珊瑚礁砂特征指標對其砂漿強度的影響

陳飛翔 ，劉曠怡 ，張國志 ，丁沙 ，秦明強

（1.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

海洋工程建設遠離大陸，物資、淡水資源匱乏，若使用傳統(tǒng)建筑材料進行海洋工程施工，不僅存在海上運輸任務艱巨、運輸成本過高的問題，而且傳統(tǒng)建筑材料在海洋氣候環(huán)境下耐久性差、服役壽命短，嚴重制約了人類對海洋的大規(guī)模建設、管理和資源開發(fā)。為了解決上述問題，可以考慮充分利用海洋工程周邊的原材料來進行工程建設，例如可以利用珊瑚礁砂作為細骨料，制備一些不需要配筋的海工砂漿結構，如護岸、防波堤等，不僅可以擺脫遠距離海上運輸的制約，而且能夠大幅度節(jié)省工程造價[1-3]。利用珊瑚礁砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)細骨料制備砂漿，國內外開展了一些研究，美國土木工程標準規(guī)定了如缺乏常規(guī)骨料，工程建設可使用珊瑚礁砂作為砂漿骨料，并在太平洋的島嶼上建造了珊瑚礁砂的建筑物；國內對利用珊瑚礁砂制備砂漿的研究不多，基本上還處于實驗室研究階段，尚無工程案例方面的文獻報道。因此，通過研究珊瑚礁砂取代傳統(tǒng)的細骨料制備砂漿，對指導海洋工程的建筑施工、降低施工成本，具有重要的意義及應用價值。

1 原材料

（1）骨料：珊瑚礁砂取自天然珊瑚，細度模數2.1；天然河砂細度模數2.6，含泥量0.3%。2種骨料的物理性能見表1，珊瑚礁砂的力學性能見表2，SEM照片見圖1。

表1 2種骨料的物理性能

表2 珊瑚礁砂各檔粒徑的壓碎值

圖1 珊瑚礁砂的SEM照片

由表1可知，珊瑚礁砂的表觀密度、松散堆積密度和緊密堆積密度均要明顯小于河砂，因此配制出的珊瑚礁砂砂漿的密度要小于河砂砂漿。珊瑚礁砂的吸水率大于河砂，在制備珊瑚礁砂砂漿時，應監(jiān)測珊瑚礁砂含水量，及時調整用水量。珊瑚礁砂的氯離子含量遠高于河砂，珊瑚礁砂的含鹽量主要來自海水中的硫酸鹽和氯鹽，海水中硫酸鹽含量僅為氯鹽的1/10左右（硫酸鹽含量折算為SO42-含量，氯鹽含量折算為Cl-含量），珊瑚礁砂的含鹽量主要是氯鹽引起的，這可能會使珊瑚礁砂砂漿的早期強度增長較快。

由表2可知，珊瑚礁砂的力學性能較差，且壓碎值隨著粒徑的增大而增大，說明珊瑚礁砂粗顆粒的力學性能更差。2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm兩檔的壓碎值均超過了50%，而壓碎值最小的一檔也達到了18.89%，這可能會對珊瑚礁砂砂漿的強度造成影響。

由圖1可以看出，珊瑚礁砂表面粗糙，布滿孔隙，存在很多層狀結構與籠狀結構，這種微觀形貌特點導致其具有較大的比表面積，使用珊瑚礁砂配制砂漿會比使用河砂配制的砂漿需水量要大。

由以上結果可知，珊瑚礁砂密度小、強度較低、表面孔隙豐富，這使得配制珊瑚礁砂砂漿時需水量較多，而砂漿的密度較小；珊瑚礁砂中氯離子含量較高，使用時應注意控制氯離子對砂漿性能的影響。

（2）其它原料：華新P·O42.5水泥，標準稠度用水量27.4%，初、終凝時間分別為135、195min，28 d抗壓、抗折強度分別為52.2、8.1 MPa；減水劑，巴斯夫聚羧酸高效減水劑，減水率為22%；憎水劑，甲基硅酸鈉溶液，濃度分別為2%、4%、6%。

