海蠣殼替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

張 錦，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 361021）

0 前言

在建筑上，混凝土作為一種常用的建筑材料，其需求量巨大。天然砂石是組成混凝土的重要粗細(xì)骨料，由于長期被開采利用，導(dǎo)致砂石自然資源日益減少，生態(tài)環(huán)境受到破壞。

為了保護(hù)生態(tài)資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，迫切需要尋找新材料以替代砂石骨料。混凝土強(qiáng)度是評判混凝土性能的重要指標(biāo)，粗骨料是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，常用的粗骨料中以石灰?guī)r和花崗巖居多，采用其他巖石較少。我國沿海地區(qū)盛產(chǎn)海蠣，海蠣殼作為一種固體廢棄物材料，若能當(dāng)作骨料用在混凝土中，則既解決環(huán)境污染問題，又產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，海蠣殼在混凝土中的研究應(yīng)用越來越受到學(xué)者們的重視。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對貝殼垃圾在混凝土生產(chǎn)中的再利用開展了一些相關(guān)研究［1］。

貝殼在實際中的用途較為廣泛，王蓮蓮等［2］綜述了國內(nèi)外對貝殼的利用概況，展望了貝殼礁的發(fā)展前景。海蠣殼作為一種貝殼類廢棄物，代銀平等［3］經(jīng)研究認(rèn)為貝殼廢棄物可用作建筑材料。從混凝土應(yīng)用進(jìn)展來看，目前國內(nèi)外學(xué)者針對貝殼類在混凝土中的應(yīng)用及混凝土抗壓強(qiáng)度性能影響因素進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一些有價值的研究成果。例如，Yoon等［4］研究了普通砂漿與不同比例牡蠣殼的混合物，認(rèn)為當(dāng)牡蠣殼粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到40%時，抗壓強(qiáng)度沒有明顯變化。Yang等［5］研究了摻入牡蠣殼粉對混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)28 d抗壓強(qiáng)度保持不變。王冬麗等［6］選取秦皇島海域生長的貝殼，對其制備的透水植生混凝土進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：工廠牡蠣垃圾相對廚余扇貝垃圾具有更好的強(qiáng)度；摻入硅灰顯著提高抗壓強(qiáng)度。Nguyen等［7］研究認(rèn)為利用貝殼作為部分或全部粗骨料，可生產(chǎn)低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)功能的透水混凝土。程娟等［8］、Wu等［9］認(rèn)為貝殼骨料中含有的一些物質(zhì)降低了貝殼骨料混凝土的強(qiáng)度。李霞等［10］研究表明，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抗壓強(qiáng)度；牡蠣殼摻量為5%時的抗壓強(qiáng)度最大，而再摻入20%的牡蠣殼后，混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低。趙暉等［11］認(rèn)為粉碎的貝殼作為骨料替代石子，對混凝土的強(qiáng)度有不良影響。周英明等［12］認(rèn)為：牡蠣殼混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與普通混凝土一致，早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度發(fā)展較慢；各種混凝土早期強(qiáng)度相差較小，后期強(qiáng)度隨牡蠣殼含量的增加，強(qiáng)度下降增大。唐衍力等［13］認(rèn)為：牡蠣殼粉可用作混凝土人工魚礁材料，在抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能不發(fā)生顯著變化（P＞0.05）的前提下，牡蠣殼粉最多可替代40%的河砂。高潮等［14］認(rèn)為，以貝殼為骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度并沒有降低太多。以貝殼為骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著貝殼替代率的升高有所下降。以上的研究結(jié)果表明，在混凝土中摻入貝殼類材料，總體上混凝土28 d抗壓強(qiáng)度有所降低，但降低幅度不大。本試驗重點研究探討海蠣殼替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

本文采用漳州地區(qū)白云石碎石和河砂作為原材料，試驗以低強(qiáng)度等級C25為研究對象，在保持C25天然砂混凝土配合比不變的前提下，用海蠣殼替代白云石碎石（其中海蠣殼替代率為5%、10%、15%、20%。），研究不同替代率下的海蠣殼摻量對同一種強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度和規(guī)律，并與天然砂混凝土進(jìn)行比較，分析其機(jī)理，同時對混凝土抗壓強(qiáng)度試驗的破壞形態(tài)進(jìn)行機(jī)理分析。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料的選用

水泥：潤豐水泥P.O42.5R；細(xì)骨料：漳州地區(qū)河砂，為中砂，級配屬Ⅱ區(qū)；粗骨料：粒徑為5～19 mm的漳州地區(qū)白云石碎石；摻合料：莆田地區(qū)海蠣殼，經(jīng)破碎后粒徑為16 mm以下；水：自來水。

1.2 混凝土配合比

試驗所用C25天然砂混凝土配合比如表1所示，C25海蠣殼混凝土配合比如表2所示。不同替代率下的海蠣殼摻量分別為天然砂混凝土配合比中粗骨料用量的5%、10%、15%、20%。

