海蛎壳掺量对天然砂混凝土和易性的影响研究*

张锦，甘雨平，叶腾，严捍东

(1.漳州职业技术学院建筑工程学院，福建 漳州 363000； 2.华侨大学土木工程学院，福建 厦门 361021)

前言

海蛎壳在我国沿海地区较为常见，是一种壳类废弃物，大多处于自然废弃状态，这样既占用土地，又影响周围环境，如何实现对海蛎壳的回收利用已成为学者研究的热点.近年来有一些学者针对贝壳类废弃物的应用领域进行了探索研究，研究认为贝壳类废弃物经加工处理后作为建筑材料能在建筑领域中得到应用[1-2].混凝土在建筑上的需求量巨大，砂石是组成混凝土的重要骨料.由于天然砂石是不可再生资源，正逐渐减少.若贝壳类废弃物能够当作骨料和掺合料应用在混凝土中，则会解决这一难题，既创造了效益，同时又能保护自然生态资源.为此，国内外学者进行了贝壳类废弃物在混凝土中的应用研究及对混凝土性能影响的研究，取得了一定的研究成果.例如，唐衍力等[3]的研究表明：牡蛎壳粉可用作混凝土人工鱼礁材料.牡蛎壳粉替代30%的河砂时，与海水的相容性最好，且溶出效果最优.Yang等[4]研究了掺入牡蛎壳粉对混凝土力学性能的影响.而文献[5]研究表明包含贝壳的骨料应用在混凝土中则降低了混凝土部分的物理力学性能.由此可见，贝壳类废弃物应用在混凝土中是可行的，但对混凝土性能有一定影响.

和易性是反映新拌混凝土性能的重要指标，贝壳类废弃物对混凝土和易性的影响程度较为明显.例如，赵晖等[6]研究认为粉碎的贝壳作为骨料替代石子，对混凝土的和易性有不良影响.李霞等[7]研究结果表明，掺入一定量的牡蛎壳、粉煤灰和矿粉的混凝土能提高混凝土的流动性.随着牡蛎壳掺量的增加，坍落度呈下降趋势，掺入20%的牡蛎壳的坍落度最小.周英明等[8]采用牡蛎壳替代部分细骨料，设计了细骨料替代率分别为0、20%、40%、60%的混凝土.试验结果表明4种混凝土的保水性和黏聚性均较好，但流动性有明显差别，降低了牡蛎壳混凝土的流动性.从以上研究文献和结果可知，目前贝壳类废弃物在混凝土中的应用主要以牡蛎壳粉掺入的研究较多，但以粗细骨料掺入的研究较少.因此，要深入探讨以海蛎壳为粗细骨料的研究，重点研究海蛎壳掺量对混凝土和易性的影响，为海蛎壳混凝土相关性能的进一步研究提供参考依据.

本文采用漳州地区白云石碎石和河砂作为原材料，通过研究同一强度等级不同替代率下的海蛎壳掺量对混凝土和易性的影响，确定混凝土和易性较好的海蛎壳合理替代率范围.试验以低强度等级C25为研究对象，在保持C25天然砂混凝土配合比不变的前提下，用海蛎壳替代部分碎石(其中海蛎壳替代率为0%、5%、10%、15%、20%)，研究不同替代率下的海蛎壳掺量对同一种强度等级混凝土和易性的影响程度和规律，确定海蛎壳在粗骨料中的合理替代率范围并分析其机理，同时对和易性试验影响因素进行分析.

1 试验设计

1.1 试验原材料的选用

(1)水泥：采用润丰水泥P.O42.5R.

(2)细骨料：漳州地区河砂，为中砂，级配属Ⅱ区.

(3)粗骨料：粒径为5～19 mm的漳州地区白云石碎石.

(4)掺合料：莆田地区海蛎壳，经破碎后粒径为16 mm以下.

(5)水：自来水.

1.2 混凝土配合比

试验所用混凝土配合比如表1所示.海蛎壳掺量分别为基准配合比中粗骨料用量的0%、5%、10%、15%、20%.

