珊瑚礁混凝土強度特性及微觀礦物研究

袁征 位可可

摘 要：通過不同配合比條件下的珊瑚礁混凝土強度試驗及X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）試驗，研究了珊瑚礁混凝土的抗壓強度發(fā)展規(guī)律及微觀反應。試驗結(jié)果表明：水泥用量、砂率、水灰比以及粉煤灰摻量等影響因素中，水泥用量對珊瑚礁混凝土立方體抗壓強度影響顯著;珊瑚骨料的多孔特性加速珊瑚礁混凝土早期強度發(fā)展，其7 d立方體抗壓強度基本達到28 d立方體抗壓強度的85%以上，但隨著水化過程的進行，強度增長趨勢逐漸減緩;珊瑚礁混凝土界面過渡區(qū)材料中，氫氧化鈣、二氧化硅削弱界面過渡區(qū)的強度，而碳酸鎂對界面過渡區(qū)強度的發(fā)展存在影響。

關(guān)鍵詞：珊瑚礁混凝土;配合比;抗壓強度

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0095-04

Abstract： The development law of compressive strength and microscopic reaction of coral reef concrete were studied by the strength test and X-Ray Diffraction（XRD） test of coral reef concrete under different mix proportions. The results show that the cement content has a significant effect on the compressive strength of coral reef concrete cube among the factors such as cement content， sand ratio， water-cement ratio and fly ash content. The porous characteristics of coral aggregate lead to the rapid development of early strength of coral reef concrete，， and the 7-day cubic compressive strength basically reached more than 85% of the 28-day cubic compressive strength. However， with the progress of hydration process， the strength growth trend gradually slowed down. In the materials of coral reef concrete interface transition zone， calcium hydroxide and silica weaken the strength of interface transition zone， while magnesium carbonate has an influence on the development of interface transition zone strength

Keywords： coral reef concrete;mix proportion;compressive strength

與普通混凝土骨料相比，珊瑚骨料具有質(zhì)量輕、孔隙多、表面幾何特性不一以及吸水性強等特點，屬于天然輕骨料。但是，它又與普通輕骨料不同，具有自己的特點。雖然現(xiàn)在國內(nèi)對珊瑚礁混凝土的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但還沒有相對完善的關(guān)于珊瑚礁混凝土的技術(shù)規(guī)程[1]。因此，為了在島礁工程建設(shè)中更好地發(fā)揮珊瑚礁混凝土的作用，需要對其特性進行更多研究。本文利用采自南海某島礁的礁灰?guī)r碎塊、普通硅酸鹽水泥以及自來水拌制珊瑚礁混凝土，使其28 d抗壓強度達到了50 MPa，并對其力學性能進行了初步研究，同時研究了其骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)的微觀礦物特性。

1 珊瑚礁混凝土配合比試驗

1.1 試驗材料

試驗粗骨料為采自南海某島礁的淺海礁灰?guī)r，主要化學成分為碳酸鈣，表觀密度為1 905 kg/m3，堆積密度為999 kg/m3，孔隙率為49.56%，吸水率為13.17%，筒壓強度為2.51 MPa。細骨料為采自南海某島礁的鈣質(zhì)砂，主要化學成分為碳酸鈣，細度模數(shù)為2.88，表觀密度為2.75 kg/m3，堆積密度為1.13 kg/m3，飽和面干含水率為1.96%。此外，選擇聚羧酸減水劑（減水效率不小于40%）、自來水、P.O42.5級普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級粉煤灰。

1.2 配合比設(shè)計及強度試驗

配合比設(shè)計采用正交設(shè)計方法，選取水泥用量、水灰比、砂率以及粉煤灰摻量作為試驗影響因素[2]。各組配合比數(shù)據(jù)及抗壓強度結(jié)果如表1所示。

1.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果表明，各組混凝土7 d抗壓強度均達到其28 d抗壓強度的85%以上，屬于早強混凝土。隨著水化過程的進行，強度增長趨勢逐漸減緩。

