袁征 位可可

摘 要：通过不同配合比条件下的珊瑚礁混凝土强度试验及X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）试验，研究了珊瑚礁混凝土的抗压强度发展规律及微观反应。试验结果表明：水泥用量、砂率、水灰比以及粉煤灰掺量等影响因素中，水泥用量对珊瑚礁混凝土立方体抗压强度影响显著;珊瑚骨料的多孔特性加速珊瑚礁混凝土早期强度发展，其7 d立方体抗压强度基本达到28 d立方体抗压强度的85%以上，但随着水化过程的进行，强度增长趋势逐渐减缓;珊瑚礁混凝土界面过渡区材料中，氢氧化钙、二氧化硅削弱界面过渡区的强度，而碳酸镁对界面过渡区强度的发展存在影响。

关键词：珊瑚礁混凝土;配合比;抗压强度

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：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

与普通混凝土骨料相比，珊瑚骨料具有质量轻、孔隙多、表面几何特性不一以及吸水性強等特点，属于天然轻骨料。但是，它又与普通轻骨料不同，具有自己的特点。虽然现在国内对珊瑚礁混凝土的研究已经取得了一定的成果，但还没有相对完善的关于珊瑚礁混凝土的技术规程[1]。因此，为了在岛礁工程建设中更好地发挥珊瑚礁混凝土的作用，需要对其特性进行更多研究。本文利用采自南海某岛礁的礁灰岩碎块、普通硅酸盐水泥以及自来水拌制珊瑚礁混凝土，使其28 d抗压强度达到了50 MPa，并对其力学性能进行了初步研究，同时研究了其骨料与水泥浆体界面过渡区的微观矿物特性。

1 珊瑚礁混凝土配合比试验

1.1 试验材料

试验粗骨料为采自南海某岛礁的浅海礁灰岩，主要化学成分为碳酸钙，表观密度为1 905 kg/m3，堆积密度为999 kg/m3，孔隙率为49.56%，吸水率为13.17%，筒压强度为2.51 MPa。细骨料为采自南海某岛礁的钙质砂，主要化学成分为碳酸钙，细度模数为2.88，表观密度为2.75 kg/m3，堆积密度为1.13 kg/m3，饱和面干含水率为1.96%。此外，选择聚羧酸减水剂（减水效率不小于40%）、自来水、P.O42.5级普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰。

1.2 配合比设计及强度试验

配合比设计采用正交设计方法，选取水泥用量、水灰比、砂率以及粉煤灰掺量作为试验影响因素[2]。各组配合比数据及抗压强度结果如表1所示。

1.3 试验结果与分析

试验结果表明，各组混凝土7 d抗压强度均达到其28 d抗压强度的85%以上，属于早强混凝土。随着水化过程的进行，强度增长趋势逐渐减缓。

珊瑚混凝土早期抗压强度的增长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、高吸水率和表面几何特征不一。在搅拌初期，珊瑚骨料的大量孔隙吸收水泥浆体中的拌和用水，使珊瑚骨料周围的水泥浆体水灰比降低，减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边缘出现分层而形成“水囊”。骨料与水泥浆体界面过渡区不会出现大量Ca（OH）2富集和定向排列，使得过渡区强度得到增强。

为了使正交试验结果更直观地反映不同因素水平下混凝土28 d抗压强度的变化趋势，将表1的试验结果绘制成如图1所示的曲线图。

从图1可以看出：当水泥用量为700 kg/m3时，混凝土的28 d立方体抗压强度最大;水灰比为0.33时，混凝土的28 d立方体抗压强度最大，随着水灰比的增大或者减小，其强度都出现减少的趋势;砂率为50%时，珊瑚礁混凝土的28 d立方体抗压强度最小，当砂率减小或增加时，其强度出现增大的趋势;粉煤灰掺量为0%时，珊瑚礁混凝土的28 d立方体抗压强度最大，而随着粉煤灰掺量的增加强度逐渐减小。方差分析结果如表2所示。

根据概率统计学，方差之比服从[F]分布，自由度为2，选取分位数为0.95时的[F]分布值。当[F≥F0.05]时，认为因素对抗压强度的影响显著。

从方差分析结果可以看出，水泥用量对珊瑚礁混凝土强度的影响显著。出现这一现象的主要原因是珊瑚骨料孔隙多，且表面几何特征不一。它的比表面积比普通混凝土骨料大，需要更多的水泥才能包裹住骨料，因此所需的单位体积水泥用量对其强度的影响比普通混凝土大。当水泥用量较少时，水泥不能够完全包裹珊瑚骨料，导致水泥浆体与骨料之间的黏结力降低，使珊瑚骨料表面的水泥石在受压过程中容易开裂剥落，降低了珊瑚礁混凝土的抗压强度;当水泥用量过多时，虽然此时混凝土中水泥浆体的含量大幅增加，但是珊瑚礁混凝土的抗压强度受制于自身珊瑚骨料的强度较低，因此珊瑚礁混凝土的抗压强度不会提高，甚至会出现降低的现象[3]。

