鲍文博， 张昊斌， 吕晨曦， 赵洪涛， 曹海娇， 魏英华， 李 京

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 中国科学院 金属研究所， 沈阳 110016)

随着我国经济的快速发展，以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的海洋工程建设呈现出快速增长态势.海洋通常处于重腐蚀环境，对工程材料要求比较严苛，由于混凝土不仅具有较好的力学性能，而且还具有较好的耐腐蚀性和耐久性，是海洋工程首选的基础材料.但是，对于海洋工程，特别是远海工程，混凝土原材料如果依靠陆地提供则远航运输成本较高，在一定程度上影响了海洋工程的发展.为此不少学者提出就地取材，利用海洋当地资源制备混凝土，其中以珊瑚礁砂替代天然砂制备珊瑚礁砂混凝土成为重要的研究内容之一.

早在上个世纪，美国就在二战期间在西太平洋的岛屿工程上使用了珊瑚混凝土，并出版了土木工程标准《Unified facilities criteria：tropical engineering》[1].1991年，美国学者Rick[2]提出“珊瑚混凝土的强度能够满足工程结构的设计要求”的设想；1996年，印度学者 Arumugam等[3]用试验证明了“珊瑚混凝土早期强度增长较快，后期强度增长缓慢”的结论；19世纪80年代，王以贵[4]开始利用矿渣水泥与珊瑚礁骨料制备混凝土；21世纪以来，刘存鹏等[5-6]研究了向珊瑚混凝土掺加剑麻纤维后的相关性能；麻海燕等[7-10]通过实地调研，对珊瑚混凝土力学性能与耐久性进行了研究，分析了其在实际工程中的可行性.目前国内外有关珊瑚礁砂混凝土制备及其基本力学性能的研究还不够充分，开展相关研究对于推进海洋工程的发展具有重要意义.

珊瑚礁是一种远海海洋非常丰富的资源，这些珊瑚礁为开发海洋建设提供了一种新型的建筑材料——珊瑚骨料[11-14].如果珊瑚礁砂能够取代天然砂制备出满足工程要求的混凝土，则可以节约大量的成本，具有重要的经济意义和战略意义.本文基于混凝土制备原理，开展了海水拌和珊瑚礁砂混凝土的制备及基本力学性能的研究，除以珊瑚礁砂取代天然砂外，还采用海水替代淡水，进一步加大当地资源的利用比例，为珊瑚礁砂混凝土的工程应用提供了有益参考.

1 珊瑚砂混凝土的制备

1.1 试验原材料

本试验选用的水泥为山水工源牌PO42.5级普通硅酸盐水泥；天然粗骨料为辽宁抚顺出产的石灰岩碎石，粒径为5～20 mm；细骨料采用远海某区域珊瑚砂，大部分为珊瑚碎屑，少部分为贝壳碎屑，细度模数为2.44，属于中砂，其堆积密度为1 115 kg/m3，表观密度为2 500 kg/m3；粉煤灰为沈西热电厂生产的表观密度为2 200 kg/m3的I级粉煤灰；减水剂为辽宁省建筑科学研究院生产的LJ612型聚羧酸高效减水剂；海水为人工拌制海水，成分如表1所示.

表1 海水化学成分Tab.1 Chemical composition of sea water g

1.2 配合比设计

通过试配确定了各材料组分配比的基本范围，在此基础上采用三因素三水平正交试验，以混凝土工作性能为约束、抗压强度为目标对珊瑚礁砂混凝土最佳配合比进行试验.正交试验选用的三因素三水平[15]如表2所示，正交试验得到的珊瑚礁砂混凝土配合比如表3所示.

表2 正交试验Tab.2 Orthogonal tests

表3 珊瑚礁砂混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of coral reef sand concrete kg

1.3 材料的制备

试件制备过程中，在准备阶段，需要将珊瑚砂测出吸水率晾干称重；搅拌过程中，需要先加入一部分预湿水，防止搅拌过程中搅拌机内壁吸水影响水胶比；之后依次放入水泥、砂子，使其搅拌均匀，最后放入石子，使各材料均匀分布，不出现搅拌不均匀的现象；搅拌完毕，放入标准模具之中，使用振捣台进行外部振捣，严格把控时间，防止出现过振现象(模具涂油是方便拆模).振捣完毕后在20 ℃的室内环境下静置一天后进行拆模.把拆模后的试块放入标准养护箱内进行养护，养护条件为温度20±2 ℃，湿度为95%.养护到一定龄期后拿出进行试验.

