海蠣殼摻量對(duì)天然砂混凝土和易性的影響研究*

張錦，甘雨平，葉騰，嚴(yán)捍東

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建 漳州 363000； 2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

前言

海蠣殼在我國(guó)沿海地區(qū)較為常見(jiàn)，是一種殼類(lèi)廢棄物，大多處于自然廢棄狀態(tài)，這樣既占用土地，又影響周?chē)h(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)海蠣殼的回收利用已成為學(xué)者研究的熱點(diǎn).近年來(lái)有一些學(xué)者針對(duì)貝殼類(lèi)廢棄物的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了探索研究，研究認(rèn)為貝殼類(lèi)廢棄物經(jīng)加工處理后作為建筑材料能在建筑領(lǐng)域中得到應(yīng)用[1-2].混凝土在建筑上的需求量巨大，砂石是組成混凝土的重要骨料.由于天然砂石是不可再生資源，正逐漸減少.若貝殼類(lèi)廢棄物能夠當(dāng)作骨料和摻合料應(yīng)用在混凝土中，則會(huì)解決這一難題，既創(chuàng)造了效益，同時(shí)又能保護(hù)自然生態(tài)資源.為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了貝殼類(lèi)廢棄物在混凝土中的應(yīng)用研究及對(duì)混凝土性能影響的研究，取得了一定的研究成果.例如，唐衍力等[3]的研究表明：牡蠣殼粉可用作混凝土人工魚(yú)礁材料.牡蠣殼粉替代30%的河砂時(shí)，與海水的相容性最好，且溶出效果最優(yōu).Yang等[4]研究了摻入牡蠣殼粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響.而文獻(xiàn)[5]研究表明包含貝殼的骨料應(yīng)用在混凝土中則降低了混凝土部分的物理力學(xué)性能.由此可見(jiàn)，貝殼類(lèi)廢棄物應(yīng)用在混凝土中是可行的，但對(duì)混凝土性能有一定影響.

和易性是反映新拌混凝土性能的重要指標(biāo)，貝殼類(lèi)廢棄物對(duì)混凝土和易性的影響程度較為明顯.例如，趙暉等[6]研究認(rèn)為粉碎的貝殼作為骨料替代石子，對(duì)混凝土的和易性有不良影響.李霞等[7]研究結(jié)果表明，摻入一定量的牡蠣殼、粉煤灰和礦粉的混凝土能提高混凝土的流動(dòng)性.隨著牡蠣殼摻量的增加，坍落度呈下降趨勢(shì)，摻入20%的牡蠣殼的坍落度最小.周英明等[8]采用牡蠣殼替代部分細(xì)骨料，設(shè)計(jì)了細(xì)骨料替代率分別為0、20%、40%、60%的混凝土.試驗(yàn)結(jié)果表明4種混凝土的保水性和黏聚性均較好，但流動(dòng)性有明顯差別，降低了牡蠣殼混凝土的流動(dòng)性.從以上研究文獻(xiàn)和結(jié)果可知，目前貝殼類(lèi)廢棄物在混凝土中的應(yīng)用主要以牡蠣殼粉摻入的研究較多，但以粗細(xì)骨料摻入的研究較少.因此，要深入探討以海蠣殼為粗細(xì)骨料的研究，重點(diǎn)研究海蠣殼摻量對(duì)混凝土和易性的影響，為海蠣殼混凝土相關(guān)性能的進(jìn)一步研究提供參考依據(jù).

本文采用漳州地區(qū)白云石碎石和河砂作為原材料，通過(guò)研究同一強(qiáng)度等級(jí)不同替代率下的海蠣殼摻量對(duì)混凝土和易性的影響，確定混凝土和易性較好的海蠣殼合理替代率范圍.試驗(yàn)以低強(qiáng)度等級(jí)C25為研究對(duì)象，在保持C25天然砂混凝土配合比不變的前提下，用海蠣殼替代部分碎石(其中海蠣殼替代率為0%、5%、10%、15%、20%)，研究不同替代率下的海蠣殼摻量對(duì)同一種強(qiáng)度等級(jí)混凝土和易性的影響程度和規(guī)律，確定海蠣殼在粗骨料中的合理替代率范圍并分析其機(jī)理，同時(shí)對(duì)和易性試驗(yàn)影響因素進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料的選用

(1)水泥：采用潤(rùn)豐水泥P.O42.5R.

(2)細(xì)骨料：漳州地區(qū)河砂，為中砂，級(jí)配屬Ⅱ區(qū).

(3)粗骨料：粒徑為5～19 mm的漳州地區(qū)白云石碎石.

(4)摻合料：莆田地區(qū)海蠣殼，經(jīng)破碎后粒徑為16 mm以下.

(5)水：自來(lái)水.

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)所用混凝土配合比如表1所示.海蠣殼摻量分別為基準(zhǔn)配合比中粗骨料用量的0%、5%、10%、15%、20%.

