珊瑚砂混凝土的力学性能与微观孔隙结构分析

池俊生， 王 磊

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

岛礁大部分远离大陆，常规材料严重缺乏。因此，利用当地原材料和珊瑚骨料配制珊瑚混凝土，不仅可以缓解资源压力，而且可以最大限度地利用资源[1-2]。珊瑚砂是以珊瑚礁为原料，经破碎、筛分后形成粒径小于5 mm、碳酸钙质量分数大于96%的固体颗粒[3]。与天然骨料混凝土相比，珊瑚砂混凝土具有收缩变形大、脆性大、抗弯强度低等缺点，严重制约了其在大型工程中的应用。解决问题的有效途径是添加适量的复合矿物掺和料或改进制备工艺。梅军帅[4]在珊瑚混凝土中加入复合矿物掺合料，珊瑚混凝土的力学性能显著提高。刁益彤[5]通过内掺10%的珊瑚微粉，能够强化珊瑚骨料和水泥净浆的力学性能，提升界面的粘结性能。陈迪森[6]通过改进搅拌工艺，显著改善混凝土内部孔隙的微观结构，降低珊瑚混凝土的孔隙率。韦灼彬等[7]采用非饱和预湿工艺对珊瑚粗骨料进行预处理并加入矿物掺合料，能有效减小孔隙率,使无害孔比例增加，改善了珊瑚混凝土的抗渗透能力。

本文研究了不同气压环境及硅灰掺量下珊瑚混凝土的力学性能，进一步探讨了矿物掺和料与搅拌工艺对珊瑚混凝土力学性能与孔隙微观结构的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比

采用的天然珊瑚砂形态如图1所示，物理性能如表1所示；水泥为P.O 52.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为河南郑州生产的I级粉煤灰；硅灰为四川德阳出产的微硅粉，其化学成分如表2所示；减水剂为减水率20%的聚羧酸高效减水剂；拌合水为桂林市自来水。试验参照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》[8]设计了8组珊瑚混凝土试件，配合比如表3所示(表3中A1～A4表示普通搅拌下0、10%、15%、20%的硅灰掺量，B1～B4表示真空搅拌下0、10%、15%、20%的硅灰掺量。)，A组依据GB/T 17671—1999《水泥砂浆强度试验方法》(ISO法)[9]进行搅拌，B组按负压下的新工艺进行搅拌，工艺流程图如图2所示。

(a)珊瑚砂 (b)珊瑚砂颗粒 (c)珊瑚砂电镜图

表1 珊瑚骨料的物理性能

表2 硅灰的化学成分

表3 珊瑚混凝土配合比

1.2 试件制作与试验过程

按照表3的配合比分别制备普通拌和珊瑚混凝土与真空拌和珊瑚混凝土，试验设置了4组普通搅拌环境下的珊瑚混凝土(A1～A4)和4组真空搅拌环境下的珊瑚混凝土(B1～B4)，每组浇筑尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm混凝土立方体试块3块，养护28 d，养护完成试件如图3所示。参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10]测试各组的抗压强度。

图2 B组工艺流程图

图3 养护完成试件

2 试验概况

2.1 立方体抗压强度

珊瑚混凝土的立方体抗压强度如图4所示。从图4可以看出，珊瑚混凝土的抗压强度随硅灰掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，最优掺量为15%。最优掺量下，普通搅拌增幅为24%，真空搅拌增幅为28%。当硅灰掺量为0、10%、15%、20%时，真空搅拌比常规搅拌的抗压强度分别提高了18.4%、8.3%、21.1%、18%，当硅灰掺量为15%时，其增幅最为显著。

对硅灰影响混凝土强度的机理进行初步分析。硅灰对混凝土的影响主要有两方面：一方面硅灰的粒径和密度都比水泥小，在胶凝材料中，硅灰可以起到很好的填充作用，减少了水泥颗粒之间的空隙，同时增加了结构的密实度；另一方面，由于硅灰具有火山灰活性，其水化产物Ca(OH)2在与水泥混合时会产生二次水化反应，进一步填充了水泥石之间的孔隙，从而提高了混凝土强度[11]。当硅灰掺量为0～15%时，增强因素大于损强因素，珊瑚混凝土抗压强度有所增加。当硅灰掺量继续增加，损强因素大于增强因素，用水量不足使混凝土的工作性能下降，无法搅拌均匀使内部孔隙与缺陷增多，对抗压强度的进一步提高不利。

对搅拌环境影响混凝土强度的机理进行初步分析。气压对混凝土的影响主要有两方面：一方面，随着气压的增加，可以使珊瑚骨料开放孔隙中的空气更容易排出，渗入胶结材料或更细小的珊瑚粉末，从而使珊瑚骨料的开放孔隙被有效填充，改善了珊瑚内部缺陷，增强了界面强度，提高了珊瑚混凝土的强度[12]；另一方面，由于混凝土在搅拌过程中与空气隔绝，气泡进入混凝土受阻，此时混凝土中的孔隙仅来自水分的蒸发，降低了新拌混凝土中气泡的数量，混凝土的密实度和强度得到显著提升[13]。

