凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的可行性研究Ⅰ
——凝石供试体的抗压强度、浸泡海水的pH及其与水泥供试体的比较

陈勇,田涛,倪文,赵子仪,刘永虎

(1.大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁大连116023;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京110000)

凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的可行性研究Ⅰ
——凝石供试体的抗压强度、浸泡海水的pH及其与水泥供试体的比较

陈勇1,田涛1,倪文2,赵子仪1,刘永虎1

(1.大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁大连116023;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京110000)

用尾矿等废弃物制成的凝石胶凝材料制作供试体,在实验室条件下测定其抗压强度和浸泡海水的pH值,并与水泥供试体进行比较,探讨用凝石胶凝材料作为人工鱼礁造礁材料的可行性。结果表明:1)在淡水中养护28 d后,随着水灰比的增加,凝石供试体的抗压强度呈现先升高后降低的趋势,而水泥供试体的抗压强度则呈现逐渐降低的趋势,其中水灰比为0.60、0.55、0.49、0.44的凝石供试体(S1、S2、S3、S4)和水泥供试体(C1、C2、C3、C4)的抗压强度,除S4组显著低于C4组外(P＜0.05),其余同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05)。2)在海水中浸泡30 d后,除S4组与C4组的抗压强度相等之外,其余同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05);在海水中浸泡60 d后,同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05)。3)浸泡4种凝石供试体的海水平均pH值分别为8.84、8.87、9.10、8.95,浸泡4种水泥供试体的海水平均pH值分别为10.42、10.44、10.80、10.72,凝石组海水的pH值均显著低于水泥组(P＜0.05)。试验表明,以凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料在抗压强度和对海水pH的影响方面均优于水泥材料。

凝石;人工鱼礁材料;抗压强度;pH

人工鱼礁是用于改善海域生态环境,建设渔场和增养殖场的人工设施[1]。近年来,用于建造人工鱼礁的材料日益趋于多样化,有钢筋混凝土鱼礁、钢制鱼礁、玻璃钢鱼礁、竹制鱼礁、木制鱼礁和废弃物鱼礁等[1]。人工鱼礁材料的选择主要从制成鱼礁后礁体在海水中的耐久性、亲水性和经济性三个方面来考虑,既要保证礁体的使用寿命,不会对海洋环境造成影响,还要尽量降低成本。随着人工鱼礁建设的发展,人工鱼礁的建礁材料也在向趋于废弃物利用的方向发展,一方面可以做到废物利用,另一方面也降低了建礁成本,如日本开发的硫磺固化物鱼礁和贝壳礁等[2-4]。因此,环保、低廉的鱼礁材料已成为新的研究热点。

凝石胶凝材料是以高炉水淬矿渣、建筑石膏、硅酸盐水泥熟料、普通硅酸盐425水泥以及其他化学激发剂为主要原料,在常温、常压条件下生产出的高性能新型水泥产品。凝石胶凝材料固废利用率大于80%,无污染成分,主要性能指标符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中普通硅酸盐425水泥的规定。相比传统水泥材料,凝石胶凝材料具有污染物排放低、成本低以及良好的耐久性和体积稳定性、优良的固结性能等特点[5]。相同试验条件下,由于凝石浆体具有较好的孔径分布,并且凝石混凝土的界面过渡区结合紧密,所以凝石混凝土的抗碳化性能、抗氯离子渗透性能和抗渗性能均优于同水灰比的水泥混凝土[6]。如果凝石胶凝材料能够作为人工鱼礁的造礁材料,不仅可以提高矿渣等工业废弃物的利用率,降低人工鱼礁的造礁成本,而且还可以减少传统造礁材料的水泥使用量,从而减少生产水泥时消耗的石灰石和燃煤量,有利于节能环保。目前,关于凝石胶凝材料的研究较多,但利用凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的研究尚未见报道。

人工鱼礁礁体在海水中的抗压强度和对海水pH的影响是人工鱼礁耐久性与亲水性的主要考察指标,对人工鱼礁材料的选择具有重要意义。本研究中,作者通过对凝石供试体在海水中的抗压强度和浸泡海水的pH值进行测定,并与水泥供试体进行比较,探讨了以凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的可行性,旨在为人工鱼礁材料选择的多样化提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用材料分别为北京科技大学研制的凝石胶凝材料、普通硅酸盐325水泥、自来水、普通砂子和石子(直径≤2 cm)。

1.2 方法

1.2.1 供试体的制作 根据人工鱼礁抗压强度的要求,按照水泥混凝土配合比计算方法,设计4种水灰比,分别为0.60、0.55、0.49、0.44,将凝石和水泥两种材料各制成4种水灰比的供试体(表1),规格为10 cm×10 cm×10 cm,每组9块,共制作72块供试体。

