珊瑚骨料混凝土的基础性能及研究应用前景.pdf

2 0 1 2年 第 2期 ( 总 第 2 6 8期 ) Nu mb e r 2i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 2 0 3 1 珊瑚骨料混凝土的基础性能及研究应用前景 王磊 。赵艳林 1 I 2 。吕海波 ，2 ( 1 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ；2 广西建筑工程检钡 4 与试验重点实验室，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要： 对国内外珊瑚骨料混凝土的研究应用现状进行了总结， 探讨了珊瑚骨料混凝土的强度发展规律 、弹性模量等力学性能以及耐 久性性能， 并在此基础上分析在远海岛礁工程建设中采用珊瑚骨料混凝土的可行性。 针对珊瑚骨料混凝土的特性 ，提出了应用过程 中需 要解决的问题， 对珊瑚骨料混凝土的研究和应用前景进行了展望。 关键 词 ： 珊瑚骨料 ；强度 ；混凝 土 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章 编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 9 9 0 2 Pr o s pec t Off t h e pr op er t i e s and a ppl i c a t i on sit ua t i on of c or a l agg r ega t e c on c r e t e WA NGL e i 1 , 2 Z HAOY a n 一 1 i n 1 , 2 L gHa i b o ，2 ( 1 C i v i l E n g i n e e r i n gC o l l e g e ， Gu i l i n u n i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ，Gu i l i n 5 41 0 0 4， Chi n a ： 2 Gu a n g x i Ke yLa b o r a t o r yo f De t e c t i o na n dTe s t i n gof Ar c hi t e c t u r a l En g i n e e r i n g ，G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：T h e a p pl i c a t i o n o fc o r a l a g g r e g a t e c o n c r e wa s a n a l y z e d a nd s u mma r i z e d T h e s t r e n g t h， s t r e n g t h d e v e l o p m e n t ， e I a s t i c mo d ul u s a n d o t h e r me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y p e r f o r ma n c e o f c o r a l a g g r e g a t e c o n c r e t e we r e d i s c u s s e d i n the p o s s i s b i l i t y o f c o r a ! a g g r e g a t e c o n c r e t e a s c o n s t r uc t i o n ma t e ria l s i n i s l an d wa s a n a l y s i s a l s o Ac c o r d i n g t o c h ala c t r i s t i c s o f