陳飛翔 ，劉曠怡 ，張國志 ，丁沙 ，秦明強(qiáng)

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

海洋工程建設(shè)遠(yuǎn)離大陸，物資、淡水資源匱乏，若使用傳統(tǒng)建筑材料進(jìn)行海洋工程施工，不僅存在海上運(yùn)輸任務(wù)艱巨、運(yùn)輸成本過高的問題，而且傳統(tǒng)建筑材料在海洋氣候環(huán)境下耐久性差、服役壽命短，嚴(yán)重制約了人類對(duì)海洋的大規(guī)模建設(shè)、管理和資源開發(fā)。為了解決上述問題，可以考慮充分利用海洋工程周邊的原材料來進(jìn)行工程建設(shè)，例如可以利用珊瑚礁砂作為細(xì)骨料，制備一些不需要配筋的海工砂漿結(jié)構(gòu)，如護(hù)岸、防波堤等，不僅可以擺脫遠(yuǎn)距離海上運(yùn)輸?shù)闹萍s，而且能夠大幅度節(jié)省工程造價(jià)[1-3]。利用珊瑚礁砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)細(xì)骨料制備砂漿，國內(nèi)外開展了一些研究，美國土木工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如缺乏常規(guī)骨料，工程建設(shè)可使用珊瑚礁砂作為砂漿骨料，并在太平洋的島嶼上建造了珊瑚礁砂的建筑物；國內(nèi)對(duì)利用珊瑚礁砂制備砂漿的研究不多，基本上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚無工程案例方面的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，通過研究珊瑚礁砂取代傳統(tǒng)的細(xì)骨料制備砂漿，對(duì)指導(dǎo)海洋工程的建筑施工、降低施工成本，具有重要的意義及應(yīng)用價(jià)值。

1 原材料

（1）骨料：珊瑚礁砂取自天然珊瑚，細(xì)度模數(shù)2.1；天然河砂細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量0.3%。2種骨料的物理性能見表1，珊瑚礁砂的力學(xué)性能見表2，SEM照片見圖1。

表1 2種骨料的物理性能

表2 珊瑚礁砂各檔粒徑的壓碎值

圖1 珊瑚礁砂的SEM照片

由表1可知，珊瑚礁砂的表觀密度、松散堆積密度和緊密堆積密度均要明顯小于河砂，因此配制出的珊瑚礁砂砂漿的密度要小于河砂砂漿。珊瑚礁砂的吸水率大于河砂，在制備珊瑚礁砂砂漿時(shí)，應(yīng)監(jiān)測(cè)珊瑚礁砂含水量，及時(shí)調(diào)整用水量。珊瑚礁砂的氯離子含量遠(yuǎn)高于河砂，珊瑚礁砂的含鹽量主要來自海水中的硫酸鹽和氯鹽，海水中硫酸鹽含量?jī)H為氯鹽的1/10左右（硫酸鹽含量折算為SO42-含量，氯鹽含量折算為Cl-含量），珊瑚礁砂的含鹽量主要是氯鹽引起的，這可能會(huì)使珊瑚礁砂砂漿的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

由表2可知，珊瑚礁砂的力學(xué)性能較差，且壓碎值隨著粒徑的增大而增大，說明珊瑚礁砂粗顆粒的力學(xué)性能更差。2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm兩檔的壓碎值均超過了50%，而壓碎值最小的一檔也達(dá)到了18.89%，這可能會(huì)對(duì)珊瑚礁砂砂漿的強(qiáng)度造成影響。

由圖1可以看出，珊瑚礁砂表面粗糙，布滿孔隙，存在很多層狀結(jié)構(gòu)與籠狀結(jié)構(gòu)，這種微觀形貌特點(diǎn)導(dǎo)致其具有較大的比表面積，使用珊瑚礁砂配制砂漿會(huì)比使用河砂配制的砂漿需水量要大。

由以上結(jié)果可知，珊瑚礁砂密度小、強(qiáng)度較低、表面孔隙豐富，這使得配制珊瑚礁砂砂漿時(shí)需水量較多，而砂漿的密度較小；珊瑚礁砂中氯離子含量較高，使用時(shí)應(yīng)注意控制氯離子對(duì)砂漿性能的影響。