表1 混凝土配合比

2 試驗(yàn)方法

新拌混凝土的和易性試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)[9]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.用坍落度法來(lái)測(cè)定新拌混凝土的流動(dòng)性，在試驗(yàn)中通過(guò)觀察新拌混凝土的黏聚性及保水性，以判定混凝土和易性.

3 試驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的和易性及坍落度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示，混凝土坍落度隨海蠣殼替代率的變化如圖2所示.

表2 混凝土的和易性及坍落度試驗(yàn)結(jié)果

(A1)C25混凝土和易性 (A2)C25混凝土坍落度 (B1)C25海蠣殼5%混凝土和易性 (B2)C25海蠣殼5%混凝土坍落度

(C1)C25海蠣殼10%混凝土和易性 (C2)C25海蠣殼10%混凝土坍落度 (D1)C25海蠣殼15%混凝土和易性 (D2)C25海蠣殼15%混凝土坍落度

(E1)C25海蠣殼20%混凝土和易性 (E2)C25海蠣殼20%混凝土坍落度

圖2 混凝土坍落度隨海蠣殼替代率的變化

從表2的試驗(yàn)結(jié)果和圖1的試驗(yàn)過(guò)程中可以得出，不同替代率的海蠣殼摻量對(duì)混凝土的和易性產(chǎn)生了一定的影響，流動(dòng)性和黏聚性變化較為明顯.C25基準(zhǔn)混凝土的和易性整體上較好，流動(dòng)性及黏聚性也較好，不泌水.海蠣殼替代率為5%時(shí)混凝土的和易性較好，與基準(zhǔn)混凝土的和易性進(jìn)行比較，流動(dòng)性有所降低，但黏聚性提高，總的來(lái)看變化不大.海蠣殼替代率為10%時(shí)混凝土的和易性好，但流動(dòng)性降低，黏聚性也有所降低.海蠣殼替代率為15%時(shí)混凝土的和易性變化明顯，較為一般，流動(dòng)性大幅度降低，骨料之間的粘稠度變小，黏聚性一般.海蠣殼替代率為20%時(shí)混凝土的和易性差，拌合物基本上不流動(dòng)，骨料出現(xiàn)分離、成團(tuán)現(xiàn)象，黏聚性較差.從圖2中可以看出，隨著海蠣殼替代率的增加，混凝土的坍落度逐漸降低，降低明顯且幅度較為均勻，坍落度的變化對(duì)混凝土的和易性產(chǎn)生了影響.

從以上的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：混凝土坍落度隨海蠣殼摻量的增加而降低，流動(dòng)性隨海蠣殼摻量的增加而逐漸降低，黏聚性隨海蠣殼摻量的增加先提高后逐漸降低，但保水性較好，拌合物不出現(xiàn)泌水.總體上來(lái)看，海蠣殼替代率在5%～10%之間混凝土的和易性較好.這表明了在混凝土中摻加適量的海蠣殼能夠改善混凝土的和易性，摻加過(guò)量的海蠣殼則會(huì)降低混凝土的和易性.由此通過(guò)試驗(yàn)研究也進(jìn)一步表明了在混凝土中摻加海蠣殼是可行的.

3.2 機(jī)理分析

從上述的研究結(jié)果能夠看出海蠣殼對(duì)混凝土的和易性影響與海蠣殼摻量有一定的關(guān)系，影響程度各有不同，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析，其原因主要有如下.

(1)試驗(yàn)所用的海蠣殼經(jīng)破碎后粒徑為16mm以下，從成分構(gòu)成來(lái)看，海蠣殼里面已含有海蠣殼粗細(xì)骨料以及部分海蠣殼粉，海蠣殼按照基準(zhǔn)混凝土粗骨料的替代率直接摻加到混凝土中，使得混凝土內(nèi)部的材料組成結(jié)構(gòu)得到重新整合，海蠣殼摻量對(duì)新拌混凝土的和易性產(chǎn)生了不同程度的影響.

(2)混凝土中含有一定量的水，這些水能夠滿(mǎn)足新拌混凝土的正常需求.當(dāng)混凝土中摻加海蠣殼后，由于海蠣殼中含有海蠣殼粉，在混凝土攪拌中，有一部分水被海蠣殼粉吸收，這樣影響到水泥的水化作用，使得新拌混凝土拌合物的流動(dòng)性降低.同時(shí)，適量的海蠣殼粉在混凝土中還起到填充骨料之間空隙的作用，從而提高了新拌混凝土的黏聚性.然而過(guò)量的海蠣殼粉會(huì)造成混凝土拌合物干澀，黏稠度降低，影響到混凝土的和易性.

(3)由于破碎后的海蠣殼骨料形狀各異，棱角多樣，在混凝土骨料拌合中表面會(huì)附著一部分水泥漿體，這樣使得混凝土中用于砂石黏結(jié)作用的水泥漿體減少，骨料之間的潤(rùn)滑作用減弱，造成新拌混凝土的流動(dòng)性降低，特別是隨著海蠣殼摻量的增加，混凝土的流動(dòng)性表現(xiàn)出明顯的降低，黏聚性逐漸降低，和易性變化較為明顯.

