孙　潇, 韦灼彬, 高　屹

(海军工程大学勤务学院， 天津 300450)



海水拌养珊瑚骨料混凝土配合比试验研究

孙潇, 韦灼彬, 高屹

(海军工程大学勤务学院， 天津 300450)

【摘要】文章介绍了按照正交试验方法，针对四因素三水平，进行珊瑚骨料混凝土配合比试验，分析了水泥用量、骨料用量、体积砂率、净用水量以及龄期对混凝土强度的影响，在试验的基础上推荐了C40强度等级珊瑚混凝土的配合比。

【关键词】正交试验；海水拌养；珊瑚骨料混凝土；配合比

珊瑚礁是由造礁珊瑚群体死后遗骸经过破坏、搬运、沉积以及胶结等作用而形成的特殊岩土体。在岛礁工程建设中开挖礁盘、开劈港池和疏浚航道所得珊瑚礁石，经锤式或颚式破碎机破碎后可形成珊瑚碎屑，粒径较小者为珊瑚碎砂，较大者为珊瑚碎石。用珊瑚碎屑做骨料配制珊瑚混凝土，较之近几年国内学者以海水冲刷至岸边的树状或鹿角状珊瑚块做骨料配制珊瑚混凝土的研究[1-3]更具实用意义，树状或鹿角状珊瑚块无法大量获取且往往强度较低。在文献[4]研究原材料对珊瑚砂混凝土抗压强度影响的基础上，本文以珊瑚碎石作粗骨料、珊瑚碎砂与天然珊瑚砂搭配作细骨料，利用抗硫酸盐水泥配制海水拌养珊瑚骨料混凝土。采用正交试验方法，分析水泥、粗骨料、体积砂率、净用水量等对珊瑚骨料混凝土强度的影响，以获得性能较好的海水拌养珊瑚混凝土优化配合比。

1参数的选择及试验设计

1.1试验材料

珊瑚礁石和天然珊瑚砂均采自远海岛礁。珊瑚礁石破碎后得到珊瑚碎石和珊瑚碎砂，粗骨料为珊瑚碎石，细骨料为珊瑚砂，包括天然珊瑚砂和珊瑚碎砂。水泥为PO42.5级抗硫酸硅酸盐水泥(简称抗硫酸盐水泥)，拌养用水为参照海水指标人工配制海水。试验的外加剂使用按20%浓度配置的聚羧酸高效减水剂。珊瑚砂和珊瑚碎石的基本物理性能参数(表1)。

表1　骨料基本参数

1.2参数水平的选择

以C40为目标设定试配强度为50MPa，根据混凝土配合比松散体积法的特点，水泥用量、用水量以及砂率参照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》确定大概范围。水泥单方用量范围410～510kg，基准值取450kg/m3。粗骨料单方用量范围670～760kg/m3，基准用量为710kg/m3。砂率取值范围35%～45%，基准值取43%。根据稠度要求，净用水量(扣除骨料1h吸水量的用水量)为180～225kg/m3，碎石型轻骨料宜增加10kg/m3，基准值为200kg/m3。本试验使用聚羧酸高效减水剂，干减水率为20 %左右，配制浓度20 %的减水剂溶液亦消耗一定水量，所以制作混凝土时应减少该部分用水，实际总用水量基准值为215kg/m3(表2)。

表2　混凝土配合比参数水平

1.3试验的设计及结果

为研究不同水泥用量、粗骨料用量、细骨料品种以及不同净用水量对珊瑚骨料混凝土的抗压强度的影响，制定珊瑚骨料混凝土的最终配比方案，设定四个因素，分别为水泥用量、粗骨料用量、体积砂率以及净用水量，每个因素三水平，正交试验设计表3所示。

表3　正交试验设计

表3中强度值已按0.95进行折减(试件采用100mm×100mm×100mm试模制作，试件浇筑后24h后拆模并置于相对湿度95%以上、温度20±2℃的环境中养护28d)。

