人工礁石混凝土的加工性，机械性能和亲和性外文翻译资料

 2022-10-23 10:34:25

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人工礁石混凝土的加工性，机械性能和亲和性

Caiyi Chen*， Tao Ji， Yizhou Zhuang， Xujian Lin

a．College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian Province 350108， China

摘要：提出了一种新的由硫铝酸盐水泥，海砂及海水等制成的人工礁石混凝土（NARC）。并且对水泥类型，砂型和水型对加工性能（即坍落度，粘结性，保水性），机械性能（即抗压强度，劈裂拉伸强度和动态弹性模量）和亲和力（即表面初始pH值和混凝土的碱性物质浸出率）的影响进行了研究。分别用X射线衍射，扫描电子显微镜和孔结构分析仪对混凝土的微结构进行了检测。研究表明，相比于普通的用河沙和淡水制作的波特兰水泥混凝土，NARC具有优异的加工性，机械性能和亲和力。因此，NARC在人造礁方面的可行性得到验证。

关键词： 人造礁石混凝土 硫铝酸盐水泥 海沙 海水 可操作性 机械性能 pH值

1 介绍

人工礁（AR）可以描述为人类在海底刻意部署的影响相关的海洋生物有机体的物理，生物或社会经济过程的一个或多个对象[1]。它的主要目标是栖息地的恢复和保护，降低因养鱼，工业排放和其他人类活动[2-4]引起的水体富营养化和水体污染等级。从刚容器，天然岩石和混凝土块，制作AR材料日益变化。人工礁混凝土（ARC）具有易于输送、展开并且ARC的量显著增加[5]。ARC一般在海上建造。然而，在近年河砂开发中沿海地区有限的淡水资源导致ARC[5]成本升高。此外，由于波特兰水泥，淡水，河砂等组成的波特兰水泥混凝土的PH值（OPC）很高，以至于在混凝土的表面区域中的pH值接近的海水[6] 的pH值前 ，需要在海洋中沉浸至少6个月，这导致礁石附近的区域几乎不含微藻[7]。鉴于上述问题，添加活性外加剂如粉煤灰，炉渣，碱性渣和钢渣用于制备ARC[8-11]。 然而，添加活性混合物制备的ARC不可能有足够的强度[10]，同时ARC的pH值仍然高，因为部分原料仍包含波特兰水泥熟料。因此，在本文中提出由硫铝酸盐水泥，海砂，海水，外加剂等制作的一种新的人工礁混凝土（NARC）。该NARC预计有较高的强度和较低的pH值。

硫铝酸盐水泥具有许多优越的特性，如硬化快，早期强度高，耐硫酸盐和氯化物侵蚀，在水化过程中碱度低（即低pH值）和优异的机械性能[12-13]。合适的高效减水剂和缓凝剂可以使硫铝酸盐水泥混凝土（SCC）满足实际工程施工（坍落度和坍落度损失）的可操作性要求[14]. 对于相同的配合比，SCC的每个时期的强度都优于OPC的强度[14]。其优越的性能能够满足ARC的需要。在近年，特别是沿海城市，海砂和海水能成为建筑材料。大多数海洋骨料的研究已在北海，英吉利海峡和爱尔兰海[15]区域开展。很明显，海洋骨料适合作为基体和路面底基层[16，17]的建筑材料。位于香港机场的人工岛赤鱲角是海洋骨料[18]建造的。

一些有关水泥中海水、海沙可能的应用的研究[15-18]已经完成了。一些研究表明，海砂不会降低混凝土[19]的抗压强度和分裂抗拉强度。应该注意的是，为了一致性，用海砂代河砂制成的混凝土，比河沙做出的混凝土需要更多的水。此外，在混合物中增加了海砂减少了混凝土的坍落度[15]。由25％的海砂制成的砂浆具有和参考砂浆（用河砂）相同的强度[19]。陈等人[20]已使用海水，珊瑚砂准备了不同强度等级的珊瑚砂混凝土，并比较了他们与那些普通的碎石，河砂和淡水制成混凝土的机械性能。结果表明，用海水混合并制作的混凝土早期强度增加较快，但后期强度增加较慢[20]。尽管有些利用海砂和海水作为建筑材料的几项研究已公布，但关于他们是否适合作为ARC的原料仍没有可靠地数据。此外，有人指出缺乏对用海水和海砂混合制作的SCC性质研究。显然，ARC的可操作性（即软化点，坍落度损失，黏聚性和保水性），力学性能（即抗压强度，动弹性模量，劈裂抗拉强度）和亲和力（即pH值）在其应用到实际中发挥非常重要的作用。本文旨在探讨新原料，如硫铝酸盐水泥，海砂和海水对ARC的可加工性，力学性能和亲和力的影响，以验证NARC的可行性。