2 試驗設計與性能分析

試驗過程中，首先按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》給出的膠砂比1∶3，水膠比0.5進行試拌，發(fā)現砂漿呈分散砂粒狀，無法成型[見圖2（a）]，這一方面是由于規(guī)定給出的膠砂比1∶3為質量比，而珊瑚礁砂的表觀密度較小，造成了細骨料的整體比表面積較大，膠凝材料無法完全包裹細骨料；另一方面，珊瑚礁砂特有的疏通多孔使得其會吸掉一部分水，使得水膠比為0.5時無流動性。通過進一步試拌，最終確定了膠砂比1∶2，水膠比0.6，并摻加2%的減水劑，制備出的砂漿工作性能良好[見圖2（b）]，砂漿配合比見表3，此后文中所有砂漿試驗均采用此配合比。

圖2 珊瑚礁砂砂漿的狀態(tài)

表3 珊瑚礁砂砂漿的配合比

2.1 細度模數對砂漿性能的影響

砂的細度模數是劃分砂粗細程度的指標。在砂漿配合比設計中，要以它調整砂率和單位用水量，保持砂漿合適的稠度，從而達到理想的和易性。海洋工程施工過程中的珊瑚礁砂就地取材，不同取樣點細度模數跨度較大，因此需研究細度模數對珊瑚礁砂砂漿性能的影響。

細度模數復配采用的方法是將珊瑚礁砂通過0.6 mm篩孔的篩子篩成上下2份，通過不同比例復配并計算出細度模數，研究不同細度模數的珊瑚礁砂對砂漿性能的影響，除砂的細度模數不同外，其它材料品種和用量保持一致。不同細度模數珊瑚礁砂復配比例及砂漿性能測試結果見表4。

由表4可以看出，砂漿流動度隨著珊瑚礁砂細度模數的增大先增大后減小，砂漿的保水性逐漸變差，這說明細砂的保水性相對較好這一方面是因為細砂的比表面積較大，另一方面是因為粗顆粒中的薄片狀形貌不易保水造成的。砂漿的抗折、抗壓強度隨著細度模數的增加基本呈先提高后降低的趨勢，細度模數為2.19時砂漿的強度最高，這說明適宜細度模數的珊瑚礁砂砂漿力學性能最好，過粗或過細的珊瑚礁砂的砂漿力學性能均會下降。

表4 不同細度模數珊瑚礁砂復配比例及砂漿性能

2.2 片狀顆粒含量對砂漿性能的影響

通過對珊瑚礁砂進行篩分發(fā)現，4.75 mm篩上的為珊瑚礁石顆粒以及少量貝殼，而2.36 mm與1.18 mm篩以上部分的幾乎全部是薄片狀顆粒，0.6mm篩孔上珊瑚礁砂才開始出現形狀規(guī)則顆粒（見圖3）。因此選用1.18 mm篩以上片狀顆粒含量作為珊瑚礁砂的特征指標，進行砂漿性能試驗，選擇的片狀顆粒含量分別為7%、10%、13%、16%，其中10%為原狀珊瑚礁砂的片狀顆粒含量，性能測試結果見表5。

圖3 不同篩孔上珊瑚礁砂形貌

表5 不同片狀顆粒含量砂漿的流動度和28 d強度

從表5可以看出，隨著片狀顆粒含量的增加，砂漿流動度逐漸增大，這是因為片狀顆粒無法相互之間形成嵌擠結構，容易相對滑動，起到潤滑的作用，使砂漿的流動度增加?？拐?、抗壓強度均隨著片狀顆粒含量的增加呈先提高后降低的趨勢，原狀珊瑚礁砂砂漿的28 d抗折強度最大，7%～13%片狀顆粒含量范圍內的珊瑚礁砂砂漿抗壓強度較為接近，當片狀顆粒含量達到16%時，抗壓強度急劇下降，這表明過多的片狀顆粒會明顯降低珊瑚礁砂砂漿強度。這與壓碎值指標的測試結果一致，片狀顆粒自身較差的力學強度影響了珊瑚礁砂砂漿的強度。

