堿式硫酸鎂水泥珊瑚混凝土的抗壓強度及其影響因素

郭建博,余紅發(fā),麻海燕,常 赟

(1.南京航空航天大學 民航學院土木與機場工程系,江蘇 南京 211106；2.江蘇省機場基礎設施安全工程研究中心,江蘇 南京 211106)

1 前 言

隨著國際形勢日趨嚴峻,對諸多島嶼的開發(fā)勢在必行。但是由于大部分島礁距離大陸較遠,嚴重缺乏砂石淡水資源,考慮到工程成本以及自然條件的限制,島礁工程建設可選用島嶼上豐富的珊瑚礁(砂)代替普通粗細骨料,海水為拌和養(yǎng)護的用水方法,制備一種新型海工島礁混凝土—全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete,CASC)。在海洋工程中,硅酸鹽水泥混凝土易受到海水侵蝕而影響其物理力學性能；堿式硫酸鎂水泥(basic magnesium sulfate cement,BMSC)是國內(nèi)學者發(fā)現(xiàn)的一種具備早強、快凝、抗水熱等優(yōu)點的新型鎂質(zhì)水泥[1],利用BMSC 制備新型海工混凝土,并研究影響立方體抗壓強度的各種因素,對建設海島工程有重要的工程意義和現(xiàn)實價值。

美國是第一個開始研究珊瑚混凝土的國家,在其周邊眾多島嶼上采用珊瑚混凝土(coral aggregate concrete,CAC)修建大量軍事建筑[2],20世紀50～60年代,Dempsey G[3]和Narver D L[4]對早期的CAC建筑物進行廣泛的評估,發(fā)表了關于開采和加工珊瑚骨料以及CAC 配合比與攪拌標準等報告。我國于1980年左右開展了大量CAC 研究,王以貴等[5]、陳兆林等[6]、盧博等[7]在西沙工程建設中大量采用了C15～C25的CAC 用于港工構筑物；2010 年以后李林[8]、趙艷林等[9]、王磊等[10]對C20～C30 的CAC力學性能開展了深入的研究工作；2013 年以后余紅發(fā)等[11-16]通過島上調(diào)研對珊瑚混凝土的配合比設計、力學性能、耐久性、梁柱構件力學性能與服役壽命開展了系統(tǒng)的研究。

磷酸鎂水泥、硫氧鎂水泥和氯氧鎂水泥構成了鎂質(zhì)水泥。1867 年,Sorel[17]首先發(fā)明了氯氧鎂水泥；1983年,美國Brookhaven國家實驗室[18-19]研發(fā)出磷酸銨鎂水泥,并研究了其水化產(chǎn)物和機理；Argonne國家實驗室[20]發(fā)明了水化性能更優(yōu)異的磷酸鉀鎂水泥。硫氧鎂水泥是被廣大學者研究開發(fā)的另一種鎂質(zhì)膠凝材料,其中堿式硫酸鎂水泥是由余紅發(fā)等[21-24]借助外加劑技術發(fā)明的一種完全不同于傳統(tǒng)硫氧鎂水泥的新型鎂質(zhì)膠凝材料；2016年之后何梁[25]、岳鵬[26]、王南等[27]、張娜等[28]、朱海威等[29]、劉婷等[30]對堿式硫酸鎂水泥混凝土的配合比設計、梁柱構件的力學性能、耐水性、單軸應力應變曲線、動態(tài)沖擊力學性能開展了研究。

為了探究堿式硫酸鎂水泥珊瑚混凝土(BMSCCAC)的立方體抗壓強度(fcu),本實驗擬通過改變堿式硫酸鎂水泥總量、萘系高效減水劑摻量及珊瑚砂率這三個影響因素,探究BMSC-CAC 28 dfcu的變化規(guī)律。研究新型海工BMSC-CAC 的制備技術,為后續(xù)BMSC-CAC的制備提供基礎數(shù)據(jù)。

2 實 驗

2.1 原材料

原材料主要包括某公司生產(chǎn)的52.5型堿式硫酸鎂水泥,其基本物理力學性能見表1；南沙某島礁的珊瑚及珊瑚砂(見圖1),珊瑚經(jīng)人工破碎篩分成5～15 mm連續(xù)級配,其表觀密度為2 557 kg/m3,堆積密度為1 062 kg/m3,空隙率為58.3%,針片狀顆粒含量5.5%,1 h吸水率10.9%,含泥量1.3；珊瑚砂表觀密度為2 500 kg/m3,堆積密度為1 391 kg/m3,含泥量17.6%,細度模數(shù)2.44,Ⅱ區(qū)級配,屬于中砂；某廠生產(chǎn)的I級粉煤灰(FA),化學成分見表2；某公司生產(chǎn)的S95級磨細礦渣(SG),比表面積為461 m2/kg,化學成分見表2；某公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑,減水率可達20%；符合國家標準的自來水。