表1 C25天然砂混凝土配合比

表2 C25海蠣殼混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）［15］進(jìn)行，按規(guī)定方法對試塊進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度值的測試。

2 海蠣殼替代率對混凝土強(qiáng)度的影響結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

海蠣殼替代率對混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度值影響的試驗結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度值的試驗結(jié)果

從表3可以看出，海蠣殼混凝土28 d抗壓強(qiáng)度值隨海蠣殼替代率的增加而降低，且抗壓強(qiáng)度值降低程度大致上保持一致，呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。從試驗結(jié)果來看，海蠣殼替代后的混凝土強(qiáng)度能夠符合強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)要求，但與天然砂混凝土相比，海蠣殼混凝土的抗壓強(qiáng)度值均低于天然砂混凝土。海蠣殼混凝土的抗壓強(qiáng)度值偏低，與海蠣殼摻量有一定的關(guān)系。另外，本試驗采用白云石碎石，相對于石灰?guī)r、花崗巖碎石，白云石碎石的強(qiáng)度較低，用在混凝土中當(dāng)作粗骨料，會影響到混凝土的抗壓強(qiáng)度，需要進(jìn)一步測定驗證。

海蠣殼摻量對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響程度較大。海蠣殼的摻入會改變混凝土內(nèi)部骨料的密實結(jié)構(gòu)，使得混凝土中碎石的用量減少，影響到混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2 機(jī)理分析

從表3可以看出，摻入海蠣殼后，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而逐漸降低，造成這種現(xiàn)象的原因有以下3點：

1）粗骨料的種類、粒徑對混凝土強(qiáng)度的影響。本試驗所用的粗骨料為白云石碎石，白云石在強(qiáng)度上較石灰?guī)r，花崗巖等低，因而抗壓強(qiáng)度相對較低。另外，用于試驗的白云石粒徑相對偏小，從混凝土凝結(jié)到硬化過程中所形成的混凝土內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對偏弱，進(jìn)而影響到混凝土的整體強(qiáng)度，混凝土的抗壓作用較弱，對混凝土強(qiáng)度會產(chǎn)生一定的影響。海蠣殼摻入混凝土中進(jìn)一步改變了混凝土骨料內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)，使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低得更為明顯。

2）海蠣殼摻入對混凝土中碎石含量的影響。本試驗中摻入海蠣殼，海蠣殼摻量的變化會引起混凝土中碎石含量的變化。碎石是粗骨料的重要組成部分，是提高混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素。由于海蠣殼的摻入，混凝土中碎石含量減少，改變了混凝土中粗骨料的組成結(jié)構(gòu)，影響了混凝土的整體抗壓強(qiáng)度，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度值。

3）本試驗所用的海蠣殼中含有海蠣殼粉末，這些粉末會吸收混凝土中的一部分水，使得混凝土中用于水泥水化作用的水減少了，混凝土的水化受到了一定的影響，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成產(chǎn)生了變化，從而對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生了相應(yīng)影響。從試驗結(jié)果來看，粉末主要是起到填充混凝土中空隙的作用，過多的粉末會影響到混凝土的一些性能，對抗壓強(qiáng)度值也產(chǎn)生了影響。

3 海蠣殼替代率對混凝土破壞形態(tài)的影響

3.1 試驗破壞形態(tài)

從圖1～5可以看出，不同海蠣殼替代率的混凝土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律?；炷量箟簭?qiáng)度的破壞形態(tài)與海蠣殼的摻量有一定的關(guān)系。從圖1可知，C25天然砂混凝土破壞形態(tài)為澆筑面出現(xiàn)多條裂縫，將試樣分割成柱狀，側(cè)面破壞較為劇烈，混凝土破壞形態(tài)為中間大兩端小。從圖2可知，海蠣殼替代率為5%的C25混凝土破壞形態(tài)為澆筑面出現(xiàn)少許裂縫，側(cè)面混凝土破壞程度為中間大兩端小。從圖3可知，海蠣殼替代率為10%的C25混凝土破壞形態(tài)為澆筑面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，但不明顯，側(cè)面破壞程度相對較大，但破壞較為均勻。從圖4可知，海蠣殼替代率為15%的C25混凝土破壞形態(tài)為澆筑面出現(xiàn)少許裂縫，側(cè)面破壞程度相對較小，表面出現(xiàn)多條裂縫。從圖5可知，海蠣殼替代率為20%的C25混凝土破壞形態(tài)為澆筑面出現(xiàn)少許裂縫，側(cè)面破壞程度小，表面出現(xiàn)多條裂縫。從海蠣殼摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度來看，海蠣殼摻量會影響到混凝土內(nèi)部的密實結(jié)構(gòu)。海蠣殼摻量少時，混凝土破碎的程度較劇烈，破壞后形成中間小，兩端大的柱狀結(jié)構(gòu)，能夠直接看到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。海蠣殼摻量多時，混凝土破碎的程度減弱，表面出現(xiàn)多條裂縫，但混凝土試塊還能保持原樣。總體上，海蠣殼混凝土的破壞形態(tài)與基體混凝土有一定的關(guān)系，需要探討混凝土破壞形態(tài)與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，深入研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其性能的影響情況進(jìn)行探討。