水灰比对抗压强度的影响不明显，是因为试验选取的水灰比在0.36以下，属于低水灰比。低水灰比混凝土的孔隙结构已经较为密实，当水灰比在这个范围发生变化时，混凝土中的孔隙结构并不会发生很大的变化，甚至可能出现部分水泥颗粒不能够完全水化的问题，造成混凝土内部黏结性能减弱，强度降低[4]。

粉煤灰可通过与氢氧化钙发生二次水化生成水化硅酸钙，即“火山灰反应”，从而增强混凝土强度[5]。普通混凝土中大部分氢氧化钙经常在骨料附近水分较多的地方聚集，但是珊瑚骨料的吸水性使其附近的水分大量降低，导致可参与二次水化的氢氧化钙较少。同时，粉煤灰发生二次水化一般是在水泥水化后期，需要较长时间才能体现其对混凝土强度的改善。未发生二次水化反应的粉煤灰不仅没有增强混凝土的抗压强度，还降低了水泥浆体的黏结性。

2 界面过渡区材料X射线衍射试验

为研究珊瑚礁混凝土内部各物质之间的相互关系，试验选取珊瑚礁混凝土骨料与水泥浆体界面过渡区位置的粉末材料进行X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）试验。

为了获取珊瑚礁混凝土骨料与水泥浆体界面过渡区的粉末材料，需要对已完成抗压强度试验的试块进行破碎处理。首先，分别处理1#、4#两组配合比7 d、14 d、21 d以及28 d的样品，选取包含骨料和水泥石的碎块放入无水乙醇内浸泡24 h，使樣品终止水化。其次，浸泡后取出，放入烘箱内，在60 ℃的温度下烘干6 h至质量恒定。最后，用工具获取骨料表面1 mm以内的混凝土样品，放入研钵研成粉末，将研磨的粉末放入试验仪器内进行测试。

珊瑚骨料的主要成分为碳酸钙，其含量达到骨料总量的97%以上[6]。虽然材料处理时尽量选取混凝土过渡区部分的材料，但是最终的试验样品中依然含有大量的碳酸钙。分析计算各龄期XRD图谱，得到1#组和4#组各矿物的相对含量（由于碳酸钙不参与水化反应，剔除碳酸钙），结果分别如表3和表4所示。

从表3和表4可以看出，随着龄期的增加，二氧化硅和氢氧化钙的相对含量整体呈现逐渐减少的趋势，碳酸镁的相对含量整体呈现逐渐增加的趋势。普通混凝土界面过渡区（Interface Transition Zone，ITZ）的主要成分有水化硅酸钙、氢氧化钙、钙矾石、碳酸镁以及二氧化硅等。其中：水化硅酸钙为ITZ强度的主要来源;氢氧化钙和未参与水化反应的二氧化硅、钙矾石等会削弱ITZ的强度;碳酸镁可以与水泥中的水化钙离子发生反应生成不溶性结晶，填充混凝土孔隙。试验结果表明，随着养护龄期的增长，珊瑚礁混凝土ITZ中碳酸镁的相对含量逐渐增加，同时混凝土强度逐渐增加，可见碳酸镁的含量对珊瑚礁混凝土ITZ的强度发展存在影响。

同时可以看出，养护龄期达到14 d后，3种结晶矿物的变化幅度并不是很大，原因是珊瑚礁混凝土为早强混凝土，7 d龄期时强度已是28 d强度的85%以上[7]。因此，7 d之后，珊瑚礁混凝土内部结构及成分的变化很小。

3 结论

①通过对水泥用量、砂率、水灰比以及粉煤灰掺量等影响因素进行方差分析得出，水泥用量对珊瑚礁混凝土立方体抗压强度影响显著。

②珊瑚礁骨料多孔、高吸水率、表面几何特征不一的特性，使珊瑚礁混凝土界面过渡区水灰比普通混凝土低，导致珊瑚礁混凝土早期强度发展速度很快。它的7 d立方体抗压强度基本达到28 d立方体抗压强度的85%以上，但随着水化过程的进行，强度增长趋势逐渐减缓。

③珊瑚礁混凝土骨料与水泥浆体界面过渡区的结晶矿物有氢氧化钙、碳酸镁以及二氧化硅等。氢氧化钙、二氧化硅会削弱ITZ的强度，而碳酸镁对ITZ的强度发展存在影响。

参考文献：

[1]陈兆林，陈天月，曲勣明.珊瑚礁砂混凝土的应用可行性研究[J].海洋工程，1991（3）：67-80.

[2]陈兆林，孙国峰，唐筱宁，等.岛礁工程海水拌养珊瑚礁、砂混凝土修补与应用研究[J].海岸工程，2008（4）：60-69.

[3]李林.珊瑚混凝土的基本特性研究[D].南宁：广西大学，2012：76-79.

[4]王磊，邓雪莲，王国旭.碳纤维珊瑚混凝土各项力学性能试验研究[J].混凝土，2014（8）：88-91.

[5]孙宝来.硅灰增强珊瑚混凝土力学性能试验研究[J].低温建筑技术，2014（8）：12-14.

[6]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（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.