c o r a l a g g r e g a t e c o n c r e t e ，s o m e pr o b l e ms t o b e s o l v e d a l e p u t f o r wa r d i n t h e a p p l i c a t i o n， the o u t l o o k f o r i t s d e v e l o p me n t t r e n d i s a l s o g i v e n Ke y wor ds ： c o r a l a g g r e g a t e； s t r e n h； c 0 n c r e t e 0 引言 随着海洋开发以及海洋权益的争夺， 包括军事防护在内的 海洋工程建设 日渐增多， 对于远离大陆的岛礁工程建设来说 ， 所需的各项材料均需要从大陆运输 ， 其运输成本非常昂贵。 开 发可以就地取材的建筑材料是岛礁建设的迫切问题 ， 而以珊瑚 碎屑为骨料的珊瑚混凝土给了人们一个选择途径。 珊瑚混凝土 是指用珊瑚作为粗骨料或者细骨料拌制的混凝土， 长期以来其 相关研究并不为人所重视， 近些年以来 ， 伴随着各种海洋工程 逐渐增多， 以及我国南海权益被大量非法侵占， 海上岛礁相关 建设亟待推进， 珊瑚混凝土材料的研究开发已经成为远洋工程 建设的重要课题。 1 珊瑚混凝 土的研 究现状 由于珊瑚生长的环境特点， 并不是所有国家都存在珊瑚混凝 土的开发应用问题， 地处热带的海洋国家特别是海洋权益大国对 珊瑚混凝土的研究进行较多。 美国在环太平洋地区布署有大量 的军事基地 ， 土木工程建设要耗用大量的混凝土， 所有的混凝 土建筑材料全部外运明显不符合客观条件， 因此美国在珊瑚混凝 土研究应用方面进行最早 ， 美国军方制定的( U n i fi e d F a c i l i t i e s C ri t e r i a T r o p i c a l E n g i n e e ri n g ) ) 土木工程标准中指出： 如果应用于 混凝土中 的常规骨料短缺的话， 可以使用珊瑚作为混凝土的骨料” 。 太平洋上美国的 S a ip a n岛， G u a m岛， Mi d w a y和 K wa j a l e i n岛均 收稿 日期 ：2 0 1 l - 0 8 - 2 0 基金项 目： 广西科技攻关资助项目( 桂科攻0 9 9 2 0 0 1 2 ) 存在以珊瑚碎屑为骨料的混凝土 ， 而且取得了成功( Ho wd y s h e l 1 ) 。 日本学者 Wa n c h a i Y o d s u d j a i 通过研究发现， 如果混凝土砂浆的 强度大于骨料强度， 那么骨料强度将影响混凝土的强度； 如果混 凝土砂浆的强度小于骨料强度 ， 那么骨料强度将不影响混凝土 的强度。 印度学者 R A， A r u mu g a m对珊瑚混凝土的配合 比和力 学性能研究发现， 珊瑚混凝土早期强度增长较决， 后期强度增长 缓慢， 并给出了水灰比对珊瑚混凝土强度的影响， 如图 1 所示。 水灰 比 图 1 珊瑚混凝 土强度与水灰 比关系( RA A r u mu g a r n) 在国内， 由于我国在海洋资源开采利用方面起步较晚， 加 之珊瑚生长的地域特点， 所以仅在南部沿海省份才会出现利用 珊瑚混凝土的问题， 在此领域的研究未真正大规模开展。 我国南 海的岛礁距离大陆遥远， 叉缺少淡水和混凝土施工需要的骨料， 严重制约了海岛的工程建设， 因此开展这方面的研究迫在眉睫 ， 9 9 国内也有部分学者对此问题开展了前期研究， 但是离实际工程 应用仍有巨大差距， 相关科学问题的研究仍需进一步深入。 王以 贵研究结果表明嘲 ： 珊瑚碎块表面粗糙， 体形不一， 不易捣固密 实， 所以水泥用量大， 这样水泥浆多些可起润滑作用， 使混凝土 便于施工。 珊瑚碎块有很多孔隙， 吸水率高达 1 0 以上， 因此 ， 用水量也较大。 