2 试验方案

基于正交优化获得的最优配合比，分别开展了珊瑚礁砂混凝土的立方体抗压、劈裂抗拉、抗折、轴心抗压、弹性模量试验，并分别讨论了劈裂抗拉强度、轴心抗压和抗折强度与立方体抗压强度的关系，为珊瑚礁砂混凝土的工程应用提供依据.试验方案如表4所示.

为了了解珊瑚礁砂混凝土的特性，试验选用了普通混凝土作为试验对比材料，以符号SH和PT分别表示珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土.同时，为了反映混凝土强度发展状态，分别研究了3、7、28和90 d等不同龄期下的力学指标.

3 试验结果与分析

3.1 立方体抗压试验

立方体抗压强度是混凝土试件最重要的基本力学性能之一，也是珊瑚礁砂混凝土能否在实际工程中应用的最基本指标.

表4 试验方案Tab.4 Test programs

表5 SH与PT立方体抗压数据Tab.5 Compression data of SH and PT cubes MPa

图1 立方体抗压强度对比Fig.1 Comparison of cubic compressive strength

由试验结果可见，珊瑚礁砂混凝土各个不同龄期的立方体抗压强度均高于同龄期普通混凝土的立方体抗压强度，原因主要有两个：一是珊瑚礁砂混凝土采用的是最优配合比，各方面性能得到进一步优化；二是珊瑚礁砂混凝土属于轻骨料混凝土，水泥的用量高于普通混凝土.

另一方面，试验表明珊瑚礁砂混凝土的早期强度显著高于普通混凝土.由于珊瑚礁砂表面粗糙，棱角较多，增加其与水泥浆之间结合作用，相互之间产生咬合，而且海水中含有一些无机盐，例如氯盐、硫酸盐等，它们能促进水泥早期水化[17]，有助于前期立方体抗压强度增长，使其前期抗压强度增长迅速，明显快于普通混凝土，珊瑚礁砂混凝土抗压强度在龄期7 d时就可达到28 d的80%.在7～28 d的时间内，珊瑚礁砂混凝土增长速度开始减慢，与普通混凝土强度的增长速度差距开始缩小，28 d之后由于珊瑚礁砂混凝土采用水泥较多，充分水化后拉大了与普通混凝土抗压强度的差距.

3.2 劈裂抗拉试验

3.2.1 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度是确定一种混凝土其抗裂程度与受拉力学性能的重要参数，是混凝土结构设计中的一个重要指标.对于普通混凝土而言，混凝土的抗拉强度取决于基材的强度以及基材与骨料的界面强度.SH内部破坏面如图2所示.

图2 SH破坏后内表面Fig.2 Internal surface after SH failure

表6 SH与PT劈裂抗拉数据Tab.6 Splitting tensile data of SH and PT specimens MPa

不同龄期珊瑚礁砂混凝土的劈裂抗拉强度均明显高于普通混凝土，抗拉性能明显优于普通混凝土.混凝土是脆性材料，珊瑚礁砂混凝土与普通混凝土相对比，抗拉强度相对较高，更加利于珊瑚礁砂混凝土在工程中的应用.珊瑚礁砂混凝土与普通混凝土劈裂抗拉强度的增长趋势与立方体抗压强度增长趋势相同，珊瑚礁砂混凝土前期强度增长速度较快.

图3 劈裂抗拉强度对比Fig.3 Comparison of splitting tensile strength

3.2.2 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度关系

分别将珊瑚礁砂混凝土的立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的试验数据进行最小二乘法拟合，得到珊瑚礁砂混凝土劈裂抗拉强度Ft与立方体抗压强度fcu的关系式为

Ft(d)=0.007 2f2cu(d)-0.035 3fcu(d)+

0.119 4

(1)

式中，d为龄期.回归方程(1)的决定系数为0.913 1，说明回归直线对观测值的拟合程度较好.