表1 供试体的编号及设计要求Tab.1 The modules group and the design requirement

1.2.2 抗压强度的测定 将各组供试体分别放在一个水箱(34 cm×26 cm×22 cm)中充分浸泡,浸泡水量与供试体的体积比为1.8∶1。

1)淡水养护。于2009年2月5日—3月4日用淡水浸泡各组供试体,淡水养护28 d后,每组随机选择3块供试体,利用NYL-200型压力试验机进行抗压强度的测试。具体操作方法:先处理供试体表面,使之成为互相平行的平面;再测量每个供试体的长度和宽度,分别求出各个方向的平均值,精确至1 mm;最后将供试体置于试验机承压板下,使供试体的轴线与试验机压板的压力中心重合,以10～30 kN/s的速度加荷,直至供试体破坏,记录最大破坏荷载。结果取3块供试体破坏荷载的平均值,当3个破坏荷载值中有超出平均值± 10%时,应予以剔除,重新取剩余2块供试体破坏荷载的平均值作为此供试体的抗压强度。

2)海水浸泡。于2009年3月5日—5月28日将剩余供试体用海水浸泡,浸泡海水的盐度为32～33,温度为14～15℃。每隔一个月测定一次供试体的抗压强度,共测定两次。

1.2.3 浸泡海水pH值的测定 供试体在海水中浸泡期间不换水,同时以不浸泡供试体的海水水样作为平行对照。海水浸泡期间每隔5 d取样一次。

使用EL20型pH计测量浸泡海水的pH值。具体操作方法:用小烧杯采集水箱中的水样,为防止水体的不均匀性,在采集水样前轻轻搅动水箱中的海水,每个水样取30 mL,先用两瓶校准液对pH计进行校准,然后对水样进行测量。每次测量前用蒸馏水对探头进行清洗,用干燥纸擦拭干净。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0软件对试验数据进行方差齐性检验、方差分析,用Duncan法进行多重比较,以0.05作为差异显著性水平。

2 结果

2.1 供试体的抗压强度

1)淡水养护后的抗压强度。

从图1可见,淡水养护28 d后,随着水灰比的增大,即凝石量的减少,凝石供试体的抗压强度呈现先升高后降低的趋势。其中,凝石组S1的抗压强度最低,为48.1 MPa,S3组的抗压强度最高,为56.5 MPa。多重比较结果表明,水灰比较低的S4、S3组的抗压强度均显著高于水灰比较高的S2、S1组(P＜0.05),而S4与S3组差异显著(P＜0.05),S2与S1组差异不显著(P＞0.05)。

从图1还可以看出,随着水灰比的增大,水泥供试体的抗压强度呈现逐渐降低的趋势。其中,水泥组C1的抗压强度最低,为45 MPa,C4组的抗压强度最高,为60 MPa。多重比较结果表明,C4、C3组的抗压强度均显著高于C2、C1组(P＜0.05),而C4与C3组差异不显著(P＞0.05),C2与C1组差异显著(P＜0.05)。

图1 淡水养护28 d后供试体的抗压强度Fig.1 The compressive intensity in 28 day conservation in fresh water

除水灰比为0.44的S4组的抗压强度显著低于C4组外,其余同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05)。

2)海水浸泡后的抗压强度。

从图2可见,海水浸泡30 d后,随着水灰比的增大,凝石供试体的抗压强度也呈现先升高后降低的趋势。其中,凝石组S1的抗压强度最低,为50.6 MPa,S3组的抗压强度最高,为57 MPa。多重比较结果表明,S4与S3组的抗压强度均显著高于S2、S1组(P＜0.05),而S4与S3组差异不显著(P＞0.05),S2与S1组差异显著(P＜0.05)。

从图2还可以看出,随着水灰比的增大,水泥供试体的抗压强度也呈现逐渐降低的趋势。其中,水泥组C2的抗压强度最低,为45.4 MPa,C4组的抗压强度最高,为55.6 MPa。多重比较结果表明,C4组的抗压强度显著高于C3、C2和C1组(P＜0.05),其余组间差异不显著(P＞0.05)。

除S4组的抗压强度等于C4组外,其余同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05)。

图2 海水浸泡30 d后供试体的抗压强度Fig.2 The changes in compressive intensity in 30 day immersion in seawater