卢博在 海水一 珊瑚砂屑混凝土的研究与实践 指出： 用抗 硫酸盐水泥制作的珊瑚砂屑混凝土试件质量指标是最好的， 硅 酸盐水泥和普通硅酸盐水泥制作的试件次之 ， 而火山灰水泥制 作的试件较差。 赵焕庭和陈兆林研究结果表明： 用海水和珊瑚礁砂砾作骨 料制成的素混凝土在实际工程中应用上是可行的， 只要适当的 提高7 昆 凝土强度等级并增加水泥用量， 便能够得到足够的强度。 此外 ， 在骨料和配合比都不变的条件下 ， 海水拌和养护的混凝 土与淡水( 或岛水) 拌和养护的混凝土相比， 前者早期强度增长 较快， 8 d的标准抗压强度均超过 2 0 MP a 但后期强度增长较慢。 因此 ， 珊瑚混凝土能够应用于中、 西、 南沙不带钢筋的挡墙、 防 波堤、 消浪、 护岸块体以及路面工程等港工构筑物中， 这样不但 能就地取材， 节约成本， 还能缩短岛、 礁上工程施工时间闭 。 2 珊瑚混凝土的基础性 能 2 ， 1 珊瑚材料特性 相比其他建筑材料珊瑚碎屑质轻、 多孔， 根据我国混凝土 骨料的分类 ， 应当属于天然轻骨料 ， 但是与普通的天然骨料又 存在明显的不同， 珊瑚碎屑为珊瑚虫死后的产物 ， 其矿物成分 主要为文石和高镁方解石 ， 化学成分主要为碳酸钙。 堆积密度 一 般 为 9 0 0k g m 左右 ， 表规密度为 1 8 0 0 k g m 左右 ， 孔隙率接 近 5 0 ， 孔隙则由两部分组成， 即颗粒间的外孔隙与颗粒本身 的内孔隙。 试验结果显示， 珊瑚砂内孔隙约占全部孔隙的 1 0 左右 ， 它反映了珊瑚砂颗粒本身的疏松 、 多孔程度， 珊瑚的特性 因生长环境的不同而略有差异， 但是在一般情况下其筒压强度 不小于 2 0 MP a t3 J 。 作为建筑材料珊瑚骨料既不同于碎石粗骨料， 也完全不同于轻骨料混凝土中的陶粒、 浮石等骨料 ， 多孔的特 质使其具有较高的吸水率， 表面粗糙使得与水泥石之间的摩擦 力较大， 另外， 其特殊的形状要求更多的水泥石包裹珊瑚骨料 以便得到较好的施工性能嗍 。 2 2 珊瑚混凝土的力学性能 ( 1 ) 珊瑚混凝土的抗压强度。 由于珊瑚本身是多孔轻质材 料， 因此采用常规方法以珊瑚为骨料配制高强度混凝土是不现 实的， 目前实验室研究中采用珊瑚为骨料配制的混凝土强度等 级多为C 2 0和 C 3 0等级。 由于珊瑚碎屑的孔隙率较高， 配制珊瑚 混凝土所需的水泥用量较大， 相比普通混凝土要多出3 0 0 0 ,- ,4 0 。 而且需水量也较大。 由于珊瑚的简压强度和弹性模量都较低 ， 受压初期， 其能量不断被积聚 试件无太多明显特征。 随着荷载 的增加， 内部珊瑚骨料开始破坏， 珊瑚混凝土将在其中部出现 竖向裂纹， 然后裂纹随荷载加大不断增多， 最后积聚的能量大 量释放 ， 导致试件破坏。 另外根据受荷状态和配合比的不同， 珊 瑚混凝土的破坏又表现出具有一定的延性破坏和具有明显脆 性破坏两种形式。 当为具有一定延性破坏时， 混凝土破坏与普通 混凝土破坏部分相似， 就是周围混凝土会隆起， 但隆起的混凝 土并没有普通混凝土明显， 当为脆性破坏时， 混凝土除了出现 明显的竖向裂纹， 还伴随有部分横向裂纹。 1 0 O ( 2 ) 劈裂抗拉强度。 珊瑚的多空特征使得水泥浆更容易深 入到珊瑚内部， 导致珊瑚骨料与水泥浆的结合状态比普通混凝 土要好， 能够产生较大的界面黏结力。 珊瑚强度和弹性模量低于 水泥石， 因此劈裂抗拉强度主要取决于水泥石的强度以及其与 珊瑚骨料的黏结强度。 与普通混凝土相比， 珊瑚混凝土劈裂抗拉 强度与抗压强度的比值明显要高， 如图 2 所示啊 。 日 、 越 慧 立方 体抗压强 度 ， MP a 图 2 劈裂一 立方体抗压强度关系 ( 3 ) 珊瑚混凝土的强度发展规律。 珊瑚混凝土的抗压强度 早期发展较陕， 7 d即可达到抗压强度设计值 ， 而w D、 W E非纯 珊瑚混凝土只能达到设计强度的 8 0 9 0 ， 一般混凝土只有 5 8 ， 后期强度增长较慢 ， 在水灰比和养护条件相同的条件下， 珊瑚混凝土后期强度只增加约 9 ， 而 w D、 w E非纯珊瑚混 凝土增长约 4 0 2 l ， 一般混凝土可达到 4 8 6 。 