珊瑚混凝土早期抗壓強度的增長速度要比普通混凝土快很多，主要原因是珊瑚骨料本身的多孔、高吸水率和表面幾何特征不一。在攪拌初期，珊瑚骨料的大量孔隙吸收水泥漿體中的拌和用水，使珊瑚骨料周圍的水泥漿體水灰比降低，減少了拌和水在珊瑚骨料表面的聚集，避免了拌和水在重力作用下在珊瑚骨料下部邊緣出現(xiàn)分層而形成“水囊”。骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)不會出現(xiàn)大量Ca（OH）2富集和定向排列，使得過渡區(qū)強度得到增強。

為了使正交試驗結(jié)果更直觀地反映不同因素水平下混凝土28 d抗壓強度的變化趨勢，將表1的試驗結(jié)果繪制成如圖1所示的曲線圖。

從圖1可以看出：當水泥用量為700 kg/m3時，混凝土的28 d立方體抗壓強度最大;水灰比為0.33時，混凝土的28 d立方體抗壓強度最大，隨著水灰比的增大或者減小，其強度都出現(xiàn)減少的趨勢;砂率為50%時，珊瑚礁混凝土的28 d立方體抗壓強度最小，當砂率減小或增加時，其強度出現(xiàn)增大的趨勢;粉煤灰摻量為0%時，珊瑚礁混凝土的28 d立方體抗壓強度最大，而隨著粉煤灰摻量的增加強度逐漸減小。方差分析結(jié)果如表2所示。

根據(jù)概率統(tǒng)計學，方差之比服從[F]分布，自由度為2，選取分位數(shù)為0.95時的[F]分布值。當[F≥F0.05]時，認為因素對抗壓強度的影響顯著。

從方差分析結(jié)果可以看出，水泥用量對珊瑚礁混凝土強度的影響顯著。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是珊瑚骨料孔隙多，且表面幾何特征不一。它的比表面積比普通混凝土骨料大，需要更多的水泥才能包裹住骨料，因此所需的單位體積水泥用量對其強度的影響比普通混凝土大。當水泥用量較少時，水泥不能夠完全包裹珊瑚骨料，導致水泥漿體與骨料之間的黏結(jié)力降低，使珊瑚骨料表面的水泥石在受壓過程中容易開裂剝落，降低了珊瑚礁混凝土的抗壓強度;當水泥用量過多時，雖然此時混凝土中水泥漿體的含量大幅增加，但是珊瑚礁混凝土的抗壓強度受制于自身珊瑚骨料的強度較低，因此珊瑚礁混凝土的抗壓強度不會提高，甚至會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象[3]。

水灰比對抗壓強度的影響不明顯，是因為試驗選取的水灰比在0.36以下，屬于低水灰比。低水灰比混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為密實，當水灰比在這個范圍發(fā)生變化時，混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)并不會發(fā)生很大的變化，甚至可能出現(xiàn)部分水泥顆粒不能夠完全水化的問題，造成混凝土內(nèi)部黏結(jié)性能減弱，強度降低[4]。

粉煤灰可通過與氫氧化鈣發(fā)生二次水化生成水化硅酸鈣，即“火山灰反應”，從而增強混凝土強度[5]。普通混凝土中大部分氫氧化鈣經(jīng)常在骨料附近水分較多的地方聚集，但是珊瑚骨料的吸水性使其附近的水分大量降低，導致可參與二次水化的氫氧化鈣較少。同時，粉煤灰發(fā)生二次水化一般是在水泥水化后期，需要較長時間才能體現(xiàn)其對混凝土強度的改善。未發(fā)生二次水化反應的粉煤灰不僅沒有增強混凝土的抗壓強度，還降低了水泥漿體的黏結(jié)性。

2 界面過渡區(qū)材料X射線衍射試驗

為研究珊瑚礁混凝土內(nèi)部各物質(zhì)之間的相互關(guān)系，試驗選取珊瑚礁混凝土骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)位置的粉末材料進行X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）試驗。

