 d后供試體的抗壓強(qiáng)度Fig.1 The compressive intensity in 28 day conservation in fresh water

除水灰比為0.44的S4組的抗壓強(qiáng)度顯著低于C4組外,其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05)。

2)海水浸泡后的抗壓強(qiáng)度。

從圖2可見,海水浸泡30 d后,隨著水灰比的增大,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為50.6 MPa,S3組的抗壓強(qiáng)度最高,為57 MPa。多重比較結(jié)果表明,S4與S3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于S2、S1組(P＜0.05),而S4與S3組差異不顯著(P＞0.05),S2與S1組差異顯著(P＜0.05)。

從圖2還可以看出,隨著水灰比的增大,水泥供試體的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中,水泥組C2的抗壓強(qiáng)度最低,為45.4 MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為55.6 MPa。多重比較結(jié)果表明,C4組的抗壓強(qiáng)度顯著高于C3、C2和C1組(P＜0.05),其余組間差異不顯著(P＞0.05)。

除S4組的抗壓強(qiáng)度等于C4組外,其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05)。

圖2 海水浸泡30 d后供試體的抗壓強(qiáng)度Fig.2 The changes in compressive intensity in 30 day immersion in seawater

從圖3可見,海水浸泡60 d后,隨著水灰比的增大,凝石供試體和水泥供試體的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為52.1 MPa,S4組的抗壓強(qiáng)度最高,為55.8 MPa。多重比較結(jié)果表明,S4和S3組的抗壓強(qiáng)度顯著高于S2和S1組(P＜0.05),而S4與S3組差異不顯著(P＞0.05),S2與S1組差異顯著(P＜0.05)。

從圖3可以看出,水泥組C2的抗壓強(qiáng)度最低,為38.5 MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為56.5 MPa。多重比較結(jié)果表明,C4和C3組的抗壓強(qiáng)度顯著高于C2和C1組(P＜0.05),而C4與C3組差異顯著(P＜0.05),C2與C1組差異不顯著(P＞0.05)。

同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P＜0.05)。

圖3 海水浸泡60 d后供試體的抗壓強(qiáng)度Fig.3 The change in compressive intensity in 60 day immersion in seawater

綜上所述,淡水養(yǎng)護(hù)期,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為53.125、51.275 MPa,凝石組比水泥組高3.6%;海水浸泡30 d后,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為54.075、48.625 MPa,凝石組比水泥組高11.2%;海水浸泡60 d后,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為54.225、44.75 MPa,凝石組比水泥組高21.2%?？梢?凝石供試體的平均抗壓強(qiáng)度高于水泥供試體;隨著海水浸泡時(shí)間的延長,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,而水泥供試體的抗壓強(qiáng)度則逐漸降低。

2.2 浸泡供試體海水的pH值

從圖4可見,海水浸泡期間凝石組海水的pH值基本穩(wěn)定在7.5～9.0,水泥組海水的pH值基本穩(wěn)定在8.8～11.0,各組海水的pH值隨著浸泡時(shí)間的延長略有波動(dòng)。

圖4 凝石組和水泥組海水pH值隨時(shí)間的變化Fig.4 The changes in pH in congealing stone group and cement group bathed in seawater

從圖5可見:從17次pH值測定的平均值來看,凝石組海水的pH值均低于水泥組,平均低1.655;凝石組海水的pH值各水灰比間差異不顯著(P＞0.05),水泥組海水的pH值各水灰比間差異也不顯著(P＞0.05);同水灰比的凝石組與水泥組間差異均顯著(P＜0.05)。

圖5 凝石組和水泥組海水平均pH值的比較Fig.5 The changes in the average pH in congealing stone group and cement group bathed in seawater

3 討論

3.1 凝石膠凝材料作為造礁材料的抗壓強(qiáng)度

人工魚礁在海洋中的耐久性是人工魚礁設(shè)計(jì)制作的關(guān)鍵參數(shù)之一。人工魚礁的耐久性主要取決于人工魚礁礁體在海水中的抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)海水浸泡的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度顯著高于水泥供試體,這可能與其自身的特性有關(guān),凝石的凝結(jié)硬化過程是靠成巖流體對硅鋁類物質(zhì)的溶蝕再聚合作用、溶蝕再結(jié)晶作用和次生加大作用形成的,在硅鋁物質(zhì)重組過程中,硅氧四面體對第三主族元素和第五主族元素具有四配位同構(gòu)化效應(yīng),同時(shí)能夠?qū)⒌谝弧⒌诙偷诹?、第七主族元素固定在網(wǎng)絡(luò)體中,以平衡由于四配位同構(gòu)化效應(yīng)所造成的電荷不平衡,從而使所形成的硅鋁基膠凝材料硬化體不但具有很高的強(qiáng)度,而且還具有良好的穩(wěn)定性與耐久性[5]。

本試驗(yàn)中只有在淡水養(yǎng)護(hù)28 d后,水灰比為0.44的S4組凝石供試體的抗壓強(qiáng)度(56.3 MPa)比同水灰比的水泥供試體C4組(60 MPa)略低,但經(jīng)海水浸泡后凝石供試體的抗壓強(qiáng)度逐漸提高;浸泡30 d后,S4與C4組的抗壓強(qiáng)度相同,均為55.6 MPa;浸泡60 d后,S4與C4組的抗壓強(qiáng)度分別為55.8 MPa和54.5 MPa,S4組的抗壓強(qiáng)度逐漸高于C4組,其它凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均高于同水灰比下的水泥供試體。因此,以凝石膠凝材料作為人工魚礁的造礁材料,在抗壓強(qiáng)度方面優(yōu)于同類型的水泥材料,即在海水中的耐久性好于水泥材料。