珊瑚混凝土 早期强度高而后期增长缓慢主要有两方面原因： 采用珊瑚作 为混凝土骨料的地区往往缺少淡水， 因此多用海水拌养珊瑚混 凝土， 利用海水拌养相当于在混凝土中加入了无机盐尤其是氯 盐类的外加剂， 具有明显的早强作用 ， 使其早期强度有所提高。 珊瑚本身孔隙较大， 在拌和初期能够吸收水泥浆中的拌和用 水 ， 使得珊瑚骨料周围局部处于低水灰 比状态， 从而减少水分 在珊瑚骨料与水泥浆界面富集或者避免由于珊瑚骨料下部出 现分层作用而形成的“ 水囊” ， C a ( O H) 晶体就不能在界面过渡 区富集和定向排列。 随着水化的进行 ，珊瑚骨料中的部分水分 不断地释放出来， 对混凝土起到自养护的作用。 另外 ， 珊瑚表面 较其他轻骨料粗糙， 与水泥石之间的摩擦力较大， 加之部分水 泥浆体可以渗入到珊瑚骨料的孔隙内部， 使珊瑚骨料与水泥石 “ 嵌套” 成一个整体结构， 进一步加大珊瑚骨料与水泥浆之间的 黏结力。 这也使得珊瑚混凝土早期强度较高。 ( 4 ) 弹性模量。 珊瑚t 昆 凝土的弹性模量总体来说位于普通 混凝土和轻骨料混凝土之间。 与普通混凝土相比， 珊瑚骨料强度 远低于普通碎石等骨料 ， 而变形能力优于一般骨料， 荷载条件 下珊瑚骨料将发生较大变形， 从而使水泥石承担更多的荷载， 表 现为珊瑚混凝土弹性模量低于普通混凝土 ； 而同时由于珊瑚骨 料表面过于粗糙R： L 隙率也大于一般轻骨料使得其与水泥浆 之间的界面黏结力高与轻骨料混凝土二者之间的界面黏结力， 因此表现为弹性模量高于普通轻骨料混凝土。 ( 5 ) 珊瑚混凝土的耐久性。 由于珊瑚生长在海洋中， 海水浸 泡并不会导致珊瑚本身强度降低， 关键在于珊瑚是多孔材料 ， 特 别是开放性孔所占比例较大， 其渗透性要明显高于普通混凝土 ， 进而导致有害物质较容易渗透至混凝_- Iz 4 部 ， 引发耐久性问题； 另一方面， 珊瑚本身含有盐分， 加之使用珊瑚作为骨料的地方 本身就缺少淡水， 通常情况采用海水清洗和拌和混凝土， 氯离 子会大量留存在混凝土内部。 从 目前研究所掌握的资料来看和 通过对某岛屿已建数年的建筑物的考察分析， 海水拌养的珊瑚 下转第 1 1 3页 D E P P双向填充板的承载能力并没有降低。 ( 2 ) 将 DE P P双向填充在现浇板中性轴部位 ， 不会给楼板 的变形能力造成不利影响， 仍具有整体胜好、 刚度大的特点。 ( 3 ) D E P P 双向填充板的极限承载力比 理论计算值要大， 按照 T 形截面对 D E P P 填充板进行受弯配筋计算其结构是安全的。 ( 4 ) DE P P双向填充板能够有效减轻结构 自重， 节省材料 ， 隔热、 隔声性能好， 结构合理， 能满足规范对楼板的各种要求。 参考文献 ： 1 】N o r w e g i a n R o a d R e s e a r c h L a b o r a t o r y E x p a n d e d p o l y s t y r e n e u s e d i n r o a d e mb a n k me n t s R No r w e g i a n ： No rwe g i a nR o a dR e s e arc hL a b o r a t o ry， 1 9 9 2 2 】E P S C o n s t r u c t i o n Me t h o d D e v e l o p me n t O r g a n i z a t i o n T e c h n i c a l r e p o r t o f c o n s t ruc t i o n me t h o d u s i n g e x p a n d e d p o l y s t y r e n e R T o k y o ： E P S C o n - s t r u c t i o n Me t h o d De v e l o p me n t Or g a n i z a t i o n， 1 9 9 1 3 3 李崇景， 杨大海 ， 马明辉， 等利用废弃的泡沫塑料生产保温砌筑砂 浆【 J 1 _工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 O ) ： 8 4 8 5 上接 第 1 0 0页 礁、 砂混凝土在无冻融地区的岛礁上建造素混凝土工程， 不会 存在明显的耐久性问题。 