2.3 含水率對砂漿性能的影響

海洋工程空氣潮濕，雨量充沛，再加上珊瑚礁砂自身多孔，吸水率較大，自然狀態(tài)下的珊瑚礁砂一般含有一定量的水分，且含水量波動范圍較大。珊瑚礁砂不同程度的含水量，在珊瑚礁砂砂漿拌合以及強度增長的過程中會呈現不同的特點。拌合過程中的吸水作用會直接影響砂漿的流動性，而后期養(yǎng)護過程中，珊瑚礁砂會將吸收的水分釋放出來，產生內養(yǎng)護的作用，促進強度的增長。因此，需研究不同含水率對珊瑚礁砂砂漿性能的影響。珊瑚礁砂自然狀態(tài)下的含水率為6.8%～7.5%，將珊瑚礁砂浸泡24 h，然后撈起至不滴水時其含水率為17.2%。因此，根據珊瑚礁砂的含水率變化范圍，選擇0、5%、10%、15%含水率的珊瑚礁砂進行試驗，砂中所含水在加水量中扣除，試驗結果見表6。

表6 不同含水率砂漿的流動度和28 d強度

從表6可以看出，珊瑚礁砂的含水率為5%和10%時，砂漿流動度相比于含水率為0的干砂砂漿增長幅度很大，可見明顯泌水，而含水率為15%時，砂漿流動度只是稍微比干砂砂砂漿大。這是因為干砂的吸水速率很大，拌合時珊瑚礁砂不僅迅速吸收周圍的水分，使水膠比降低，同時吸收了一部分外加劑，2方面共同作用使砂漿流動性變差。而經過5%和10%預濕的珊瑚礁砂內部與外部的毛細管壓力差較小，使得吸水速率變慢，同時吸收的外加劑的量變少，起實際作用的外加劑量較高，因此流動度較大，甚至出現了泌水。而15%含水率下，總用水量中的大部分水在預濕時吸進珊瑚礁砂內部，只余少量自由水，實際水膠比較低，因此流動度較差。無論是抗折強度還是抗壓強度，5%和10%含水率的砂漿在具有較大流動度的同時，力學性能也較好，尤其是在5%的含水率預濕的情況下。適當的預濕改善了砂漿的工作性能，使成型的砂漿試件具有較好的密實度，因此具有較好的力學性能。在珊瑚礁砂的使用過程中發(fā)現，由于珊瑚礁砂表面的孔隙結構，水分不易揮發(fā)，經一段時間的晾曬，其中依然含有較多的水分（7%左右），根據含水率試驗的研究結果，施工現場可直接使用自然條件下的濕砂，不僅可以避免更長時間的晾曬，也可以改善珊瑚礁砂砂漿的性能。但使用自然條件下的濕砂，應及時監(jiān)測珊瑚礁砂的實際含水量，視砂漿狀態(tài)及時對配合比進行調整。

2.4 憎水處理對砂漿性能的影響

基于珊瑚礁砂多孔、吸水量大的特點，將自然條件下的珊瑚礁砂進行憎水預處理。預處理過程如下：（1）往珊瑚礁砂中噴灑甲基硅酸鈉溶液，濃度分別為2%、4%、6%，拌合均勻；（2）靜置風干48 h，待硅醇基完成脫水交聯反應形成憎水層。考慮到憎水劑的減水作用，將砂漿配合比中的水膠比從0.6調整為0.55，其它參數不變。不同憎水劑濃度的珊瑚礁砂砂漿性能見表7。

表7 不同憎水劑濃度砂漿的流動度和28 d強度

由表7可知，隨著憎水劑濃度的增加，珊瑚礁砂漿的流動度逐漸增大，抗壓、抗折強度先提高后降低。憎水劑抑制了珊瑚礁砂對水的吸附，隨著工作性能的提升，強度也有一定的改善。

3 微觀分析

3.1 XRD分析

XRD分析用砂漿的配比見表8，其XRD圖譜見圖4。

表8 XRD分析所用珊瑚礁砂砂漿配合比

圖4 養(yǎng)護28 d砂漿的XRD圖譜

由圖4可以看出，除了標準砂砂漿骨料中的SiO2外，珊瑚礁砂砂漿和標準砂砂漿的水化產物基本相同，都含有Ca（OH）2、AFt、CaCO3和C-S-H凝膠，珊瑚礁砂砂漿的CaCO3峰值明顯強于標準砂砂漿，這是因為珊瑚礁砂砂漿的骨料的主要成分是CaCO3。

Ca（OH）2的衍射峰比較明顯，Ca（OH）2的存在對改善珊瑚礁砂砂漿的孔隙起有利作用，由于珊瑚表面凹凸多孔的特性，Ca（OH）2極易附著于珊瑚礁砂界面處生長，填充了界面過渡區(qū)的孔隙，使界面區(qū)結構的密實度增加。