圖1 C25天然砂混凝土破壞形態(tài)（左為澆筑面，右為側(cè)面）

圖2 海蠣殼替代率為5%的C25混凝土破壞形態(tài)（左為澆筑面，右為側(cè)面）

圖3 海蠣殼替代率為10%的C25混凝土破壞形態(tài)（左為澆筑面，右為側(cè)面）

圖4 海蠣殼替代率為15%的C25混凝土破壞形態(tài)（左為澆筑面，右為側(cè)面）

圖5 海蠣殼替代料為20%的C25混凝土破壞形態(tài)（左為澆筑面，右為側(cè)面）

3.2 機(jī)理分析

混凝土中海蠣殼摻量會影響混凝土的破壞形態(tài)，摻量變化會引起混凝土破壞時裂縫方向的改變，內(nèi)部骨料結(jié)構(gòu)變化，強(qiáng)度逐漸變小。海蠣殼混凝土抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)出現(xiàn)這種情況，有以下3個原因：

1）海蠣殼摻量的變化對混凝土破壞形態(tài)有一定的影響。在天然砂混凝土配合比保持不變的情況下，用海蠣殼替代部分白云石碎石，相對而言，碎石的強(qiáng)度大于海蠣殼的強(qiáng)度。隨著海蠣殼摻量的增加，混凝土中碎石的用量逐漸減少，影響到混凝土的強(qiáng)度。因此，海蠣殼摻量少時，混凝土內(nèi)部的碎石含量大，則混凝土破壞時較為劇烈，用時長。海蠣殼摻量多時，混凝土內(nèi)部的碎石含量少，則混凝土較易破壞，影響程度較大。海蠣殼摻量與混凝土的破壞形態(tài)之間具有一定的聯(lián)系，在應(yīng)用中應(yīng)充分考慮變化情況。

2）海蠣殼的棱角多樣，摻入到混凝土中會影響混凝土的和易性，主要是改變了混凝土的黏聚性，從而影響到混凝土的破壞形態(tài)。黏聚性越大，則海蠣殼與骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度越強(qiáng)，破壞越劇烈。反之，破壞減弱。

3）試驗所用的海蠣殼中含有一部分海蠣殼粉末，這些海蠣殼粉末主要作為混凝土的填料使用。從試驗破壞形態(tài)來看，海蠣殼摻量越多，混凝土的抗壓強(qiáng)度值越低，韌性越好，破壞程度越低。這主要是由于海蠣殼粉末摻入混凝土中會吸收混凝土中的一部分水，影響到水泥的水化。水泥水化作用受到抑制，影響到混凝土內(nèi)部骨料的密實結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生裂縫，這些裂縫互相連通，先是從混凝土表面產(chǎn)生，而后延伸到混凝土內(nèi)部，使得混凝土抗壓能力減弱。海蠣殼摻量越多，則海蠣殼粉末越多，混凝土破壞形態(tài)變化越明顯。因此要重點確定海蠣殼摻量變化范圍對混凝土強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響，在試驗中逐漸調(diào)整以符合要求。海蠣殼粉末對混凝土強(qiáng)度的影響需要進(jìn)一步深入研究探討?？偟膩砜矗珻25天然砂混凝土抗壓時破壞形態(tài)較大，需要進(jìn)一步探討海蠣殼破壞形態(tài)的影響。

4 結(jié)論

本文通過試驗研究了C25天然砂混凝土在不同替代率下的海蠣殼摻量對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度值的影響，得出了以下結(jié)論：

1）海蠣殼混凝土抗壓強(qiáng)度值隨海蠣殼替代率的增加而降低，且抗壓強(qiáng)度值降低程度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。從本試驗得出的結(jié)果來看，海蠣殼替代后的混凝土強(qiáng)度能夠符合強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)要求，但海蠣殼混凝土的抗壓強(qiáng)度值均低于天然砂混凝土的抗壓強(qiáng)度值。

2）海蠣殼混凝土的破壞形態(tài)與海蠣殼的摻量有關(guān)系。海蠣殼摻量越少，碎石含量越高，則混凝土破壞程度越劇烈，破壞形態(tài)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性有關(guān)系?；炷撩軐嵭蕴岣撸瑥?qiáng)度相應(yīng)提高，破壞程度變大，形態(tài)變化也越大。