4 和易性試驗(yàn)影響因素分析

影響混凝土和易性的因素有多方面，針對(duì)本試驗(yàn)的研究，著重從單位用水量、砂率、水灰比這三個(gè)因素進(jìn)行分析.在混凝土中摻加海蠣殼，海蠣殼摻量的變化可能會(huì)引起這些因素的變化，從而對(duì)混凝土的和易性產(chǎn)生影響.

4.1 單位用水量

單位用水量對(duì)混凝土和易性的影響較為顯著.在試驗(yàn)中，海蠣殼的摻入會(huì)改變混凝土骨料的結(jié)構(gòu)組成，若要保持相同的混凝土坍落度，則需要增加用水量.本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)，主要研究在相同的單位用水量下，海蠣殼摻量對(duì)混凝土和易性的影響.由于試驗(yàn)所用的海蠣殼為粗細(xì)骨料組成的混合料，里面含有一定量的海蠣殼粉，這些海蠣殼粉會(huì)吸收一部分水，在單位用水量不變的條件下，必然會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性，從混凝土攪拌試驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到流動(dòng)性的變化.

4.2 砂率

砂率對(duì)于改善混凝土的和易性具有重要作用.本試驗(yàn)拌制的混凝土中用海蠣殼替代部分碎石，使得混凝土中碎石的用量減少，在砂用量保持不變的情況下，實(shí)際上是提高了混凝土的砂率.一般來(lái)說(shuō)，在合理的砂率范圍內(nèi)，砂率提高了，混凝土的流動(dòng)性和黏聚性也隨之提高.在本試驗(yàn)中，隨著海蠣殼摻量的增加，碎石用量逐漸減少，則砂在砂石總用量中的比例在逐漸增大，從理論上來(lái)看混凝土的流動(dòng)性應(yīng)增大.然而從實(shí)際的試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土的流動(dòng)性和黏聚性都呈現(xiàn)出降低現(xiàn)象，原因很可能是混凝土中海蠣殼粉的增加吸收了一部分水所引起混凝土內(nèi)部水分的減少，從而影響到混凝土的流動(dòng)性和黏聚性.

4.3 水灰比

水灰比也是影響混凝土和易性的一個(gè)重要因素.本試驗(yàn)根據(jù)原材料的性質(zhì)，按照低強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，其中水灰比取值為0.55，以此試驗(yàn)反映混凝土的和易性變化情況.從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，混凝土的流動(dòng)性隨海蠣殼摻量的增加而降低，這可能與水灰比的設(shè)計(jì)有一定的關(guān)系，分析其原因很可能是海蠣殼中的海蠣殼粉充當(dāng)著摻合料的作用，這樣使得膠凝材料的用量提高了，實(shí)際上是降低了水灰比.若要達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的混凝土坍落度，使得混凝土的流動(dòng)性不受到過(guò)多的影響，則應(yīng)該增加用水量.在水灰比保持不變的條件下，海蠣殼用量越少，則海蠣殼粉的含量也相應(yīng)越少，以此達(dá)到混凝土的流動(dòng)性要求，從而改善混凝土的和易性.

5 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)研究海蠣殼摻量對(duì)天然砂混凝土和易性的影響，得出了以下幾個(gè)結(jié)論.

(1)混凝土坍落度隨海蠣殼摻量的增加而降低，主要是由于試驗(yàn)所用的海蠣殼中含有海蠣殼粉，海蠣殼粉會(huì)吸收混凝土中的一部分水從而影響到混凝土的坍落度.

(2)隨著海蠣殼摻量的增加，混凝土的流動(dòng)性逐漸降低，黏聚性先提高后逐漸降低，但總體上保水性較好，不泌水.造成這種現(xiàn)象的原因在于海蠣殼摻量的增加使得海蠣殼粉的含量也在增加，海蠣殼粉影響到混凝土的流動(dòng)性，但對(duì)保水性產(chǎn)生積極影響.

(3)從試驗(yàn)研究結(jié)果來(lái)看，海蠣殼替代率在5%～10%之間混凝土的和易性較好，試驗(yàn)表明了摻加適量的海蠣殼能夠改善混凝土的和易性.

總之，海蠣殼摻量對(duì)混凝土和易性產(chǎn)生了一定程度的影響，變化較為明顯.試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)一步表明了海蠣殼中的海蠣殼粉能夠充當(dāng)摻合料作用，適當(dāng)?shù)暮Ｏ牃し墼诟纳苹炷恋恼w和易性中起到了積極促進(jìn)作用.同時(shí)試驗(yàn)得出的研究結(jié)果對(duì)后續(xù)深入進(jìn)行海蠣殼混凝土的性能研究提供了重要的參考價(jià)值.