3.3 抗折试验

3.3.1 抗折强度

图4 抗折试验Fig.4 Flexural test

表7 SH与PT抗折试验数据Tab.7 Flexural test data of SH and PT specimens MPa

图5 抗折强度对比Fig.5 Comparison of flexural strength

由试验结果可见，珊瑚礁砂混凝土和普通混凝土的抗折强度增长趋势与立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的增长趋势相同，珊瑚礁砂混凝土前期强度增长均快于普通混凝土，因此，前期强度差距比较大，7 d之后珊瑚礁砂混凝土强度增长趋势变缓，二者强度增长速度差距变小.后期由于珊瑚礁砂混凝土水泥用量大于普通混凝土，水泥充分水化后，再次拉大与普通混凝土强度之间的差距.

3.3.2 折压比

折压比即是混凝土的抗折强度与立方体抗压强度的比值，是表达混凝土抵抗弯拉性能的重要指标.珊瑚礁砂混凝土与普通混凝土不同龄期折压比的试验结果如表8所示.

表8 SH与PT折压比测试数据Tab.8 Test data of flexural strength to cubic compressive

通过计算3、7、28和90 d折压比数据得知，珊瑚礁砂混凝土平均折压比为0.072，普通混凝土为0.064，珊瑚礁砂混凝土的折压比高于普通混凝土，较普通混凝土高了12.5%.说明珊瑚礁砂混凝土的抗裂性能并不低于普通混凝土，可以满足其在实际工程中的应用.

3.4 轴心抗压试验

3.4.1 轴心抗压强度

混凝土轴心抗压试验与立方体抗压试验相比，更能接近构件受压的实际力学性能，更加符合工程实际.试验结果如表9所示.

所得轴心抗压强度数据的离散性满足试验要求，轴压比在0.9上下波动，反映珊瑚礁砂混凝土比普通混凝土轴压比高，具有比普通混凝土更好的延性，可以满足在实际工程的需要.

表9 轴心抗压立方体抗压试验数据Tab.9 Test data of axial and cubic compression

3.4.2 轴心抗压强度与立方体抗压强度关系

立方体抗压强度与轴心抗压强度均是混凝土抗压性能的表现，但前者套箍效应较大，无论是普通混凝土还是珊瑚礁砂混凝土，其立方体抗压强度fcu与轴心抗压强度fcp都是呈线性关系的，通过最小二乘法进行拟合，其表达式为

fcp=0.911fcu

(2)

拟合公式的决定系数为0.99，较为准确地反映了fcp、fcu之间的关系，结果与文献[18]一致.

3.5 弹性模量

混凝土弹性模量是评价混凝土刚度和耐久性的重要参数，也是衡量能否应用于实际工程的指标之一.强度为C30的珊瑚礁砂混凝土弹性模量的测试平均值为36.2 GPa，较普通混凝土弹性模量高了接近20%.

一般而言，混凝土的骨料是对弹性模量影响最大的因素，包括骨料的表面特征、骨料的形状以及骨料的刚度，其中骨料的刚度是造成混凝土弹性模量影响最大的因素之一.通常珊瑚全骨料混凝土弹性模量约为25 MPa[19]，本文研制的珊瑚礁砂混凝土的弹性模量较之高了近45%，主要是因为采用了强度较高的碎石骨料所致.

上述试验表明，不同龄期珊瑚礁砂混凝土的基本力学性能均高于相应龄期的普通混凝土，虽然水泥用量略高一些，但从海洋工程角度综合考虑仍具有一定优势.同时应注意，珊瑚礁砂混凝土与普通混凝土相比，早期各力学强度增长均较快，工程应用时应注重珊瑚礁砂混凝土的前期养护.

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 不同龄期海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本强度均高于相应龄期普通混凝土的强度，表明海水拌制珊瑚礁砂混凝土的基本力学性能可以满足一般混凝土工程的要求.

2) 珊瑚礁砂混凝土与普通混凝土相比，早期各力学强度均发展较快，工程应用时应采取措施，保证珊瑚礁砂混凝土的前期养护质量.

3) 基于试验研究提出的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度关系和轴心抗压强度与立方体抗压强度关系，其回归拟合公式的决定系数均较大，可用于该研究范围的相应设计.

4) 海水拌制珊瑚礁砂混凝土，实现了远海环境下混凝土工程中的水资源和细骨料资源的就地取材，具有重要的经济价值和社会效益.