珊瑚礁砂特征指标对其砂浆强度的影响

陈飞翔 ，刘旷怡 ，张国志 ，丁沙 ，秦明强

（1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

海洋工程建设远离大陆，物资、淡水资源匮乏，若使用传统建筑材料进行海洋工程施工，不仅存在海上运输任务艰巨、运输成本过高的问题，而且传统建筑材料在海洋气候环境下耐久性差、服役寿命短，严重制约了人类对海洋的大规模建设、管理和资源开发。为了解决上述问题，可以考虑充分利用海洋工程周边的原材料来进行工程建设，例如可以利用珊瑚礁砂作为细骨料，制备一些不需要配筋的海工砂浆结构，如护岸、防波堤等，不仅可以摆脱远距离海上运输的制约，而且能够大幅度节省工程造价[1-3]。利用珊瑚礁砂代替传统细骨料制备砂浆，国内外开展了一些研究，美国土木工程标准规定了如缺乏常规骨料，工程建设可使用珊瑚礁砂作为砂浆骨料，并在太平洋的岛屿上建造了珊瑚礁砂的建筑物；国内对利用珊瑚礁砂制备砂浆的研究不多，基本上还处于实验室研究阶段，尚无工程案例方面的文献报道。因此，通过研究珊瑚礁砂取代传统的细骨料制备砂浆，对指导海洋工程的建筑施工、降低施工成本，具有重要的意义及应用价值。

1 原材料

（1）骨料：珊瑚礁砂取自天然珊瑚，细度模数2.1；天然河砂细度模数2.6，含泥量0.3%。2种骨料的物理性能见表1，珊瑚礁砂的力学性能见表2，SEM照片见图1。

表1 2种骨料的物理性能

表2 珊瑚礁砂各档粒径的压碎值

图1 珊瑚礁砂的SEM照片

由表1可知，珊瑚礁砂的表观密度、松散堆积密度和紧密堆积密度均要明显小于河砂，因此配制出的珊瑚礁砂砂浆的密度要小于河砂砂浆。珊瑚礁砂的吸水率大于河砂，在制备珊瑚礁砂砂浆时，应监测珊瑚礁砂含水量，及时调整用水量。珊瑚礁砂的氯离子含量远高于河砂，珊瑚礁砂的含盐量主要来自海水中的硫酸盐和氯盐，海水中硫酸盐含量仅为氯盐的1/10左右（硫酸盐含量折算为SO42-含量，氯盐含量折算为Cl-含量），珊瑚礁砂的含盐量主要是氯盐引起的，这可能会使珊瑚礁砂砂浆的早期强度增长较快。

由表2可知，珊瑚礁砂的力学性能较差，且压碎值随着粒径的增大而增大，说明珊瑚礁砂粗颗粒的力学性能更差。2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm两档的压碎值均超过了50%，而压碎值最小的一档也达到了18.89%，这可能会对珊瑚礁砂砂浆的强度造成影响。

由图1可以看出，珊瑚礁砂表面粗糙，布满孔隙，存在很多层状结构与笼状结构，这种微观形貌特点导致其具有较大的比表面积，使用珊瑚礁砂配制砂浆会比使用河砂配制的砂浆需水量要大。

由以上结果可知，珊瑚礁砂密度小、强度较低、表面孔隙丰富，这使得配制珊瑚礁砂砂浆时需水量较多，而砂浆的密度较小；珊瑚礁砂中氯离子含量较高，使用时应注意控制氯离子对砂浆性能的影响。

（2）其它原料：华新P·O42.5水泥，标准稠度用水量27.4%，初、终凝时间分别为135、195min，28 d抗压、抗折强度分别为52.2、8.1 MPa；减水剂，巴斯夫聚羧酸高效减水剂，减水率为22%；憎水剂，甲基硅酸钠溶液，浓度分别为2%、4%、6%。