但是对于钢筋混凝土来说， 混凝土中若 含有氯离子， 就会引起混凝土内部的钢筋的锈蚀， 并由此带来 一 系列的严重问题， 这是导致珊瑚混凝土不能大规模使用的一 个重要原因。 因此相关的研究资料给出了珊瑚混凝土配置过程 中要控制珊瑚骨料的含盐量， 并且不要用海水搅拌混凝土以及 加大钢筋的保护层厚度等技术建议。 由于使用珊瑚混凝土的地 域一般不会存在冻融问题， 因此不考虑抗冻融问题。 ( 6 ) 应用前景。 随着远洋岛礁的建设需要以及现代建筑技 术的发展：， 珊瑚料混凝土作为一种新型建筑材料 ， 以其便于取 材、 轻质的优点在岛礁以及沿海地区的防波堤 、 道路、 机场等工 程建设领域中有着广泛的应用前景。 利用珊瑚作为骨料制备混 凝土， 可大大降低生产、 运输成本， 有利于海洋权益的保护以及 海洋资源的开发利用， 符合国家海洋战略的要求。 但是珊瑚骨料 混凝土也存在其抗压强度、 抗拉强度和弹性模量较低， 存在一 定的耐久性问题等缺点， 因而在研究和应用领域上长期得不到 重视。 如何提高珊瑚骨料混凝土强度和韧性是值得深入研究的 课题。 一方面可以通过各种外加剂、 掺和料的使用 ， 优化配合比， 上接第 1 0 9页 强制性条文 4 ： 5 1 6砌筑时必须将蒸压加气混凝土砌块表 面浮灰清理干净。 由于采用钢丝切割的生产工艺， 以及产品在存储、 运输过程中 和外界环境接触， 蒸压加气混凝土砌块表面一般留有灰渣。 实践证 明， 砌筑时如不及时清理干净表面留存的灰渣， 将会导致后续砂浆与 砌块表面黏结不够紧密， 从而削弱砌体的整体力学陛能和造成抹灰 层起鼓、 剥落等不良现象的出现。 本强制性条文参照 GB 5 O 5 7 4 2 0 1 3 2 1 ( 6 ) 条强制性条文提出。 强制性条文 5 ： 6 1 2外墙抹灰层与砌体之间必须黏结牢 固， 不得有空鼓 、 脱落等有安全隐患的缺陷。 外墙 ， 特别是高层建筑外墙 抹灰层脱落容易引发安全事 故。 因此， 对外墙抹灰提出严格要求， 外墙抹灰层与砌体之间必 须黏结牢固， 不得有空鼓、 脱落等缺陷， 防止墙体渗漏和安全隐 患。 本条有 4 1 2 、 5 1 6强条及 4 4 2 ( 1 ) 条等， 对砂浆、 砌块表面 王录民， 张大英， 王树明废旧聚苯乙烯泡沫混凝土试验研究【 J 】 _混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 0 3 1 0 6 5 王录民， 张献兵 ， 张昊 粮仓 E P S 填充板的研究【 J J 河南工业大学学 报 ： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 5 6 6 Z HA N G Ha o ， X U Qi - k e n g ， WAN G L u r a i n ， e t a1Me c h a n i c al p r o p e r t y s t u d y o f t h e s l a b fi l l e d w i t h D E P P A d v a n c e d Ma t e r i als R e s e a r c h J J 2 01 1 ， 2 5 0 2 5 3： 4 4 0 4 4 4 【 7 易伟建， 张望喜 建筑结构试验【 M 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 8 】8 王录民 混凝土结构设计原理【 M 】 掷州大学出版社， 2 0 0 8 ： 1 - 3 6 2 9 刘传春 建筑结构静力计算手册 M 北京 ： 中国建筑工业出版社， 】 9 9 8 2】 4 - 2】 5 作者简介： 张昊( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 讲师， 博士研究生， 主要从事结构工程、 贮仓结构及结构工程 C A D 。 