凝石膠凝材料用于人工魚(yú)礁造礁的實(shí)驗(yàn)研究

凝石膠凝材料用于人工魚(yú)礁造礁的實(shí)驗(yàn)研究

人工魚(yú)礁是改善海上生態(tài)環(huán)境、建設(shè)水產(chǎn)養(yǎng)殖和增加水產(chǎn)養(yǎng)殖的人工設(shè)施。近年來(lái),用于建造人工魚(yú)礁的材料日益趨于多樣化,有鋼筋混凝土魚(yú)礁、鋼制魚(yú)礁、玻璃鋼魚(yú)礁、竹制魚(yú)礁、木制魚(yú)礁和廢棄物魚(yú)礁等。人工魚(yú)礁材料的選擇主要從制成魚(yú)礁后礁體在海水中的耐久性、親水性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面來(lái)考慮,既要保證礁體的使用壽命,不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響,還要盡量降低成本。隨著人工魚(yú)礁建設(shè)的發(fā)展,人工魚(yú)礁的建礁材料也在向趨于廢棄物利用的方向發(fā)展,一方面可以做到廢物利用,另一方面也降低了建礁成本,如日本開(kāi)發(fā)的硫磺固化物魚(yú)礁和貝殼礁等。因此,環(huán)保、低廉的魚(yú)礁材料已成為新的研究熱點(diǎn)。凝石膠凝材料是以高爐水淬礦渣、建筑石膏、硅酸鹽水泥熟料、普通硅酸鹽425水泥以及其他化學(xué)激發(fā)劑為主要原料,在常溫、常壓條件下生產(chǎn)出的高性能新型水泥產(chǎn)品。凝石膠凝材料固廢利用率大于80%,無(wú)污染成分,主要性能指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中普通硅酸鹽425水泥的規(guī)定。相比傳統(tǒng)水泥材料,凝石膠凝材料具有污染物排放低、成本低以及良好的耐久性和體積穩(wěn)定性、優(yōu)良的固結(jié)性能等特點(diǎn)。相同試驗(yàn)條件下,由于凝石漿體具有較好的孔徑分布,并且凝石混凝土的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)合緊密,所以凝石混凝土的抗碳化性能、抗氯離子滲透性能和抗?jié)B性能均優(yōu)于同水灰比的水泥混凝土。如果凝石膠凝材料能夠作為人工魚(yú)礁的造礁材料,不僅可以提高礦渣等工業(yè)廢棄物的利用率,降低人工魚(yú)礁的造礁成本,而且還可以減少傳統(tǒng)造礁材料的水泥使用量,從而減少生產(chǎn)水泥時(shí)消耗的石灰石和燃煤量,有利于節(jié)能環(huán)保。目前,關(guān)于凝石膠凝材料的研究較多,但利用凝石膠凝材料作為人工魚(yú)礁材料的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。人工魚(yú)礁礁體在海水中的抗壓強(qiáng)度和對(duì)海水pH的影響是人工魚(yú)礁耐久性與親水性的主要考察指標(biāo),對(duì)人工魚(yú)礁材料的選擇具有重要意義。本研究中,作者通過(guò)對(duì)凝石供試體在海水中的抗壓強(qiáng)度和浸泡海水的pH值進(jìn)行測(cè)定,并與水泥供試體進(jìn)行比較,探討了以凝石膠凝材料作為人工魚(yú)礁材料的可行性,旨在為人工魚(yú)礁材料選擇的多樣化提供參考資料。1材料和方法1.1材料表面試驗(yàn)用材料分別為北京科技大學(xué)研制的凝石膠凝材料、普通硅酸鹽325水泥、自來(lái)水、普通砂子和石子(直徑≤2cm)。1.2方法1.2.1材料的供試體根據(jù)人工魚(yú)礁抗壓強(qiáng)度的要求,按照水泥混凝土配合比計(jì)算方法,設(shè)計(jì)4種水灰比,分別為0.60、0.55、0.49、0.44,將凝石和水泥兩種材料各制成4種水灰比的供試體(表1),規(guī)格為10cm×10cm×10cm,每組9塊,共制作72塊供試體。1.2.2抗壓強(qiáng)度的測(cè)量將各組供試體分別放在一個(gè)水箱(34cm×26cm×22cm)中充分浸泡,浸泡水量與供試體的體積比為1.8∶1。1試驗(yàn)試體的測(cè)量于2009年2月5日—3月4日用淡水浸泡各組供試體,淡水養(yǎng)護(hù)28d后,每組隨機(jī)選擇3塊供試體,利用NYL-200型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。具體操作方法:先處理供試體表面,使之成為互相平行的平面;再測(cè)量每個(gè)供試體的長(zhǎng)度和寬度,分別求出各個(gè)方向的平均值,精確至1mm;最后將供試體置于試驗(yàn)機(jī)承壓板下,使供試體的軸線與試驗(yàn)機(jī)壓板的壓力中心重合,以10～30kN/s的速度加荷,直至供試體破壞,記錄最大破壞荷載。