2 试验设计与性能分析

试验过程中，首先按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》给出的胶砂比1∶3，水胶比0.5进行试拌，发现砂浆呈分散砂粒状，无法成型[见图2（a）]，这一方面是由于规定给出的胶砂比1∶3为质量比，而珊瑚礁砂的表观密度较小，造成了细骨料的整体比表面积较大，胶凝材料无法完全包裹细骨料；另一方面，珊瑚礁砂特有的疏通多孔使得其会吸掉一部分水，使得水胶比为0.5时无流动性。通过进一步试拌，最终确定了胶砂比1∶2，水胶比0.6，并掺加2%的减水剂，制备出的砂浆工作性能良好[见图2（b）]，砂浆配合比见表3，此后文中所有砂浆试验均采用此配合比。

图2 珊瑚礁砂砂浆的状态

表3 珊瑚礁砂砂浆的配合比

2.1 细度模数对砂浆性能的影响

砂的细度模数是划分砂粗细程度的指标。在砂浆配合比设计中，要以它调整砂率和单位用水量，保持砂浆合适的稠度，从而达到理想的和易性。海洋工程施工过程中的珊瑚礁砂就地取材，不同取样点细度模数跨度较大，因此需研究细度模数对珊瑚礁砂砂浆性能的影响。

细度模数复配采用的方法是将珊瑚礁砂通过0.6 mm筛孔的筛子筛成上下2份，通过不同比例复配并计算出细度模数，研究不同细度模数的珊瑚礁砂对砂浆性能的影响，除砂的细度模数不同外，其它材料品种和用量保持一致。不同细度模数珊瑚礁砂复配比例及砂浆性能测试结果见表4。

由表4可以看出，砂浆流动度随着珊瑚礁砂细度模数的增大先增大后减小，砂浆的保水性逐渐变差，这说明细砂的保水性相对较好这一方面是因为细砂的比表面积较大，另一方面是因为粗颗粒中的薄片状形貌不易保水造成的。砂浆的抗折、抗压强度随着细度模数的增加基本呈先提高后降低的趋势，细度模数为2.19时砂浆的强度最高，这说明适宜细度模数的珊瑚礁砂砂浆力学性能最好，过粗或过细的珊瑚礁砂的砂浆力学性能均会下降。

表4 不同细度模数珊瑚礁砂复配比例及砂浆性能

2.2 片状颗粒含量对砂浆性能的影响

通过对珊瑚礁砂进行筛分发现，4.75 mm筛上的为珊瑚礁石颗粒以及少量贝壳，而2.36 mm与1.18 mm筛以上部分的几乎全部是薄片状颗粒，0.6mm筛孔上珊瑚礁砂才开始出现形状规则颗粒（见图3）。因此选用1.18 mm筛以上片状颗粒含量作为珊瑚礁砂的特征指标，进行砂浆性能试验，选择的片状颗粒含量分别为7%、10%、13%、16%，其中10%为原状珊瑚礁砂的片状颗粒含量，性能测试结果见表5。

图3 不同筛孔上珊瑚礁砂形貌

表5 不同片状颗粒含量砂浆的流动度和28 d强度

从表5可以看出，随着片状颗粒含量的增加，砂浆流动度逐渐增大，这是因为片状颗粒无法相互之间形成嵌挤结构，容易相对滑动，起到润滑的作用，使砂浆的流动度增加。抗折、抗压强度均随着片状颗粒含量的增加呈先提高后降低的趋势，原状珊瑚礁砂砂浆的28 d抗折强度最大，7%～13%片状颗粒含量范围内的珊瑚礁砂砂浆抗压强度较为接近，当片状颗粒含量达到16%时，抗压强度急剧下降，这表明过多的片状颗粒会明显降低珊瑚礁砂砂浆强度。这与压碎值指标的测试结果一致，片状颗粒自身较差的力学强度影响了珊瑚礁砂砂浆的强度。

2.3 含水率对砂浆性能的影响

海洋工程空气潮湿，雨量充沛，再加上珊瑚礁砂自身多孔，吸水率较大，自然状态下的珊瑚礁砂一般含有一定量的水分，且含水量波动范围较大。珊瑚礁砂不同程度的含水量，在珊瑚礁砂砂浆拌合以及强度增长的过程中会呈现不同的特点。拌合过程中的吸水作用会直接影响砂浆的流动性，而后期养护过程中，珊瑚礁砂会将吸收的水分释放出来，产生内养护的作用，促进强度的增长。因此，需研究不同含水率对珊瑚礁砂砂浆性能的影响。珊瑚礁砂自然状态下的含水率为6.8%～7.5%，将珊瑚礁砂浸泡24 h，然后捞起至不滴水时其含水率为17.2%。因此，根据珊瑚礁砂的含水率变化范围，选择0、5%、10%、15%含水率的珊瑚礁砂进行试验，砂中所含水在加水量中扣除，试验结果见表6。

