水泥种类和水胶比对人工鱼礁生态混凝土基本性能的影响

张思雨，丛干文，孙嘉卿，刘君实，刘妍，全洪珠

(青岛农业大学建筑工程学院，山东青岛 266109)

人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是改善海域生态系统，营造海洋生物栖息的良好环境，保护、增殖和提高渔获量。为了大力推进国家海洋发展战略，农业农村部修订了《国家级海洋牧场示范区建设规划(2017—2025年)》[1]，而人工鱼礁是海洋牧场的重要组成部分，建设人工鱼礁是修复海洋生态环境、促进海洋渔业可持续发展的一条有效途径[2]。目前，普遍使用的钢筋混凝土人工鱼礁存在耐久性差、碱性强等诸多问题，使人工鱼礁服役寿命低于设计指标，不利于人工鱼礁向生态功能化方向发展[3]。近年来，对普通混凝土人工鱼礁的研发及应用较多，但使用不同种类水泥制备人工鱼礁生态混凝土并进行性能研究的相对较少[4]。作者在前期试验数据和成果的基础上[5-7]，使用普通硅酸盐水泥(P.O)、硫铝酸盐水泥(R.SAC)、高抗折超硫酸盐水泥(SSC)和碱激发水泥(AAC)等4种水泥制备人工鱼礁生态混凝土，并对其力学性能、耐久性能和生态性能进行试验研究，为生态功能型混凝土人工鱼礁的工程应用提供试验数据和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

使用的4种水泥的物理力学性能见表1；矿物掺合料选用青岛电厂生产的S95级矿粉和Ⅱ级粉煤灰；细骨料使用中砂，表观密度为2 630 kg/m3，吸水率为2.2%；粗骨料使用5～20 mm花岗岩质碎石，其物理性能见表2；减水剂使用聚羧酸高效减水剂，外观为茶色液体，pH=7.9，减水率达25%～35%；拌和用水使用自来水。

表1 4种水泥物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of four kinds of cement

表2 所选粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of natural coarse aggregate

1.2 配合比设计

共设计7组配合比(表3)，一方面研究水胶比为0.5时不同水泥种类的影响，另一方面以普通硅酸盐水泥(掺矿粉、粉煤灰)为对象，研究不同水胶比(分别为0.5、0.45和0.42)的影响。混凝土目标坍落度为180～200 mm，通过调整减水剂用量来确定坍落度。设计试件编号记为“水泥种类-水胶比”形式。

表3 生态混凝土试件的配合比设计Table 3 Mix design of ecological concrete specimen

1.3 试验方法

在搅拌混凝土时，先将胶凝材料和细骨料投入强制式搅拌机搅拌30 s，然后投入掺有减水剂的水并搅拌60 s，最后投入粗骨料并搅拌90 s，使混凝土拌和均匀。

采用人工插捣的方法装模，24 h后拆模，将试件置于(20±2)℃、相对湿度大于95%的标准养护室中养护，到规定龄期后进行各项性能测试，包括测试抗压强度、抗折强度、抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能、混凝土pH值、有害物质及放射性等。测试抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能试验、混凝土pH试验时，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；测试抗折强度时，试件尺寸为100 mm×100 mm×550 mm；测试抗氯离子渗透性能时，试件为直径(100±1)mm、高(50±2)mm的圆柱体。

2 结果与分析

2.1 水泥种类和水胶比对生态混凝土28 d强度的影响

混凝土28 d抗压强度和抗折强度测试结果见表4。由表4可知：在水胶比相同时，SSC人工鱼礁生态混凝土的抗压强度和抗折强度明显高于其他组的，抗压强度比其他组的提高了11%～24%，抗折强度比其他组的提高了57%～70%。这表明，利用SSC制备的人工鱼礁生态混凝土力学性能较好。另外，根据表4，P.FS人工鱼礁生态混凝土的力学性能随水胶比的增大而降低。

表4 生态混凝土试件28 d抗压强度和28 d抗折强度Table 4 28 days’compressive strength and 28 days’flexural strength of ecological concrete specimens

2.2 水泥种类和水胶比对生态混凝土耐久性能的影响

为应对海洋环境中氯离子和硫酸盐的侵蚀，生态混凝土人工鱼礁要比普通混凝土人工鱼礁具有更高的结构耐久性[8]。为准确研究人工鱼礁生态混凝土抗氯离子渗透性能，采用电通量法和交流电测量法两种方法进行试验[9-10]。各生态混凝土试件的电通量和电阻率见表5。

表5 生态混凝土试件电通量和电阻率Table 5 Electrical flux and resistivity of ecological concrete specimens