表1 堿式硫酸鎂水泥物理力學性能指標Table 1 Basic physical properties of basic magnesium sulfate cement

表2 膠凝材料的化學成分Table 2 Chemical composition of material %

圖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 配合比及測試方法

通過改變水泥總量、減水劑摻量及珊瑚砂率,設計不同強度等級的BMSC-CAC,每組成型6 個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的標準試件,其配合比及平均立方體抗壓強度見表3。

表3 堿式硫酸鎂水泥珊瑚混凝土配合比及立方體抗壓強度Table 3 Mixture proportion of basic magnesium sulfate cement coral aggregate concrete

珊瑚天然多孔,其特性為“吸水返水”,因此在拌合前需對珊瑚骨料進行預吸水處理。通過實驗用攪拌機制備BMSC-CAC,圖2 給出了具體的投料和攪拌工藝。測定不同配比的坍落度,倒入提前刷好脫模油的模具中,振動成型邊長為100 mm 的立方體試件,置于標準養(yǎng)護條件(溫度:(20±2)℃,相對濕度:60%±5%)下自然養(yǎng)護28 d。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081ˉ2002)[31],測定BMSCCAC的立方體抗壓強度。

圖2 堿鎂珊瑚混凝土投料順序以及拌和方式Fig.2 Mixing procedure of basic magnesium sulfate cement coral aggregate concrete

3 試驗結果及分析

3.1 養(yǎng)護齡期的影響

圖3是養(yǎng)護齡期對不同系列堿鎂混凝土抗壓強度的影響。從圖可見,除了MCS-3、MCS-4和MCC-5試件,其余配合比的BMSC-CAC在7 d時就達到了28 d強度的83%～96%。這是由于BMSC在水化初期,形成了5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O,這些晶須分布均勻且致密[1],當承受荷載時,相比于片狀Mg(OH)2晶體,能承受更大的壓力,在早期強度增長迅速。當砂率改變時,其強度增長的波動較大,最小增長3.27%,最大增長44.1%；當減水劑摻量改變時,波動幅度相比砂率減小,最小增長4.5%,最大增長17%；而改變水泥總量,抗壓強度的增幅變化很大,最小增長8%,最大增長33.8%。三種因素中,水泥總量的變化對抗壓強度的增長速率最敏感,其次為珊瑚砂率,而減水劑種類對抗壓強度漲幅影響相對較小。

圖3 養(yǎng)護齡期和抗壓強度的關系Fig.3 Compressive strength of basic magnesium sulfate cement coral concrete at 7 d and 28 d

3.2 減水劑摻量的影響

圖4是減水劑摻量對堿鎂類混凝土抗壓強度的影響。從圖可見,堿式硫酸鎂水泥混凝土(BMSCC)隨減水劑摻量的增加,抗壓強度總體呈先減小后波動的態(tài)勢。當摻加0～0.75%的減水劑,7和28 d抗壓強度隨減水劑用量的增大而減??；當減水劑摻量為0.75%～3%時,混凝土試件7和28 d抗壓強度總體降低了25%左右,并在這個范圍內(nèi)波動；減水劑摻量分別為1%、1.5%和2.75%時的抗壓強度處于波動的上限,可以明顯看出萘系高效減水劑會對BMSCC 抗壓強度造成不良影響,但是可以提高其工作性能。

圖4 減水劑摻量與抗壓強度的關系Fig.4 Relationship between naphthalene series water reducer and concrete compressive strength

而BMSC-CAC的抗壓強度在7～28 d增長幅度不是很大,7 d就可達到28 d的80%～90%,BMSCCAC的立方體抗壓強度隨減水劑摻量的增加先增長后降低,減水劑摻量為3%時,抗壓強度達到峰值。當減水劑摻量低于3%,抗壓強度值增長速率隨摻量的增加降低,說明萘系減水劑的效果隨摻量增加不再明顯。對于BMSC-CAC 來說,萘系減水劑的添加量控制在2%～3%之間較為合適。在BMSC-CAC中骨料由普通石子替換成珊瑚,由于珊瑚孔洞較多,能將早起吸收的部分水分釋放,達到吸水反水的效果,在初期攪拌過程中,部分減水劑隨著珊瑚砂進入珊瑚的孔洞中,使BMSC顆粒表面吸附外加劑中的陰離子,增加水泥表面的電負性,將初期形成的水泥顆粒絮凝狀結構分散解體,填堵珊瑚的孔洞,增強了珊瑚的強度,同時釋放出游離水,混凝土流動性得到改善,增強了抗壓強度；當減水劑摻量增大,大量自由水阻礙了水泥顆粒絮凝狀結構的形成,使減水率減小,導致抗壓強度降低。