珊瑚礁砂砂漿中的CaCO3的峰強十分明顯，大部分來源于珊瑚礁砂本身，所以其屬于非新生產物，這說明珊瑚礁砂與硅酸鹽水泥中的熟料礦物成分并不發(fā)生化學反應。C-S-H凝膠是決定砂漿強度的重要因素，其巨大的表面能使骨料顆粒相互吸引，構成空間網架，但由于C-S-H是膠體尺寸的晶體，往往經過很長時間結晶度還是難以提高，所以在XRD圖譜中，衍射峰極其微弱或是被其它礦物強峰所掩蓋[4-6]。

3.2 SEM分析

養(yǎng)護28 d珊瑚礁砂砂漿的SEM照片見圖5。

圖5 28 d珊瑚礁砂砂漿的SEM照片

從圖5可以看出，經過28 d養(yǎng)護，珊瑚礁砂砂漿中生成了大量的C-S-H絮狀凝膠和鈣礬石AFt，C-S-H絮狀凝膠與針棒狀鈣礬石AFt相互交織形成密實結構，同時可觀察到清晰的珊瑚礁砂-水泥漿體界面過渡區(qū)。從圖5可以清楚地看到珊瑚礁砂內部多孔的微觀結構，正是這種多孔結構使得珊瑚礁砂表面粗糙、吸水率較大；珊瑚礁砂不僅內部多孔，其表面也呈現出高低起伏狀不平整的表面，在珊瑚礁砂砂漿硬化之前，水泥漿體會進入珊瑚礁砂表面地勢較低的部分，填補這些空洞，以至于強化了珊瑚礁砂與水泥漿體的界面嚙合作用，使得珊瑚礁砂-水泥漿體的界面粘結力較標準砂骨料-水泥漿體的界面粘結力大，大大改善了界面結構性能。因此，珊瑚礁砂砂漿界面層的彈性模量和強度要優(yōu)于珊瑚礁砂本身。

在骨料-漿體處很難發(fā)現結晶完好的六方板狀Ca（OH）2晶體存在。這是因為珊瑚礁砂的多孔結構具有吸水和供水作用，吸水作用使珊瑚礁砂附近處于局部低水膠比的狀態(tài)，因此減少了水分在珊瑚礁砂和水泥漿界面富集及避免了骨料下部由于內分層作用而形成水囊，避免了界面處Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料與砂漿的界面粘結力，不利于Ca（OH）2晶體的發(fā)育，減少珊瑚砂漿的薄弱部分；供水作用使珊瑚礁砂附近的水泥在后期能充分水化，進一步增大了珊瑚礁砂表面附近水泥石的密實度[4-6]。

4 結論

（1）隨珊瑚礁砂細度模數的增大，珊瑚礁砂砂漿的流動度和抗折、抗壓強度均先提高后降低，細度模數為2.19時砂漿的強度最高，適宜細度模數的珊瑚礁砂砂漿力學性能最好，過粗或過細的珊瑚礁砂砂漿力學性能均會下降。

（2）隨珊瑚礁砂片狀顆粒含量的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動度增大，抗折、抗壓強度先提高后降低，原狀珊瑚礁砂（片狀顆粒含量10%）砂漿的28 d抗折強度最高，過多的片狀顆粒會明顯降低珊瑚礁砂砂漿強度，片狀顆粒自身較差的力學強度影響到了珊瑚礁砂砂漿的強度。

（3）隨珊瑚礁砂含水率的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動度和抗折、抗壓強度均先提高后降低，施工現場可直接使用自然條件下的濕砂，不僅可以避免更長時間的晾曬，也可以改善珊瑚礁砂砂漿的性能。

（4）隨憎水劑濃度的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動度增大，抗折、抗壓強度先提高后降低。

（5）珊瑚礁砂砂漿和標準砂骨料砂漿的28 d水化產物基本相同，都含有 Ca（OH）2、AFt、CaCO3和 C-S-H 凝膠。

（6）珊瑚礁砂內部多孔的微觀結構使得珊瑚骨料-水泥漿體的界面粘結力較河砂骨料-水泥漿體的界面粘結力大，大大改善了界面結構性能，同時在骨料-漿體處很難發(fā)現結晶完好的六方板狀Ca（OH）2晶體存在，進一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密實度。