（2）其它原料：華新P·O42.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.4%，初、終凝時(shí)間分別為135、195min，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為52.2、8.1 MPa；減水劑，巴斯夫聚羧酸高效減水劑，減水率為22%；憎水劑，甲基硅酸鈉溶液，濃度分別為2%、4%、6%。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與性能分析

試驗(yàn)過程中，首先按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》給出的膠砂比1∶3，水膠比0.5進(jìn)行試拌，發(fā)現(xiàn)砂漿呈分散砂粒狀，無法成型[見圖2（a）]，這一方面是由于規(guī)定給出的膠砂比1∶3為質(zhì)量比，而珊瑚礁砂的表觀密度較小，造成了細(xì)骨料的整體比表面積較大，膠凝材料無法完全包裹細(xì)骨料；另一方面，珊瑚礁砂特有的疏通多孔使得其會(huì)吸掉一部分水，使得水膠比為0.5時(shí)無流動(dòng)性。通過進(jìn)一步試拌，最終確定了膠砂比1∶2，水膠比0.6，并摻加2%的減水劑，制備出的砂漿工作性能良好[見圖2（b）]，砂漿配合比見表3，此后文中所有砂漿試驗(yàn)均采用此配合比。

圖2 珊瑚礁砂砂漿的狀態(tài)

表3 珊瑚礁砂砂漿的配合比

2.1 細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿性能的影響

砂的細(xì)度模數(shù)是劃分砂粗細(xì)程度的指標(biāo)。在砂漿配合比設(shè)計(jì)中，要以它調(diào)整砂率和單位用水量，保持砂漿合適的稠度，從而達(dá)到理想的和易性。海洋工程施工過程中的珊瑚礁砂就地取材，不同取樣點(diǎn)細(xì)度模數(shù)跨度較大，因此需研究細(xì)度模數(shù)對(duì)珊瑚礁砂砂漿性能的影響。

細(xì)度模數(shù)復(fù)配采用的方法是將珊瑚礁砂通過0.6 mm篩孔的篩子篩成上下2份，通過不同比例復(fù)配并計(jì)算出細(xì)度模數(shù)，研究不同細(xì)度模數(shù)的珊瑚礁砂對(duì)砂漿性能的影響，除砂的細(xì)度模數(shù)不同外，其它材料品種和用量保持一致。不同細(xì)度模數(shù)珊瑚礁砂復(fù)配比例及砂漿性能測(cè)試結(jié)果見表4。

由表4可以看出，砂漿流動(dòng)度隨著珊瑚礁砂細(xì)度模數(shù)的增大先增大后減小，砂漿的保水性逐漸變差，這說明細(xì)砂的保水性相對(duì)較好這一方面是因?yàn)榧?xì)砂的比表面積較大，另一方面是因?yàn)榇诸w粒中的薄片狀形貌不易保水造成的。砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著細(xì)度模數(shù)的增加基本呈先提高后降低的趨勢(shì)，細(xì)度模數(shù)為2.19時(shí)砂漿的強(qiáng)度最高，這說明適宜細(xì)度模數(shù)的珊瑚礁砂砂漿力學(xué)性能最好，過粗或過細(xì)的珊瑚礁砂的砂漿力學(xué)性能均會(huì)下降。

表4 不同細(xì)度模數(shù)珊瑚礁砂復(fù)配比例及砂漿性能

2.2 片狀顆粒含量對(duì)砂漿性能的影響

通過對(duì)珊瑚礁砂進(jìn)行篩分發(fā)現(xiàn)，4.75 mm篩上的為珊瑚礁石顆粒以及少量貝殼，而2.36 mm與1.18 mm篩以上部分的幾乎全部是薄片狀顆粒，0.6mm篩孔上珊瑚礁砂才開始出現(xiàn)形狀規(guī)則顆粒（見圖3）。因此選用1.18 mm篩以上片狀顆粒含量作為珊瑚礁砂的特征指標(biāo)，進(jìn)行砂漿性能試驗(yàn)，選擇的片狀顆粒含量分別為7%、10%、13%、16%，其中10%為原狀珊瑚礁砂的片狀顆粒含量，性能測(cè)試結(jié)果見表5。