表1 混凝土配合比

2 试验方法

新拌混凝土的和易性试验根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)[9]的标准进行.用坍落度法来测定新拌混凝土的流动性，在试验中通过观察新拌混凝土的黏聚性及保水性，以判定混凝土和易性.

3 试验结果与机理分析

3.1 试验结果

混凝土的和易性及坍落度试验结果如表2所示，试验过程如图1所示，混凝土坍落度随海蛎壳替代率的变化如图2所示.

表2 混凝土的和易性及坍落度试验结果

(A1)C25混凝土和易性 (A2)C25混凝土坍落度 (B1)C25海蛎壳5%混凝土和易性 (B2)C25海蛎壳5%混凝土坍落度

(C1)C25海蛎壳10%混凝土和易性 (C2)C25海蛎壳10%混凝土坍落度 (D1)C25海蛎壳15%混凝土和易性 (D2)C25海蛎壳15%混凝土坍落度

(E1)C25海蛎壳20%混凝土和易性 (E2)C25海蛎壳20%混凝土坍落度

图2 混凝土坍落度随海蛎壳替代率的变化

从表2的试验结果和图1的试验过程中可以得出，不同替代率的海蛎壳掺量对混凝土的和易性产生了一定的影响，流动性和黏聚性变化较为明显.C25基准混凝土的和易性整体上较好，流动性及黏聚性也较好，不泌水.海蛎壳替代率为5%时混凝土的和易性较好，与基准混凝土的和易性进行比较，流动性有所降低，但黏聚性提高，总的来看变化不大.海蛎壳替代率为10%时混凝土的和易性好，但流动性降低，黏聚性也有所降低.海蛎壳替代率为15%时混凝土的和易性变化明显，较为一般，流动性大幅度降低，骨料之间的粘稠度变小，黏聚性一般.海蛎壳替代率为20%时混凝土的和易性差，拌合物基本上不流动，骨料出现分离、成团现象，黏聚性较差.从图2中可以看出，随着海蛎壳替代率的增加，混凝土的坍落度逐渐降低，降低明显且幅度较为均匀，坍落度的变化对混凝土的和易性产生了影响.

从以上的试验研究结果表明：混凝土坍落度随海蛎壳掺量的增加而降低，流动性随海蛎壳掺量的增加而逐渐降低，黏聚性随海蛎壳掺量的增加先提高后逐渐降低，但保水性较好，拌合物不出现泌水.总体上来看，海蛎壳替代率在5%～10%之间混凝土的和易性较好.这表明了在混凝土中掺加适量的海蛎壳能够改善混凝土的和易性，掺加过量的海蛎壳则会降低混凝土的和易性.由此通过试验研究也进一步表明了在混凝土中掺加海蛎壳是可行的.

3.2 机理分析

从上述的研究结果能够看出海蛎壳对混凝土的和易性影响与海蛎壳掺量有一定的关系，影响程度各有不同，对其机理进行分析，其原因主要有如下.

(1)试验所用的海蛎壳经破碎后粒径为16mm以下，从成分构成来看，海蛎壳里面已含有海蛎壳粗细骨料以及部分海蛎壳粉，海蛎壳按照基准混凝土粗骨料的替代率直接掺加到混凝土中，使得混凝土内部的材料组成结构得到重新整合，海蛎壳掺量对新拌混凝土的和易性产生了不同程度的影响.

(2)混凝土中含有一定量的水，这些水能够满足新拌混凝土的正常需求.当混凝土中掺加海蛎壳后，由于海蛎壳中含有海蛎壳粉，在混凝土搅拌中，有一部分水被海蛎壳粉吸收，这样影响到水泥的水化作用，使得新拌混凝土拌合物的流动性降低.同时，适量的海蛎壳粉在混凝土中还起到填充骨料之间空隙的作用，从而提高了新拌混凝土的黏聚性.然而过量的海蛎壳粉会造成混凝土拌合物干涩，黏稠度降低，影响到混凝土的和易性.