2.材料和实验方案

2.1 原料

在实验中使用的所有材料是在中国生产的。采取的为福建省制造42.5R普通硅酸盐水泥和由河北省唐山北极熊建材公司生产的42.5R快硬硫铝酸盐水泥。主要成分和水泥的性质在表1和2分别列出。粗骨料是普通碎石，它的性能和等级在表3和4列出，并根据GB / T14685-2001[21]进行测试。细骨料包括闽江砂，廉江市海砂。它们的形状示于图1。细骨料根据GB/ T14684-2001[22]测量。它们的性能和等级示于表5和6。淡水采取福州市区自来水。通过表7中所示的质量比例模拟海水的成分得到人造海水。研究中使用25％减水率的高性能减水剂（SP）KDSP-1（聚羧酸阻燃型）。采用天津巴斯夫化工有限公司生产的硫铝酸盐水泥缓凝剂，对应水泥质量的0.3％。

2.2 混合比例

这项研究的目的是确定用海水和海沙分别取代河沙、淡水混合制作的混凝土的加工性，机械性能和亲和力。鉴于NARC的要求，ARC按C50混合的比例如表8所示，设计了根据OPC配比[23]的设计方法。混凝土的配合比按S4的基础设计并且砂率为30％。SP和缓速剂分别是1.4％和0.3％的水泥的质量。在这项研究中使用四种不同的混合比例作为可变参数，混合硫铝酸盐水泥，海水和海沙制作ARC代替使用OPC，淡水和河沙的硅酸盐水泥。这里，S0表示由硅酸盐水泥，河沙和淡水（OPC）制作的硅酸盐水泥混凝土，S1代表 硫铝酸盐水泥，河沙和淡水制作的混凝土，S3表示硫铝酸盐水泥，海砂和淡水制作的混凝土，S4代表硫铝酸盐水泥，海沙和海水制作的混凝土，S4代表NARC，SCC代表S1-S3s。

2.3试样制备

将添加剂（SP和延迟剂）溶解于水中以形成溶液。溶液混合之前将水泥，沙子和碎石在混合器中搅拌1分钟。将溶液加入到混合物混合2分钟。然后，按照GB / T50080-2002[24]进行坍落度测试，坍落度损失和坍落度流动试验来确定ARC的可加工性。在此之后，将混合物倾入内表面油的模具（100times;100times;100mm，100times;100times;400mm）压实，覆盖塑料薄膜并固化24小时。然后将样本从模具脱模并在海水中恒定室温（20plusmn;2℃）固化为56日。

2.4测试方法

检测3，7，28，56d的抗压强度，制备3，28d每种混合物的三个样品（FCU）按照GB/ T50081-2002[25] 检测劈裂抗拉强度（FTS）。对100times;100times;400mm样本通过NM-4A非金属超声波检测分析仪进行超声波脉冲速度测试。动态弹性模量和UPV之间的关系如下[26]：

其中，E代表的动态弹性模量;q为密度;m为泊松比;V代表的材料的超声波脉冲速度（UPV）。

混凝土表面pH值按照改进的原地浸矿法测试以确定混凝土[10]的碱度。制备试样（70times; 70times;70mm）并用海水固化28天，然后浸于装有海水的塑料模具（72times;72times;72mm）。每天更换海水。用pH指示剂测试在某个时期浸出液的ph。