圖3 不同篩孔上珊瑚礁砂形貌

表5 不同片狀顆粒含量砂漿的流動(dòng)度和28 d強(qiáng)度

從表5可以看出，隨著片狀顆粒含量的增加，砂漿流動(dòng)度逐漸增大，這是因?yàn)槠瑺铑w粒無法相互之間形成嵌擠結(jié)構(gòu)，容易相對(duì)滑動(dòng)，起到潤(rùn)滑的作用，使砂漿的流動(dòng)度增加。抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著片狀顆粒含量的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)，原狀珊瑚礁砂砂漿的28 d抗折強(qiáng)度最大，7%～13%片狀顆粒含量范圍內(nèi)的珊瑚礁砂砂漿抗壓強(qiáng)度較為接近，當(dāng)片狀顆粒含量達(dá)到16%時(shí)，抗壓強(qiáng)度急劇下降，這表明過多的片狀顆粒會(huì)明顯降低珊瑚礁砂砂漿強(qiáng)度。這與壓碎值指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果一致，片狀顆粒自身較差的力學(xué)強(qiáng)度影響了珊瑚礁砂砂漿的強(qiáng)度。

2.3 含水率對(duì)砂漿性能的影響

海洋工程空氣潮濕，雨量充沛，再加上珊瑚礁砂自身多孔，吸水率較大，自然狀態(tài)下的珊瑚礁砂一般含有一定量的水分，且含水量波動(dòng)范圍較大。珊瑚礁砂不同程度的含水量，在珊瑚礁砂砂漿拌合以及強(qiáng)度增長(zhǎng)的過程中會(huì)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。拌合過程中的吸水作用會(huì)直接影響砂漿的流動(dòng)性，而后期養(yǎng)護(hù)過程中，珊瑚礁砂會(huì)將吸收的水分釋放出來，產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，促進(jìn)強(qiáng)度的增長(zhǎng)。因此，需研究不同含水率對(duì)珊瑚礁砂砂漿性能的影響。珊瑚礁砂自然狀態(tài)下的含水率為6.8%～7.5%，將珊瑚礁砂浸泡24 h，然后撈起至不滴水時(shí)其含水率為17.2%。因此，根據(jù)珊瑚礁砂的含水率變化范圍，選擇0、5%、10%、15%含水率的珊瑚礁砂進(jìn)行試驗(yàn)，砂中所含水在加水量中扣除，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同含水率砂漿的流動(dòng)度和28 d強(qiáng)度

從表6可以看出，珊瑚礁砂的含水率為5%和10%時(shí)，砂漿流動(dòng)度相比于含水率為0的干砂砂漿增長(zhǎng)幅度很大，可見明顯泌水，而含水率為15%時(shí)，砂漿流動(dòng)度只是稍微比干砂砂砂漿大。這是因?yàn)楦缮暗奈俾屎艽?，拌合時(shí)珊瑚礁砂不僅迅速吸收周圍的水分，使水膠比降低，同時(shí)吸收了一部分外加劑，2方面共同作用使砂漿流動(dòng)性變差。而經(jīng)過5%和10%預(yù)濕的珊瑚礁砂內(nèi)部與外部的毛細(xì)管壓力差較小，使得吸水速率變慢，同時(shí)吸收的外加劑的量變少，起實(shí)際作用的外加劑量較高，因此流動(dòng)度較大，甚至出現(xiàn)了泌水。而15%含水率下，總用水量中的大部分水在預(yù)濕時(shí)吸進(jìn)珊瑚礁砂內(nèi)部，只余少量自由水，實(shí)際水膠比較低，因此流動(dòng)度較差。無論是抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度，5%和10%含水率的砂漿在具有較大流動(dòng)度的同時(shí)，力學(xué)性能也較好，尤其是在5%的含水率預(yù)濕的情況下。適當(dāng)?shù)念A(yù)濕改善了砂漿的工作性能，使成型的砂漿試件具有較好的密實(shí)度，因此具有較好的力學(xué)性能。在珊瑚礁砂的使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于珊瑚礁砂表面的孔隙結(jié)構(gòu)，水分不易揮發(fā)，經(jīng)一段時(shí)間的晾曬，其中依然含有較多的水分（7%左右），根據(jù)含水率試驗(yàn)的研究結(jié)果，施工現(xiàn)場(chǎng)可直接使用自然條件下的濕砂，不僅可以避免更長(zhǎng)時(shí)間的晾曬，也可以改善珊瑚礁砂砂漿的性能。但使用自然條件下的濕砂，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)珊瑚礁砂的實(shí)際含水量，視砂漿狀態(tài)及時(shí)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整。