2试验结果分析

2.1均值与方差分析

由图1可看出，对珊瑚骨料混凝土强度影响最显著的因素是水泥的用量，远大于其他几个因素。粗骨料用量对其强度也有较明显的影响，而相比之下净用水量的影响不大。由于正交试验中的4个因素皆为处理因素，这种试验实际没有全面考虑试验误差，在正交试验中，如果没有重复试验又无空白项时，常取各因素中离差平方和最小项作为误差估计[5]，如表4所示。均值与方差分析各因素对试验结果的重要性一致。

(a)水泥用量与混凝土强度关系

(b)粗骨料用量与混凝土强度关系

(c)体积砂率与混凝土强度关系

(d)净用水量与混凝土强度关系

项目SfVFF标准显著性水泥粗骨料体积砂率净用水量合计20.3916.423.651.6042.062222810.198.211.830.80-40.7832.857.303.19-F0.01(2,2)=99.00F0.05(2,2)=19.00显著显著---

2.2各因素对强度的影响

2.2.1水泥用量

水泥用量是影响混凝土强度等力学性能的重要因素，在一定范围内，混凝土的强度随水泥掺量的增加而增大，超过此范围，强度将不出现明显增长，即存在一水泥用量临界值。由于珊瑚表面多空隙且粗糙，水泥砂浆紧密的包裹填充于珊瑚骨料的表面和空隙，在未达到极限承载力时，骨料与水泥石交界处强度将明显影响混凝土强度；当水泥用量达到临界值、水化反应达到一定程度、水泥石强度达到或超过珊瑚碎石强度后时，此时强度取决于珊瑚骨料的强度。根据图1均值直观变化可知，450kg/m3的水泥用量已经接近临界值，即为保证混凝土强度同时从经济成本的角度考虑，水泥用量不宜超过此临界值。除此，水泥的用量决定了水泥砂浆体的流动性，其流动性对混凝土流动性起决定作用[6]，当砂浆稠度过低不仅会影响混凝土流动性还会使其在施工时难以密实，甚至影响混凝土强度和耐久性。

2.2.2骨料用量

骨料用量的增加将会导致混凝土强度的不断降低。经破碎后的珊瑚碎石出现三种类型：岩石型、多孔型和贯通多孔型[7]。珊瑚碎石中约有9%的贯通多孔性碎石，其空隙多为外部空隙，孔隙体系在混凝土的养护进程中，存在吸水和供水作用[8-9]，其中，吸水使得珊瑚骨料旁边的水泥浆体水灰比较低，提高了硬化水泥浆体与珊瑚骨料交界面相互的粘结力，供水使得珊瑚骨料附近的水泥浆体养护时间长[10]，使混凝土的强度有一定程度的增长；而其他两种类型碎石中存在大量的内部空隙，将因水泥砂浆无法填充而影响强度。除此，骨料用量的增加就意味着水泥用量的减少，将会导致混凝土的密实度下降，最终影响混凝土强度。

2.2.3净用水量

净用水量的增加也会导致混凝土强度的降低，这是由于相同的水泥用量下增加用水量意味着水灰比增大，水泥浆液的浓度降低，一系列水化反应后混凝土内的多余游离水分会附着在珊瑚礁碎屑粗颗粒上，降低了粘结面积，粘结力下降，从而在一定程度上降低了混凝土的强度。由于水泥的水化程度和水灰比显著影响混凝土强度，故为提高强度、改善流动性，在混凝土制作时应加入聚羧酸减水剂，减小水灰比，以保证在同等流动性下，混凝土密实度和强度的提高。

2.2.4养护龄期

普通轻骨料混凝土3d可达到28d强度的40%～50%，7d可以达到70%～80%左右，而珊瑚骨料混凝土3d强度可达到28d强度的88%左右，7d强度已达到94%左右，说明珊瑚骨料混凝土早期强度的增长速度和幅度明显高于普通轻骨料混凝土。