从图3可见,海水浸泡60 d后,随着水灰比的增大,凝石供试体和水泥供试体的抗压强度均呈现逐渐降低的趋势。其中,凝石组S1的抗压强度最低,为52.1 MPa,S4组的抗压强度最高,为55.8 MPa。多重比较结果表明,S4和S3组的抗压强度显著高于S2和S1组(P＜0.05),而S4与S3组差异不显著(P＞0.05),S2与S1组差异显著(P＜0.05)。

从图3可以看出,水泥组C2的抗压强度最低,为38.5 MPa,C4组的抗压强度最高,为56.5 MPa。多重比较结果表明,C4和C3组的抗压强度显著高于C2和C1组(P＜0.05),而C4与C3组差异显著(P＜0.05),C2与C1组差异不显著(P＞0.05)。

同水灰比的凝石供试体的抗压强度均显著高于水泥供试体(P＜0.05)。

图3 海水浸泡60 d后供试体的抗压强度Fig.3 The change in compressive intensity in 60 day immersion in seawater

综上所述,淡水养护期,各组凝石供试体和水泥供试体的平均抗压强度分别为53.125、51.275 MPa,凝石组比水泥组高3.6%;海水浸泡30 d后,各组凝石供试体和水泥供试体的平均抗压强度分别为54.075、48.625 MPa,凝石组比水泥组高11.2%;海水浸泡60 d后,各组凝石供试体和水泥供试体的平均抗压强度分别为54.225、44.75 MPa,凝石组比水泥组高21.2%。可见:凝石供试体的平均抗压强度高于水泥供试体;随着海水浸泡时间的延长,凝石供试体的抗压强度逐渐增大,而水泥供试体的抗压强度则逐渐降低。

2.2 浸泡供试体海水的pH值

从图4可见,海水浸泡期间凝石组海水的pH值基本稳定在7.5～9.0,水泥组海水的pH值基本稳定在8.8～11.0,各组海水的pH值随着浸泡时间的延长略有波动。

图4 凝石组和水泥组海水pH值随时间的变化Fig.4 The changes in pH in congealing stone group and cement group bathed in seawater

从图5可见:从17次pH值测定的平均值来看,凝石组海水的pH值均低于水泥组,平均低1.655;凝石组海水的pH值各水灰比间差异不显著(P＞0.05),水泥组海水的pH值各水灰比间差异也不显著(P＞0.05);同水灰比的凝石组与水泥组间差异均显著(P＜0.05)。

图5 凝石组和水泥组海水平均pH值的比较Fig.5 The changes in the average pH in congealing stone group and cement group bathed in seawater

3 讨论

3.1 凝石胶凝材料作为造礁材料的抗压强度

人工鱼礁在海洋中的耐久性是人工鱼礁设计制作的关键参数之一。人工鱼礁的耐久性主要取决于人工鱼礁礁体在海水中的抗压强度。本试验结果显示,经海水浸泡的凝石供试体的抗压强度显著高于水泥供试体,这可能与其自身的特性有关,凝石的凝结硬化过程是靠成岩流体对硅铝类物质的溶蚀再聚合作用、溶蚀再结晶作用和次生加大作用形成的,在硅铝物质重组过程中,硅氧四面体对第三主族元素和第五主族元素具有四配位同构化效应,同时能够将第一、第二和第六、第七主族元素固定在网络体中,以平衡由于四配位同构化效应所造成的电荷不平衡,从而使所形成的硅铝基胶凝材料硬化体不但具有很高的强度,而且还具有良好的稳定性与耐久性[5]。

本试验中只有在淡水养护28 d后,水灰比为0.44的S4组凝石供试体的抗压强度(56.3 MPa)比同水灰比的水泥供试体C4组(60 MPa)略低,但经海水浸泡后凝石供试体的抗压强度逐渐提高;浸泡30 d后,S4与C4组的抗压强度相同,均为55.6 MPa;浸泡60 d后,S4与C4组的抗压强度分别为55.8 MPa和54.5 MPa,S4组的抗压强度逐渐高于C4组,其它凝石供试体的抗压强度均高于同水灰比下的水泥供试体。因此,以凝石胶凝材料作为人工鱼礁的造礁材料,在抗压强度方面优于同类型的水泥材料,即在海水中的耐久性好于水泥材料。

3.2 凝石胶凝材料对海水pH值的影响

人工鱼礁的亲水性是指人工鱼礁设置在海中后对海水水质的影响程度。浸泡人工鱼礁礁体或构件的海水pH是检验人工鱼礁亲水性的主要指标,pH值越接近同时期海水的pH值,说明其亲水性越好。浸泡海水的pH值,除了与供试体的材料、制作工艺等因素有关外,还与海水的温度、盐度、压力等物理因素有关。海水的pH值随温度升高而略有降低,这是因为海水中溶存弱酸的电离度随温度升高而增大的结果。在一定温度下,海水的pH值随盐度的增加而略有上升,而随着压力的增大而降低,这是由于弱电解质在深水中离解度增大的结果[7]。