3.2 凝石膠凝材料對海水pH值的影響

人工魚礁的親水性是指人工魚礁設(shè)置在海中后對海水水質(zhì)的影響程度。浸泡人工魚礁礁體或構(gòu)件的海水pH是檢驗(yàn)人工魚礁親水性的主要指標(biāo),pH值越接近同時(shí)期海水的pH值,說明其親水性越好。浸泡海水的pH值,除了與供試體的材料、制作工藝等因素有關(guān)外,還與海水的溫度、鹽度、壓力等物理因素有關(guān)。海水的pH值隨溫度升高而略有降低,這是因?yàn)楹Ｋ腥艽嫒跛岬碾婋x度隨溫度升高而增大的結(jié)果。在一定溫度下,海水的pH值隨鹽度的增加而略有上升,而隨著壓力的增大而降低,這是由于弱電解質(zhì)在深水中離解度增大的結(jié)果[7]。

本試驗(yàn)中,經(jīng)過17次的測量,浸泡4種凝石供試體的海水pH平均值分別為8.84、8.87、9.10、8.95,浸泡4種水泥供試體的海水pH平均值分別為10.42、10.44、10.80、10.72,而海水對照樣品的pH平均值為8.27。浸泡凝石供試體海水的pH值皆低于浸泡水泥供試體的海水pH值,說明凝石供試體的親水性好于水泥供試體。浸泡兩種供試體的海水pH值均高于海水對照組,說明凝石材料和水泥材料的混凝土構(gòu)件在海水浸泡過程中均有堿性物質(zhì)釋放,使周圍海水的pH值升高。由于凝石膠凝材料水化后不產(chǎn)生游離的Ca(OH)2,所以浸泡凝石供試體的海水pH值與海水對照組的pH值接近。說明凝石供試體對海洋環(huán)境的pH值影響不大,在海水中釋放的堿性物質(zhì)相對較少。因此,從對海水pH值的影響程度考量,以凝石膠凝材料作為人工魚礁材料比水泥更合適。

本研究結(jié)果僅證明了凝石供試體的耐久性和親水性均優(yōu)于水泥供試體,今后將進(jìn)一步研究凝石供試體在海洋中的生物附著性等,以探討其作為人工魚礁材料的實(shí)用性。

[1] 陳勇,于長清,張國勝,等.人工魚礁的環(huán)境功能與集魚效果[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(1):64-69.

[2] 劉卓,楊紀(jì)明.日本海洋牧場研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息,1995,10(5):14-18.

[3] 馬軍英,楊紀(jì)明.日本的海洋牧場研究[J].海洋科學(xué),1994 (3):23-24.

[4] 于沛民,張秀梅,張沛東,等.人工藻礁設(shè)計(jì)與投放的研究進(jìn)展[J].海洋科學(xué),2007,31(5):80-84.

[5] 倪文,殷玉婷,孫恒虎.防地成巖的新一代膠凝材料——凝石自然科學(xué)、材料科學(xué)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新焦點(diǎn)[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2005(5):37-43.

[6] 孫恒虎,易忠來,魏秀泉,等.凝石混凝土耐久性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2009,28:6-9.

[7] 唐逸民.海洋學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1997:44-45.

The feasibility of congealing stone used as artificial reef materialsⅠ——compressive strength,and pH in immersed seawater reference to cement

CHEN Yong1,TIAN Tao1,NI Wen2,ZHAO Zi-yi1,LIU Yong-hu1
(1.Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Civil and Environment Engineering Institute,University of Science and Technology of Beijing,Beijing 110000,China)

The compressive strength,and pH values in immersed seawater were examined in congealing stones made of mine tailings(ratio of water to mine tailings=0.60,S1;0.55,S2;0.49,S3;and 0.44,S4)reference to cement(ratio of water to cement=0.60,C1;0.55,C2;0.49,C3;and 0.44,C4)to explore the feasibility of the congealing stone as artificial reef materials.The results showed that 1)the intensities in 28 day conservation in freshwater were found higher in the congealing stone groups(S1,S2,S3,S4)than those in the concrete groups except for in group S4.The intensity of the module was shown to be increased first and then decreased with the increase in water cement ratio.Apart from C4,there were higher intensities in the concrete groups than those in the congealing stone groups significantly,with the procedure of being immersed in the sea water.2)the intensities in 60 day conservation in seawater were found to be higher than those in the cement group while the intensities in 30 day conservation in seawater,there were except in S4 and C4.The pH values of 8.84,8.87,9.10,and 8.95 were found in the congealing stone groups immersed in the sea water,and the pH values of 10.42,10.44,10.80,and 10.72 in the cement group immersed in the sea water,lower than in the concrete group with the same water cement ratio.From the above rsults,it is concluded that the congealing stones can be used as the artificial reef materials, with superior to concrete.

congealing stone;artificial reef material;compressive intensity;pH

S953.1

A

2095-1388(2012)03-0269-05

2011-11-29

國家“863”高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA100303);國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200805030);農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(2011-G29(2));公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903005);遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011228001)

陳勇(1956-),男,博士,博士生導(dǎo)師,教授。E-mail:chenyong@dlou.edu.cn