2.4 憎水處理對(duì)砂漿性能的影響

基于珊瑚礁砂多孔、吸水量大的特點(diǎn)，將自然條件下的珊瑚礁砂進(jìn)行憎水預(yù)處理。預(yù)處理過程如下：（1）往珊瑚礁砂中噴灑甲基硅酸鈉溶液，濃度分別為2%、4%、6%，拌合均勻；（2）靜置風(fēng)干48 h，待硅醇基完成脫水交聯(lián)反應(yīng)形成憎水層?？紤]到憎水劑的減水作用，將砂漿配合比中的水膠比從0.6調(diào)整為0.55，其它參數(shù)不變。不同憎水劑濃度的珊瑚礁砂砂漿性能見表7。

表7 不同憎水劑濃度砂漿的流動(dòng)度和28 d強(qiáng)度

由表7可知，隨著憎水劑濃度的增加，珊瑚礁砂漿的流動(dòng)度逐漸增大，抗壓、抗折強(qiáng)度先提高后降低。憎水劑抑制了珊瑚礁砂對(duì)水的吸附，隨著工作性能的提升，強(qiáng)度也有一定的改善。

3 微觀分析

3.1 XRD分析

XRD分析用砂漿的配比見表8，其XRD圖譜見圖4。

表8 XRD分析所用珊瑚礁砂砂漿配合比

圖4 養(yǎng)護(hù)28 d砂漿的XRD圖譜

由圖4可以看出，除了標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿骨料中的SiO2外，珊瑚礁砂砂漿和標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿的水化產(chǎn)物基本相同，都含有Ca（OH）2、AFt、CaCO3和C-S-H凝膠，珊瑚礁砂砂漿的CaCO3峰值明顯強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿，這是因?yàn)樯汉鹘干吧皾{的骨料的主要成分是CaCO3。

Ca（OH）2的衍射峰比較明顯，Ca（OH）2的存在對(duì)改善珊瑚礁砂砂漿的孔隙起有利作用，由于珊瑚表面凹凸多孔的特性，Ca（OH）2極易附著于珊瑚礁砂界面處生長(zhǎng)，填充了界面過渡區(qū)的孔隙，使界面區(qū)結(jié)構(gòu)的密實(shí)度增加。

珊瑚礁砂砂漿中的CaCO3的峰強(qiáng)十分明顯，大部分來源于珊瑚礁砂本身，所以其屬于非新生產(chǎn)物，這說明珊瑚礁砂與硅酸鹽水泥中的熟料礦物成分并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。C-S-H凝膠是決定砂漿強(qiáng)度的重要因素，其巨大的表面能使骨料顆粒相互吸引，構(gòu)成空間網(wǎng)架，但由于C-S-H是膠體尺寸的晶體，往往經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間結(jié)晶度還是難以提高，所以在XRD圖譜中，衍射峰極其微弱或是被其它礦物強(qiáng)峰所掩蓋[4-6]。