联系地址： 河南省郑州市高新技术产业开发区莲花街 河南工业大学 土木建筑学院( 4 5 0 0 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 7 0 0 8 4 5 8 1 2 改善施工工艺等方法提高珊瑚混凝土本身的基础性能； 另一方 面， 针对珊瑚骨料混凝土的渗透性大、 耐久性差的缺点 ， 借鉴普 通混凝土中掺入纤维的经验， 将纤维运用到珊瑚混凝土中， 来提 高其力学基本性能和耐久性指标也值得深入研究。 参考文献 ： 【 1 1 U n i f i e d F a c i l it i e s C r i t e r i a ( U F C) T r o p i c al E n g i n e e r i n g 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 海岸工程， 2 0 0 8 3 孙宗勋 南沙群岛珊瑚砂工程性质研究叨 热带海洋， 2 0 0 0 ， 1 9 ( 2 ) ： 1 - 8 【 4 】 邵永健 轻骨料混凝土材料的强度指标及其统计参数【 J 】 工业建筑， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 8 2 8 5 5 5 韩超 海水拌养珊瑚混凝土基本力学性能试验研究【 D 桂林： 广西大 学， 2 0 1 1 6 】 王以贵 珊瑚混凝土在港工中应用的可行性【 j 】 _ 水运工程 ， 1 9 8 8 ( 9 ) ： 4 6 - 4 7 作者简介 联系地 址 联系电话 王磊( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 主要研究方向： 混凝土基 础理论， 混凝土新技术。 桂林市建干路 l 2 号 桂林理工大学土建学院( 5 4 1 0 0 4 ) 1 3 21 7 7 3 3 9 2 7 情况， 对蒸压加气混凝土砌块 自承重墙体的质量控制和工程应 用提出了较高要求， 对蒸压加气混凝土砌块 自承重墙体的自保 温、 薄浆干砌和配套预拌砂浆的设计、 施工、 验收等方面提出了 具体的要求， 有利于推动广东省蒸压加气混凝土砌块的应用， 对 保证工程质量， 推动建筑节能， 发展自保温墙体系统具有重要 指导意义和促进作用。 参考文献 ： 1 1 D B J 1 5 8 2 2 O l 1 ， 蒸压加气混凝土砌块自承重墙体技术规程 s 】 2 】 J G J T 1 7 2 0 0 8 ， 蒸压加气混凝土建筑应用技术规程【 s 【 3 】 J c 8 9 o 一 _ 2 0 0 1 ， 蒸压加气混凝土用砌筑砂浆与抹灰砂翱s 】 【 4 】粤 0 8 J 1 3 3 ， 蒸压加气混凝土砌块薄浆干砌自保温墙体构造【 s 【 5 】G B 5 0 5 7 4 -2 0 1 0 ， 墙体材料应用统一技术规范【 s 】 作 者简介 及强度等规定作为基本保证。 4 结语 联系 地址 规程 结合广东地区的气候特征和工程建设特点等实际 联系电 话 黄照明( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 博士研究生， 高级工程师 ， 副总工程 师， 一级注册结构工程师。 广东省中山市中山四路 1 号 广东中山建筑设计院有限公 司( 5 2 8 4 0 0 ) 1 3 9 2 3 3 o o O 8 8 1 1 3