图4 立方体抗压强度随硅灰掺量的变化

2.2 孔隙率

珊瑚混凝土的孔隙率随硅灰掺量的变化如图5所示。从图5可以看出，珊瑚混凝土的孔隙率随着硅灰掺量的增加呈现先降低后升高的趋势。当硅灰掺量为15%时，其孔隙率达到最小值，普通搅拌下的降幅为57%，真空搅拌下的降幅为25%，随着硅灰掺量的继续增加，其孔隙率呈上升的趋势。当硅灰掺量为0、10%、15%、20%时，真空搅拌比常规搅拌的孔隙率分别降低了50%、46%、30%、48%。

硅灰影响混凝土孔隙率与硅灰掺量影响强度的机理相似，当硅灰掺量达到20%时，孔隙率反而有所增加。因为硅灰掺量过多会出现团聚现象，并受到如孔隙内外压力差、温度、酸碱度、孔喉半径、孔喉长度、孔喉形状、水泥浆的流动性等其他因素的影响，无法对珊瑚砂内部孔隙进一步进行填充[14]。

2.3 孔隙率与抗压强度

珊瑚混凝土的孔隙率随硅灰掺量的变化如图6所示。从图6可以看出，两组珊瑚混凝土的孔隙率随硅灰掺量的增加而减小并存在一定的变化规律，不是简单的线性关系。

图5 孔隙率随硅灰掺量的变化 图6 孔隙率与抗压强度关系

3 微观结构分析

珊瑚砂混凝土内部孔隙主要有3种。第1种是珊瑚骨料本身内部的孔隙。珊瑚骨料具有多孔结构，其中大骨料孔隙率接近50%，且内部含有大量空气[15-16]。第2种是搅拌引气形成的孔隙。在机械搅拌过程中，新拌混凝土与空气接触会产生气泡，混凝土硬化后，未破裂的气泡便会在混凝土中形成孔隙。第3种是水分蒸发所产生的孔隙。不参与水泥水化反应的水不断蒸发，最终会在混凝土中形成孔隙。本文采用扫描电镜重点观察了珊瑚混凝土中水泥浆体和珊瑚骨料的孔隙微观形貌和结构特征。

普通拌和珊瑚混凝土与真空拌和珊瑚混凝土水泥浆体的微观形貌如图7所示。由图7可见，真空拌和混凝土水泥浆上的孔隙要明显少于普通环境下拌和水泥浆上的孔隙，并且真空环境下珊瑚瑚骨料内部孔隙填充明显。相对于常规环境，真空环境下搅拌与空气接触少，引入的气泡较少，大大降低了搅拌引气这部分形成的孔隙。其次，由于气压的增大，珊瑚骨料与水泥浆体的接触面积增加，水化产物、胶凝材料和较细的珊瑚粉进入珊瑚骨料表面孔隙后，起到了填充作用，提高界面结合强度。

4 模型验证与分析

混凝土的孔隙结构是影响混凝土宏观力学性能的主要因素之一，目前常规的孔隙分析方法有氮气吸附、压汞实验等。这些方法都能对混凝土孔隙做一定的定量分析，但仅对某些连通孔隙进行分析并且对试样的完整性有不同程度的破坏，不能真实地反映孔隙情况。为了在无损情况下获取孔隙真实的微观图像，准确地表征珊瑚砂混凝土的孔隙结构，运用CT扫描技术对珊瑚混凝土样品的多层断面进行扫描，对获得的二维平面图像用Avizo图形处理软件进行三维重构。最后，基于三维孔隙网络模型的重建，对珊瑚混凝土孔隙分布特征进行了统计分析。

(a)普通拌和水泥浆 (b)真空拌和水泥浆

(c)普通拌和珊瑚骨 (d)真空拌和珊瑚骨料

4.1 样品制备与模型建立

样品尺寸为Φ20 mm × 40 mm，CT扫描样品如图8所示。建模所用图形处理软件为Avizo，具体过程包括：灰度图像滤波、灰度图像二值化、图像分割、二值化图像精细处理等。最终珊瑚混凝土样品模型、孔隙模型如图9所示。

图8 CT扫描样品

(a)A2样品模型 (b)B2样品模型 (c)A2孔隙模型 (d)B2孔隙模型

4.2 模型结果验证分析

徐行军[17]通过基于断层扫描图像建立了多孔透水混凝土的三维孔隙模型，准确性较高。本文采用同样的方法建立珊瑚混凝土的三维孔隙模型来表征珊瑚混凝土微观孔隙结构分布。为验证珊瑚混凝土孔隙模型的可靠性和精度，添加A1、A3、A4共3组试验进行对比，结果如表4所示。由表4可以看出，模型计算得到的珊瑚混凝土孔隙率的理论值与实测值相差不大，平均相对误差在5%以内变动。因此，本文构建的三维孔隙模型能较好地预测并计算珊瑚混凝土的孔隙率，对珊瑚混凝土微观结构的研究具有较高的参考意义。

表4 模型孔隙率验证表 单位：%

5 结 语

真空负压搅拌的珊瑚混凝土强度比常规环境搅拌的高8.3%～21.1%，孔隙率低30%～50%；在相同环境下，珊瑚混凝土强度随硅灰掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，最优掺量为2%；对珊瑚混凝土进行电镜扫描发现，真空负压环境下水泥浆的孔隙率更低，且珊瑚骨料内部孔隙填充明显；基于二维断层扫描图像和三维孔隙模型的建立能有效表征珊瑚混凝土微观孔隙结构分布，误差在5%以内，对珊瑚混凝土微观结构的研究具有较高的参考意义。