本试验中,经过17次的测量,浸泡4种凝石供试体的海水pH平均值分别为8.84、8.87、9.10、8.95,浸泡4种水泥供试体的海水pH平均值分别为10.42、10.44、10.80、10.72,而海水对照样品的pH平均值为8.27。浸泡凝石供试体海水的pH值皆低于浸泡水泥供试体的海水pH值,说明凝石供试体的亲水性好于水泥供试体。浸泡两种供试体的海水pH值均高于海水对照组,说明凝石材料和水泥材料的混凝土构件在海水浸泡过程中均有碱性物质释放,使周围海水的pH值升高。由于凝石胶凝材料水化后不产生游离的Ca(OH)2,所以浸泡凝石供试体的海水pH值与海水对照组的pH值接近。说明凝石供试体对海洋环境的pH值影响不大,在海水中释放的碱性物质相对较少。因此,从对海水pH值的影响程度考量,以凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料比水泥更合适。

本研究结果仅证明了凝石供试体的耐久性和亲水性均优于水泥供试体,今后将进一步研究凝石供试体在海洋中的生物附着性等,以探讨其作为人工鱼礁材料的实用性。

[1] 陈勇,于长清,张国胜,等.人工鱼礁的环境功能与集鱼效果[J].大连水产学院学报,2002,17(1):64-69.

[2] 刘卓,杨纪明.日本海洋牧场研究现状及其进展[J].现代渔业信息,1995,10(5):14-18.

[3] 马军英,杨纪明.日本的海洋牧场研究[J].海洋科学,1994 (3):23-24.

[4] 于沛民,张秀梅,张沛东,等.人工藻礁设计与投放的研究进展[J].海洋科学,2007,31(5):80-84.

[5] 倪文,殷玉婷,孙恒虎.防地成岩的新一代胶凝材料——凝石自然科学、材料科学与循环经济的新焦点[J].新材料产业, 2005(5):37-43.

[6] 孙恒虎,易忠来,魏秀泉,等.凝石混凝土耐久性能研究[J].硅酸盐通报,2009,28:6-9.

[7] 唐逸民.海洋学[M].北京:中国农业出版社,1997:44-45.

The feasibility of congealing stone used as artificial reef materialsⅠ——compressive strength,and pH in immersed seawater reference to cement

CHEN Yong1,TIAN Tao1,NI Wen2,ZHAO Zi-yi1,LIU Yong-hu1
(1.Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Civil and Environment Engineering Institute,University of Science and Technology of Beijing,Beijing 110000,China)

The compressive strength,and pH values in immersed seawater were examined in congealing stones made of mine tailings(ratio of water to mine tailings=0.60,S1;0.55,S2;0.49,S3;and 0.44,S4)reference to cement(ratio of water to cement=0.60,C1;0.55,C2;0.49,C3;and 0.44,C4)to explore the feasibility of the congealing stone as artificial reef materials.The results showed that 1)the intensities in 28 day conservation in freshwater were found higher in the congealing stone groups(S1,S2,S3,S4)than those in the concrete groups except for in group S4.The intensity of the module was shown to be increased first and then decreased with the increase in water cement ratio.Apart from C4,there were higher intensities in the concrete groups than those in the congealing stone groups significantly,with the procedure of being immersed in the sea water.2)the intensities in 60 day conservation in seawater were found to be higher than those in the cement group while the intensities in 30 day conservation in seawater,there were except in S4 and C4.The pH values of 8.84,8.87,9.10,and 8.95 were found in the congealing stone groups immersed in the sea water,and the pH values of 10.42,10.44,10.80,and 10.72 in the cement group immersed in the sea water,lower than in the concrete group with the same water cement ratio.From the above rsults,it is concluded that the congealing stones can be used as the artificial reef materials, with superior to concrete.

congealing stone;artificial reef material;compressive intensity;pH

S953.1

A

2095-1388(2012)03-0269-05

2011-11-29

国家“863”高新技术发展计划项目(2006AA100303);国家海洋局海洋公益性行业科研专项(200805030);农业部“948”项目(2011-G29(2));公益性行业(农业)科研专项(200903005);辽宁省科技攻关项目(2011228001)

陈勇(1956-),男,博士,博士生导师,教授。E-mail:chenyong@dlou.edu.cn