由表5可知：使用电通量法测量时，不同水泥人工鱼礁混凝土的抗氯离子渗透性能强弱顺序为SSC-0.5>P.FS-0.5>AAC-0.5>R.SAC-0.5>P.O-0.5；使用交流电测量法时，抗氯离子渗透性能强弱顺序为SSC-0.5>AAC-0.5>R.SAC-0.5>P.FS-0.5>P.O-0.5。两种方法都说明：混凝土抗氯离子渗透性能与水胶比呈反比，且4种水泥中，SSC制备的人工鱼礁生态混凝土抗氯离子渗透性能最好，P.O的最差。

人工鱼礁生态混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验结果见表6。由表6可知：进行30次干湿循环后，7组混凝土试件的抗压强度耐蚀系数都大于100%；进行90次干湿循环后，7组混凝土试件的抗压强度耐蚀系数均有所下降。这主要是因为在干湿循环初期，干湿循环作用在一定程度上能够增进水泥的水化。烘干过程中，温度升高使未完全水化的水泥颗粒在游离水存在的条件下继续水化，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，增加了生态混凝土的密实性[11]。另外，有少量硫酸盐渗到界面过渡区，与水泥水化产物氢氧化钙反应生成钙矾石，体积膨胀，增加了界面处密实度，使界面过渡区得到一定程度的优化。但进行到90次干湿循环时，由于水泥颗粒的持续水化和硫酸盐侵蚀损伤的不断积累，标准养护试件后期的抗压强度大幅提高，导致耐蚀系数减小[12-13]。

表6 生态混凝土试件抗硫酸盐侵蚀性能测试Table 6 Test on sulfate resistance of ecological concrete specimens

由表6可知：混凝土试件抗硫酸盐侵蚀性能与水胶比呈反比。另外，进行90次干湿循环后，R.SAC-0.5、SSC-0.5、AAC-0.5的抗压强度耐蚀系数仍大于100%，表明SSC生态混凝土、R.SAC生态混凝土和AAC生态混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较好。由表5、表6可知,降低混凝土的水胶比能够提高混凝土在酸性环境下的耐久性[14]。综合分析耐久性试验，SSC生态混凝土抗酸盐类侵蚀性能较好，P.O生态混凝土较差。

2.3 水泥种类和水胶比对生态混凝土生态性能的影响

生态性主要从生态混凝土对海水pH值的影响、生态混凝土有害物质含量、生态混凝土放射性方面研究。混凝土试件pH值测试结果见表7。

表7 生态混凝土试件pH值Table 7 Test results of pH value of ecological concrete specimens

分析表7中的数据，1～14 d，7组混凝土试件海水pH值均明显升高，14 d之后，pH值增长速度变缓，甚至pH值下降。这是因为，水泥在水化过程初期会释放硅酸钙和氢氧化钙等多种碱性物质，导致海水pH值升高，之后水化速度减慢，析出的OH—相对变少[15]。表7显示：随着水胶比的减少，水泥量增多，析出的碱性物质增多，pH值也随之升高；水胶比相同时，与其他组相比，SSC-0.5溶出液28 d pH值低0.09～1.31，内部pH值低0.13～1.03。因此，SSC生态混凝土的碱性较低，对海水水质的影响更小[16]。

对7组人工鱼礁生态混凝土试件进行重金属检测[17]的结果见表8。可以看出，7组混凝土试件均没有重金属污染物超标现象，满足国家规范要求[18]。对7组生态混凝土试件进行放射性检测，结果见表9，说明7组混凝土试件放射性核素限值均满足规范要求[18]。

表9 生态混凝土试件放射性核素限值Table 9 Radionuclide limits of ecological concrete specimens 单位：Bq/kg

表8 生态混凝土试件重金属含量Table 8 Test results of heavy metals in ecological concrete specimens 单位：mg/kg

3 结论

使用4种不同种类的水泥制备人工鱼礁生态混凝土，研究其力学性能、耐久性能和生态性能，得到如下结论。

(1)力学性能方面，水胶比相同时，与其他组相比，高抗折超硫酸盐水泥(SSC)人工鱼礁生态混凝土抗压强度提高11%～24%，抗折强度提高57%～70%。

(2)耐久性能方面，水胶比相同时，高抗折超硫酸盐水泥(SSC)生态混凝土、硫铝酸盐水泥(R.SAC)生态混凝土和碱激发水泥(AAC)生态混凝土的抗酸盐侵蚀性能较好；随着水胶比的降低，混凝土抗酸盐侵蚀性能增强。

(3)生态性能方面，水胶比相同时，与其他组相比，高抗折超硫酸盐水泥(SSC)制备的生态混凝土碱性较弱，对海水水质的影响更小；随着水胶比的减少，混凝土pH值升高；制备的7组人工鱼礁生态混凝土的重金属和放射性物质含量均未超标，满足国家规范要求。

(4)综合考虑7组人工鱼礁生态混凝土的力学性能、耐久性能和生态性能，高抗折超硫酸盐水泥(SSC)更适合用于制备人工鱼礁生态混凝土。