图2　不同水泥用量珊瑚骨料混凝土强度随龄期变化

2.3配合比优化设计

2.3.1推荐配合比

根据配合比设计试验结果，综合考虑混凝土强度要求、施工性能要求和经济性，确定表3中编号A4的配合比为最终配合比，如表5所示。

表5　最终配合比　kg/m3

由于珊瑚骨料具有较高的吸水率，如按照普通混凝土拌合投料顺序，则会导致骨料吸收大量拌合用水，不利于水泥反应的进行，而在养护时骨料孔隙中的水分析出与水泥反应，又会形成空腔，使得混凝土密实度降低，影响强度和耐久性。所以其拌合投料顺序可以参考轻骨料混凝土的投料顺序，根据JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》给出的未预湿骨料投料顺序配制，用水量要同时考虑珊瑚骨料的1h吸水量和聚羧酸高效减水剂配制溶液含水量。考虑到珊瑚礁石破碎后所得珊瑚碎屑，包括粗骨料和部分细骨料，在实际配制混凝土时不便也无需进行筛分，直接将珊瑚碎屑作为粗细骨料混合使用，其粗细骨料比例为33∶17，近似为2∶1[7]，因此实际配制珊瑚骨料混凝土时各原材料用量为：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，减水剂溶液21.6kg/m3(浓度20%，减水剂固体3.6kg/m3)。

2.3.2强度试验结果

推荐配合比混凝土强度试验结果见表6。

各组数据值均大于50MPa，按照试配强度计算公式求得混凝土28d立方体抗压强度标准值大于41.7MPa，说明本试验所用珊瑚混凝土达到C40的强度等级要求。

表6　试验结果

3结论

(1)根据正交试验结果分析，混凝土的强度和施工性能受到水灰比、砂率等多种因素影响，各因素对试验结果的重要性为：水泥用量的影响远大于其他几个因素，粗骨料用量对其强度也有较明显的影响，相比之下净用水量的影响不大。由于珊瑚骨料的吸水和供水作用，在混凝土拌养时应注意投料顺序。

(2)强度等级C40的珊瑚骨料混凝土推荐配合比为：水泥450kg/m3，珊瑚碎屑1 020kg/m3，天然珊瑚砂320kg/m3，海水228kg/m3，减水剂溶液21.6kg/m3(浓度20%，减水剂固体3.6kg/m3)。按此配合比制备的混凝土试块28d强度均大于50MPa，其强度可靠且满足设计强度要求。

参考文献

[1]李林，赵艳林，吕海波，等. 珊瑚骨料混凝土力学性能的影响因素研究 [J].福建建材，2011(1):10-11.

[2]赵艳林，韩超，张栓柱. 海水拌养珊瑚混凝土抗压龄期强度试验研究[J].混凝土， 2011(2)：43-45.

[3]王磊，赵艳林，吕海波. 珊瑚骨料混凝土的基础性能及研究应用前景[J].混凝土,2012(2):99-100.

[4]潘柏州，韦灼彬. 原材料对珊瑚砂混凝土抗压强度影响的试验研究[J].工程力学，2015,32(s1):221-225.

[5]张春华，严云良. 医药数理统计[M]． 北京: 科学出版社,2001.

[6]UchikawahHS.Theroleofstericrepulsiveforceinthedispersionofcementpartidesinfreshpastepreparedwithprganicmixture[J].Cementandconcreteresearch, 1997(27):37-50.

[7]潘柏州. 珊瑚骨料混凝土配合比设计及基本力学性能试验研究[D].武汉：海军工程大学，2014.

[8]丁建彤，郭玉顺，木村薰. 结构轻骨料混凝土的现状与发展趋势[J].混凝土，2000(9)：23-25.

[9]宋培晶，刘小龙，丁建彤. 不同轻骨料吸水特性及其对混凝土性能的影响[J].混凝土，2001(6):49-52.

[10]李林，赵艳林，吕海波，等. 珊瑚骨料预湿对混凝土力学性能的影响[J].混凝土，2011(1)：85-86.

【文献标志码】B

【中图分类号】TU528.59

[作者简介]孙潇(1992～),女，硕士研究生，研究方向:混凝土材料性能研究。

[定稿日期]2015-10-13