选定28天的混凝土试件进行SEM检测。切取截面为约10times;10mm棱块，然后用钳子分解为小块。制备介于石块和硬化水泥浆体之间的包含界面区的式样并在60度下烘箱中干燥。在测试之前，应清洗片的扫描部位并通过高压离子溅射镀膜机涂覆金膜。然后，通过荷兰FEI公司开发并生产的XL30 ESEM-TMP场扫描电子显微镜观察片的显微结构。

应用Philips X/Pert Pro MPD X-ray diffractometer (XRD)测试ARC水化产物。将28天的混凝土试样破碎成小块， 然后从混凝土试件的中心选择内部的水泥浆体碎块制成粉末，得到过0.075mm筛的粉末。

在这项研究中，混凝土的孔结构是由氦气流和气体吸附法检测的，而ARC的孔结构由中国金APP仪器公司生产的 V-SORB2800孔结构分析仪进行测试。为了制备样品，将混凝土试样破碎成小块，然后使用选自混凝土试样中心的混凝土碎块。在测试之前，将样品在烘箱中约105plusmn;2度干燥6小时，以除去孔中的水直到达到恒重。

将显微测量（SEM，XRD和孔结构）的样品浸入丙酮以尽可能快地停止水化，直到被放在干燥的烘箱中。

3.结果

3.1 可操作性

表9示出了坍落度，坍落度损失和混合物的坍落流动值。同时图2示出粘合力和保水性。硫铝酸盐水泥的特征是快速硬化，从而导致大坍落度损失并且难以操作。用于建造[14]的均质混合物需要一定的坍落度（200plusmn;20mm的坍落度和2小时间小于20％坍落度损失）。表9和图2显示，S4有较好的可操作性（即坍落度，坍落度损失，凝聚力和保水性）

3.2 ARC的力学性能

3.2.1 抗压强度

表10示出了ARC的在3，7，28，56 d的抗压强度和3，28d的劈裂抗拉强度. S4的抗压强度最高而S0的抗压强度最低。在不同时期S1-S3的抗压强度比S0的抗压强度更高。

S4在3d抗压强度达到其在28d设计强度的80％。在所有时期S1-S4的抗压强度的发展均没有下降趋势，这与张[14]的结论是一致的。28d之后S0-S4的抗压强度只是稍微增加。

3.2.2 劈裂抗拉强度

如表10所示，在3d，28 d时ARC的的劈拉强度的顺序为S4gt; S3gt; S2gt; S1gt; S0。 S4的劈裂抗拉强度比S0的劈裂抗拉强度高15％（见表11）

3.2.3 动弹性模量

根据欧洲规范2[27]将非开裂混凝土的泊松比v设定为0.2，混凝土的密度示于表10。表12示出S0~S4的动态弹性模量，其中S4在28d时显示出最高值，后依次为S3，S2，S1和S0。按照以前的抗压强度计算动态弹性模量，S4的动态弹性模量要比S0高25.2％。

3.3亲和性（pH值）

图3中示出，S0-S4的初始pH值分别是12.51，10.8，10.85， 10.81和10.9; 浸泡在海水中的42天之后，S0表面的pH值为8.93，S1~ S4的表面pH值为8.3。图4为海里2-3米深度处3个月时生物体在在S0和S4上的生长情况。可以看出S4上的生物体是比S0上的生物体多。

3.4 显微结构

3.4.1水化产物的XRD

图5为ARC的水合产物在28d的X-射线衍射图。可以清楚地看到S4的对应弗里德尔的盐的强度峰值大约出现在D =0.791 nm，D =0.394nm，而没有任何氯化物的S0和S1不会在相应的位置上显示出这种峰。结果表明，S4可以结合海砂和海水的氯离子，以形成弗里德尔盐。硫铝酸盐水泥水化产物是钙矾石，CSH和CH(Ca(OH) 2)。当CaSO4·2H2O被耗尽，AFT相变成AFM相。为保持基本结构相同[26-28]，Cl-离子取代SO42-离子，由AFM相或AFT相转变为弗里德尔盐。这个结论被赵等人证实[12]。另一种机制是存在于孔隙溶液中的游离Cl- 离子被吸收到钙矾夹层中或钙矾[Ca2lt;

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