3.2 SEM分析

養(yǎng)護(hù)28 d珊瑚礁砂砂漿的SEM照片見圖5。

圖5 28 d珊瑚礁砂砂漿的SEM照片

從圖5可以看出，經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)，珊瑚礁砂砂漿中生成了大量的C-S-H絮狀凝膠和鈣礬石AFt，C-S-H絮狀凝膠與針棒狀鈣礬石AFt相互交織形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可觀察到清晰的珊瑚礁砂-水泥漿體界面過渡區(qū)。從圖5可以清楚地看到珊瑚礁砂內(nèi)部多孔的微觀結(jié)構(gòu)，正是這種多孔結(jié)構(gòu)使得珊瑚礁砂表面粗糙、吸水率較大；珊瑚礁砂不僅內(nèi)部多孔，其表面也呈現(xiàn)出高低起伏狀不平整的表面，在珊瑚礁砂砂漿硬化之前，水泥漿體會(huì)進(jìn)入珊瑚礁砂表面地勢(shì)較低的部分，填補(bǔ)這些空洞，以至于強(qiáng)化了珊瑚礁砂與水泥漿體的界面嚙合作用，使得珊瑚礁砂-水泥漿體的界面粘結(jié)力較標(biāo)準(zhǔn)砂骨料-水泥漿體的界面粘結(jié)力大，大大改善了界面結(jié)構(gòu)性能。因此，珊瑚礁砂砂漿界面層的彈性模量和強(qiáng)度要優(yōu)于珊瑚礁砂本身。

在骨料-漿體處很難發(fā)現(xiàn)結(jié)晶完好的六方板狀Ca（OH）2晶體存在。這是因?yàn)樯汉鹘干暗亩嗫捉Y(jié)構(gòu)具有吸水和供水作用，吸水作用使珊瑚礁砂附近處于局部低水膠比的狀態(tài)，因此減少了水分在珊瑚礁砂和水泥漿界面富集及避免了骨料下部由于內(nèi)分層作用而形成水囊，避免了界面處Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料與砂漿的界面粘結(jié)力，不利于Ca（OH）2晶體的發(fā)育，減少珊瑚砂漿的薄弱部分；供水作用使珊瑚礁砂附近的水泥在后期能充分水化，進(jìn)一步增大了珊瑚礁砂表面附近水泥石的密實(shí)度[4-6]。

4 結(jié)論

（1）隨珊瑚礁砂細(xì)度模數(shù)的增大，珊瑚礁砂砂漿的流動(dòng)度和抗折、抗壓強(qiáng)度均先提高后降低，細(xì)度模數(shù)為2.19時(shí)砂漿的強(qiáng)度最高，適宜細(xì)度模數(shù)的珊瑚礁砂砂漿力學(xué)性能最好，過粗或過細(xì)的珊瑚礁砂砂漿力學(xué)性能均會(huì)下降。

（2）隨珊瑚礁砂片狀顆粒含量的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動(dòng)度增大，抗折、抗壓強(qiáng)度先提高后降低，原狀珊瑚礁砂（片狀顆粒含量10%）砂漿的28 d抗折強(qiáng)度最高，過多的片狀顆粒會(huì)明顯降低珊瑚礁砂砂漿強(qiáng)度，片狀顆粒自身較差的力學(xué)強(qiáng)度影響到了珊瑚礁砂砂漿的強(qiáng)度。

（3）隨珊瑚礁砂含水率的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動(dòng)度和抗折、抗壓強(qiáng)度均先提高后降低，施工現(xiàn)場(chǎng)可直接使用自然條件下的濕砂，不僅可以避免更長(zhǎng)時(shí)間的晾曬，也可以改善珊瑚礁砂砂漿的性能。

（4）隨憎水劑濃度的增加，珊瑚礁砂砂漿的流動(dòng)度增大，抗折、抗壓強(qiáng)度先提高后降低。

（5）珊瑚礁砂砂漿和標(biāo)準(zhǔn)砂骨料砂漿的28 d水化產(chǎn)物基本相同，都含有 Ca（OH）2、AFt、CaCO3和 C-S-H 凝膠。

（6）珊瑚礁砂內(nèi)部多孔的微觀結(jié)構(gòu)使得珊瑚骨料-水泥漿體的界面粘結(jié)力較河砂骨料-水泥漿體的界面粘結(jié)力大，大大改善了界面結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)在骨料-漿體處很難發(fā)現(xiàn)結(jié)晶完好的六方板狀Ca（OH）2晶體存在，進(jìn)一步增加了珊瑚骨料表面附近水泥石的密實(shí)度。