為了獲取珊瑚礁混凝土骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)的粉末材料，需要對已完成抗壓強度試驗的試塊進行破碎處理。首先，分別處理1#、4#兩組配合比7 d、14 d、21 d以及28 d的樣品，選取包含骨料和水泥石的碎塊放入無水乙醇內(nèi)浸泡24 h，使樣品終止水化。其次，浸泡后取出，放入烘箱內(nèi)，在60 ℃的溫度下烘干6 h至質(zhì)量恒定。最后，用工具獲取骨料表面1 mm以內(nèi)的混凝土樣品，放入研缽研成粉末，將研磨的粉末放入試驗儀器內(nèi)進行測試。

珊瑚骨料的主要成分為碳酸鈣，其含量達到骨料總量的97%以上[6]。雖然材料處理時盡量選取混凝土過渡區(qū)部分的材料，但是最終的試驗樣品中依然含有大量的碳酸鈣。分析計算各齡期XRD圖譜，得到1#組和4#組各礦物的相對含量（由于碳酸鈣不參與水化反應，剔除碳酸鈣），結(jié)果分別如表3和表4所示。

從表3和表4可以看出，隨著齡期的增加，二氧化硅和氫氧化鈣的相對含量整體呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，碳酸鎂的相對含量整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。普通混凝土界面過渡區(qū)（Interface Transition Zone，ITZ）的主要成分有水化硅酸鈣、氫氧化鈣、鈣礬石、碳酸鎂以及二氧化硅等。其中：水化硅酸鈣為ITZ強度的主要來源;氫氧化鈣和未參與水化反應的二氧化硅、鈣礬石等會削弱ITZ的強度;碳酸鎂可以與水泥中的水化鈣離子發(fā)生反應生成不溶性結(jié)晶，填充混凝土孔隙。試驗結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護齡期的增長，珊瑚礁混凝土ITZ中碳酸鎂的相對含量逐漸增加，同時混凝土強度逐漸增加，可見碳酸鎂的含量對珊瑚礁混凝土ITZ的強度發(fā)展存在影響。

同時可以看出，養(yǎng)護齡期達到14 d后，3種結(jié)晶礦物的變化幅度并不是很大，原因是珊瑚礁混凝土為早強混凝土，7 d齡期時強度已是28 d強度的85%以上[7]。因此，7 d之后，珊瑚礁混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分的變化很小。

3 結(jié)論

①通過對水泥用量、砂率、水灰比以及粉煤灰摻量等影響因素進行方差分析得出，水泥用量對珊瑚礁混凝土立方體抗壓強度影響顯著。

②珊瑚礁骨料多孔、高吸水率、表面幾何特征不一的特性，使珊瑚礁混凝土界面過渡區(qū)水灰比普通混凝土低，導致珊瑚礁混凝土早期強度發(fā)展速度很快。它的7 d立方體抗壓強度基本達到28 d立方體抗壓強度的85%以上，但隨著水化過程的進行，強度增長趨勢逐漸減緩。

③珊瑚礁混凝土骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)的結(jié)晶礦物有氫氧化鈣、碳酸鎂以及二氧化硅等。氫氧化鈣、二氧化硅會削弱ITZ的強度，而碳酸鎂對ITZ的強度發(fā)展存在影響。

參考文獻：

[1]陳兆林，陳天月，曲勣明.珊瑚礁砂混凝土的應用可行性研究[J].海洋工程，1991（3）：67-80.

[2]陳兆林，孫國峰，唐筱寧，等.島礁工程海水拌養(yǎng)珊瑚礁、砂混凝土修補與應用研究[J].海岸工程，2008（4）：60-69.

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[6]潘柏州，韋灼彬.原材料對珊瑚砂混凝土抗壓強度影響的試驗研究[J].工程力學，2015（增刊1）：221-225.

[7]POWERS T C.Structure and physical properties of hardened portland cement paste[J].Journal of the American Ceramic Society，1958（1）：1-6.