表6 不同含水率砂浆的流动度和28 d强度

从表6可以看出，珊瑚礁砂的含水率为5%和10%时，砂浆流动度相比于含水率为0的干砂砂浆增长幅度很大，可见明显泌水，而含水率为15%时，砂浆流动度只是稍微比干砂砂砂浆大。这是因为干砂的吸水速率很大，拌合时珊瑚礁砂不仅迅速吸收周围的水分，使水胶比降低，同时吸收了一部分外加剂，2方面共同作用使砂浆流动性变差。而经过5%和10%预湿的珊瑚礁砂内部与外部的毛细管压力差较小，使得吸水速率变慢，同时吸收的外加剂的量变少，起实际作用的外加剂量较高，因此流动度较大，甚至出现了泌水。而15%含水率下，总用水量中的大部分水在预湿时吸进珊瑚礁砂内部，只余少量自由水，实际水胶比较低，因此流动度较差。无论是抗折强度还是抗压强度，5%和10%含水率的砂浆在具有较大流动度的同时，力学性能也较好，尤其是在5%的含水率预湿的情况下。适当的预湿改善了砂浆的工作性能，使成型的砂浆试件具有较好的密实度，因此具有较好的力学性能。在珊瑚礁砂的使用过程中发现，由于珊瑚礁砂表面的孔隙结构，水分不易挥发，经一段时间的晾晒，其中依然含有较多的水分（7%左右），根据含水率试验的研究结果，施工现场可直接使用自然条件下的湿砂，不仅可以避免更长时间的晾晒，也可以改善珊瑚礁砂砂浆的性能。但使用自然条件下的湿砂，应及时监测珊瑚礁砂的实际含水量，视砂浆状态及时对配合比进行调整。

2.4 憎水处理对砂浆性能的影响

基于珊瑚礁砂多孔、吸水量大的特点，将自然条件下的珊瑚礁砂进行憎水预处理。预处理过程如下：（1）往珊瑚礁砂中喷洒甲基硅酸钠溶液，浓度分别为2%、4%、6%，拌合均匀；（2）静置风干48 h，待硅醇基完成脱水交联反应形成憎水层。考虑到憎水剂的减水作用，将砂浆配合比中的水胶比从0.6调整为0.55，其它参数不变。不同憎水剂浓度的珊瑚礁砂砂浆性能见表7。

表7 不同憎水剂浓度砂浆的流动度和28 d强度

由表7可知，随着憎水剂浓度的增加，珊瑚礁砂浆的流动度逐渐增大，抗压、抗折强度先提高后降低。憎水剂抑制了珊瑚礁砂对水的吸附，随着工作性能的提升，强度也有一定的改善。

3 微观分析

3.1 XRD分析

XRD分析用砂浆的配比见表8，其XRD图谱见图4。

表8 XRD分析所用珊瑚礁砂砂浆配合比

图4 养护28 d砂浆的XRD图谱

由图4可以看出，除了标准砂砂浆骨料中的SiO2外，珊瑚礁砂砂浆和标准砂砂浆的水化产物基本相同，都含有Ca（OH）2、AFt、CaCO3和C-S-H凝胶，珊瑚礁砂砂浆的CaCO3峰值明显强于标准砂砂浆，这是因为珊瑚礁砂砂浆的骨料的主要成分是CaCO3。

Ca（OH）2的衍射峰比较明显，Ca（OH）2的存在对改善珊瑚礁砂砂浆的孔隙起有利作用，由于珊瑚表面凹凸多孔的特性，Ca（OH）2极易附着于珊瑚礁砂界面处生长，填充了界面过渡区的孔隙，使界面区结构的密实度增加。