3.3 砂率的影響

圖5是砂率對不同混凝土抗壓強度的影響關系圖。從圖可見,BMSC-CAC的珊瑚砂率范圍為30%～60%,隨著珊瑚砂率的增大,BMSC-CAC 的抗壓強度隨之變大；當砂率達到40%左右時,抗壓強度值達到峰值36.02 MPa,當砂率在超過40%后,BMSC-CAC抗壓強度值逐漸降低。何梁[25]發(fā)現(xiàn),當砂率在36%～48%內(nèi)變化時,BMSCC 抗壓強度隨砂率的增大呈先增大后減小的現(xiàn)象,與本實驗結果類似。對于普通混凝土,田冠飛等[32]研究了砂率與其抗壓強度的關系,由圖6可知,當砂率在22%～42%內(nèi)變化時,抗壓強度隨砂率的提高緩慢增大,這個最大砂率的范圍已超過40%；對于CASC來說,僅有的數(shù)據(jù)顯示,砂率超過45%之后,抗壓強度迅速減小,當砂率大于55%時,抗壓強度緩慢回升,因此,對于BMSC-CAC,最佳的砂率實驗建議取40%。原因是:砂率較小時,珊瑚砂砂漿量不足以包裹住整個珊瑚骨料表面,不能很好地填充珊瑚骨料的空隙,導致混凝土的和易性較差,降低了密實性,從而降低了BMSC-CAC 的抗壓強度；砂率過大時,水泥總量不變,包裹在珊瑚骨料表面的水泥砂漿相對減少,減弱了骨料之間的膠結能力,使抗壓強度降低。

圖5 砂率與抗壓強度的關系Fig.5 Relationship between sand ratio and concrete compressive strength

3.4 水泥總量的影響

圖6是水泥總量對不同混凝土抗壓強度的影響。從圖可見,BMSC-CAC的水泥總量在525～600 kg/m3范圍內(nèi)變化時,抗壓強度持續(xù)增長并達到峰值,而當水泥總量超過600 kg/m3,在600～825 kg/m3范圍內(nèi)變化時,抗壓強度先減小后增大再減小,但始終沒有超過600 kg/m3時的峰值強度。田冠飛等[32]研究了普通混凝土水泥總量與抗壓強度的關系,由圖6可知,當水泥總量在250～370 kg/m3的范圍變化時,隨著水泥總量的增加,抗壓強度也隨之增大,當水泥總量達到370 kg/m3時,抗壓強度達到最大值57 MPa,當水泥總量繼續(xù)增加,抗壓強度迅速減小,至固定值；由圖7可知,當水泥總量在500～600 kg/m3的范圍內(nèi)時,隨著水泥總量增加,抗壓強度先緩慢增加后迅速提升；當水泥總量在500～630 kg/m3的范圍變化時,抗壓強度總體保持不變,有較小的漲幅,但在600 kg/m3時有一個驟降。因此,對于BMSC-CAC來說,本實驗推薦水泥總量控制在550～600 kg/m3之間。原因是BMSC中的主要礦物摻合料FA 起到了很好的減水效果,在水泥量適中時,能起到良好的減水效果,而隨著水泥總量增加,摻合料的量也在增加,表觀密度不變的情況下,影響了水化產(chǎn)物的生成。

圖6 水泥總量與抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between cement content and concrete compressive strength

4 結 論

1.珊瑚砂率的變化對BMSC-CACfcu的增長幅度影響最大,可達到44%,其次為水泥總量,最大達到33.8%,而萘系減水劑對其影響最小,僅達到7.3%。BMCS-CAC的抗壓強度對這三種因素影響的敏感程度依次為:水泥總量＞珊瑚砂率＞萘系減水劑摻量。

2.當萘系減水劑摻量為2%～5%時,BMSC-CAC的fcu隨減水劑摻量增加呈先增后減趨勢,摻量為3%時,其fcu達到峰值。

3.當珊瑚砂率為30%～60%時,BMSC-CAC 的fcu隨珊瑚砂率增加呈先增后減的趨勢,砂率為40%時,其fcu達到峰值。

4.當水泥總量為525～825 kg/m3時,BMSC-CAC的fcu隨水泥總量增加呈先增后減趨勢,水泥總量為600 kg/m3時,其fcu達到峰值。

5.當進行BMCS-CAC的配合比設計時,建議采用砂率為40%,萘系高效減水劑的摻量為2%～3%,水泥總量為550～600 kg/m3。