(3)由于破碎后的海蛎壳骨料形状各异，棱角多样，在混凝土骨料拌合中表面会附着一部分水泥浆体，这样使得混凝土中用于砂石黏结作用的水泥浆体减少，骨料之间的润滑作用减弱，造成新拌混凝土的流动性降低，特别是随着海蛎壳掺量的增加，混凝土的流动性表现出明显的降低，黏聚性逐渐降低，和易性变化较为明显.

4 和易性试验影响因素分析

影响混凝土和易性的因素有多方面，针对本试验的研究，着重从单位用水量、砂率、水灰比这三个因素进行分析.在混凝土中掺加海蛎壳，海蛎壳掺量的变化可能会引起这些因素的变化，从而对混凝土的和易性产生影响.

4.1 单位用水量

单位用水量对混凝土和易性的影响较为显著.在试验中，海蛎壳的掺入会改变混凝土骨料的结构组成，若要保持相同的混凝土坍落度，则需要增加用水量.本试验在设计时，主要研究在相同的单位用水量下，海蛎壳掺量对混凝土和易性的影响.由于试验所用的海蛎壳为粗细骨料组成的混合料，里面含有一定量的海蛎壳粉，这些海蛎壳粉会吸收一部分水，在单位用水量不变的条件下，必然会降低混凝土的流动性，从混凝土搅拌试验过程中可以观察到流动性的变化.

4.2 砂率

砂率对于改善混凝土的和易性具有重要作用.本试验拌制的混凝土中用海蛎壳替代部分碎石，使得混凝土中碎石的用量减少，在砂用量保持不变的情况下，实际上是提高了混凝土的砂率.一般来说，在合理的砂率范围内，砂率提高了，混凝土的流动性和黏聚性也随之提高.在本试验中，随着海蛎壳掺量的增加，碎石用量逐渐减少，则砂在砂石总用量中的比例在逐渐增大，从理论上来看混凝土的流动性应增大.然而从实际的试验研究结果发现，混凝土的流动性和黏聚性都呈现出降低现象，原因很可能是混凝土中海蛎壳粉的增加吸收了一部分水所引起混凝土内部水分的减少，从而影响到混凝土的流动性和黏聚性.

4.3 水灰比

水灰比也是影响混凝土和易性的一个重要因素.本试验根据原材料的性质，按照低强度等级进行混凝土配合比设计，其中水灰比取值为0.55，以此试验反映混凝土的和易性变化情况.从试验结果来看，混凝土的流动性随海蛎壳掺量的增加而降低，这可能与水灰比的设计有一定的关系，分析其原因很可能是海蛎壳中的海蛎壳粉充当着掺合料的作用，这样使得胶凝材料的用量提高了，实际上是降低了水灰比.若要达到设计时的混凝土坍落度，使得混凝土的流动性不受到过多的影响，则应该增加用水量.在水灰比保持不变的条件下，海蛎壳用量越少，则海蛎壳粉的含量也相应越少，以此达到混凝土的流动性要求，从而改善混凝土的和易性.

5 结论

本试验通过研究海蛎壳掺量对天然砂混凝土和易性的影响，得出了以下几个结论.

(1)混凝土坍落度随海蛎壳掺量的增加而降低，主要是由于试验所用的海蛎壳中含有海蛎壳粉，海蛎壳粉会吸收混凝土中的一部分水从而影响到混凝土的坍落度.

(2)随着海蛎壳掺量的增加，混凝土的流动性逐渐降低，黏聚性先提高后逐渐降低，但总体上保水性较好，不泌水.造成这种现象的原因在于海蛎壳掺量的增加使得海蛎壳粉的含量也在增加，海蛎壳粉影响到混凝土的流动性，但对保水性产生积极影响.

(3)从试验研究结果来看，海蛎壳替代率在5%～10%之间混凝土的和易性较好，试验表明了掺加适量的海蛎壳能够改善混凝土的和易性.

总之，海蛎壳掺量对混凝土和易性产生了一定程度的影响，变化较为明显.试验研究结果进一步表明了海蛎壳中的海蛎壳粉能够充当掺合料作用，适当的海蛎壳粉在改善混凝土的整体和易性中起到了积极促进作用.同时试验得出的研究结果对后续深入进行海蛎壳混凝土的性能研究提供了重要的参考价值.