珊瑚礁砂砂浆中的CaCO3的峰强十分明显，大部分来源于珊瑚礁砂本身，所以其属于非新生产物，这说明珊瑚礁砂与硅酸盐水泥中的熟料矿物成分并不发生化学反应。C-S-H凝胶是决定砂浆强度的重要因素，其巨大的表面能使骨料颗粒相互吸引，构成空间网架，但由于C-S-H是胶体尺寸的晶体，往往经过很长时间结晶度还是难以提高，所以在XRD图谱中，衍射峰极其微弱或是被其它矿物强峰所掩盖[4-6]。

3.2 SEM分析

养护28 d珊瑚礁砂砂浆的SEM照片见图5。

图5 28 d珊瑚礁砂砂浆的SEM照片

从图5可以看出，经过28 d养护，珊瑚礁砂砂浆中生成了大量的C-S-H絮状凝胶和钙矾石AFt，C-S-H絮状凝胶与针棒状钙矾石AFt相互交织形成密实结构，同时可观察到清晰的珊瑚礁砂-水泥浆体界面过渡区。从图5可以清楚地看到珊瑚礁砂内部多孔的微观结构，正是这种多孔结构使得珊瑚礁砂表面粗糙、吸水率较大；珊瑚礁砂不仅内部多孔，其表面也呈现出高低起伏状不平整的表面，在珊瑚礁砂砂浆硬化之前，水泥浆体会进入珊瑚礁砂表面地势较低的部分，填补这些空洞，以至于强化了珊瑚礁砂与水泥浆体的界面啮合作用，使得珊瑚礁砂-水泥浆体的界面粘结力较标准砂骨料-水泥浆体的界面粘结力大，大大改善了界面结构性能。因此，珊瑚礁砂砂浆界面层的弹性模量和强度要优于珊瑚礁砂本身。

在骨料-浆体处很难发现结晶完好的六方板状Ca（OH）2晶体存在。这是因为珊瑚礁砂的多孔结构具有吸水和供水作用，吸水作用使珊瑚礁砂附近处于局部低水胶比的状态，因此减少了水分在珊瑚礁砂和水泥浆界面富集及避免了骨料下部由于内分层作用而形成水囊，避免了界面处Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料与砂浆的界面粘结力，不利于Ca（OH）2晶体的发育，减少珊瑚砂浆的薄弱部分；供水作用使珊瑚礁砂附近的水泥在后期能充分水化，进一步增大了珊瑚礁砂表面附近水泥石的密实度[4-6]。

4 结论

（1）随珊瑚礁砂细度模数的增大，珊瑚礁砂砂浆的流动度和抗折、抗压强度均先提高后降低，细度模数为2.19时砂浆的强度最高，适宜细度模数的珊瑚礁砂砂浆力学性能最好，过粗或过细的珊瑚礁砂砂浆力学性能均会下降。

（2）随珊瑚礁砂片状颗粒含量的增加，珊瑚礁砂砂浆的流动度增大，抗折、抗压强度先提高后降低，原状珊瑚礁砂（片状颗粒含量10%）砂浆的28 d抗折强度最高，过多的片状颗粒会明显降低珊瑚礁砂砂浆强度，片状颗粒自身较差的力学强度影响到了珊瑚礁砂砂浆的强度。

（3）随珊瑚礁砂含水率的增加，珊瑚礁砂砂浆的流动度和抗折、抗压强度均先提高后降低，施工现场可直接使用自然条件下的湿砂，不仅可以避免更长时间的晾晒，也可以改善珊瑚礁砂砂浆的性能。

（4）随憎水剂浓度的增加，珊瑚礁砂砂浆的流动度增大，抗折、抗压强度先提高后降低。

（5）珊瑚礁砂砂浆和标准砂骨料砂浆的28 d水化产物基本相同，都含有 Ca（OH）2、AFt、CaCO3和 C-S-H 凝胶。

（6）珊瑚礁砂内部多孔的微观结构使得珊瑚骨料-水泥浆体的界面粘结力较河砂骨料-水泥浆体的界面粘结力大，大大改善了界面结构性能，同时在骨料-浆体处很难发现结晶完好的六方板状Ca（OH）2晶体存在，进一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密实度。