結(jié)果取3塊供試體破壞荷載的平均值,當(dāng)3個(gè)破壞荷載值中有超出平均值±10%時(shí),應(yīng)予以剔除,重新取剩余2塊供試體破壞荷載的平均值作為此供試體的抗壓強(qiáng)度。2浸泡時(shí)間的確定于2009年3月5日—5月28日將剩余供試體用海水浸泡,浸泡海水的鹽度為32～33,溫度為14～15℃。每隔一個(gè)月測(cè)定一次供試體的抗壓強(qiáng)度,共測(cè)定兩次。1.2.3海水ph值的測(cè)量。在進(jìn)行測(cè)量其供試體在海水中浸泡期間不換水,同時(shí)以不浸泡供試體的海水水樣作為平行對(duì)照。海水浸泡期間每隔5d取樣一次。使用EL20型pH計(jì)測(cè)量浸泡海水的pH值。具體操作方法:用小燒杯采集水箱中的水樣,為防止水體的不均勻性,在采集水樣前輕輕攪動(dòng)水箱中的海水,每個(gè)水樣取30mL,先用兩瓶校準(zhǔn)液對(duì)pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),然后對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)量。每次測(cè)量前用蒸餾水對(duì)探頭進(jìn)行清洗,用干燥紙擦拭干凈。1.3處理數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)、方差分析,用Duncan法進(jìn)行多重比較,以0.05作為差異顯著性水平。2結(jié)果2.1試驗(yàn)對(duì)象的抗壓強(qiáng)度1水灰比對(duì)水泥供試體的抗壓強(qiáng)度的影響從圖1可見(jiàn),淡水養(yǎng)護(hù)28d后,隨著水灰比的增大,即凝石量的減少,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為48.1MPa,S3組的抗壓強(qiáng)度最高,為56.5MPa。多重比較結(jié)果表明,水灰比較低的S4、S3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水灰比較高的S2、S1組(P<0.05),而S4與S3組差異顯著(P<0.05),S2與S1組差異不顯著(P>0.05)。從圖1還可以看出,隨著水灰比的增大,水泥供試體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其中,水泥組C1的抗壓強(qiáng)度最低,為45MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為60MPa。多重比較結(jié)果表明,C4、C3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于C2、C1組(P<0.05),而C4與C3組差異不顯著(P>0.05),C2與C1組差異顯著(P<0.05)。除水灰比為0.44的S4組的抗壓強(qiáng)度顯著低于C4組外,其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P<0.05)。2凝石供試體的抗壓強(qiáng)度從圖2可見(jiàn),海水浸泡30d后,隨著水灰比的增大,凝石供試體的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為50.6MPa,S3組的抗壓強(qiáng)度最高,為57MPa。多重比較結(jié)果表明,S4與S3組的抗壓強(qiáng)度均顯著高于S2、S1組(P<0.05),而S4與S3組差異不顯著(P>0.05),S2與S1組差異顯著(P<0.05)。從圖2還可以看出,隨著水灰比的增大,水泥供試體的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其中,水泥組C2的抗壓強(qiáng)度最低,為45.4MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為55.6MPa。多重比較結(jié)果表明,C4組的抗壓強(qiáng)度顯著高于C3、C2和C1組(P<0.05),其余組間差異不顯著(P>0.05)。除S4組的抗壓強(qiáng)度等于C4組外,其余同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P<0.05)。從圖3可見(jiàn),海水浸泡60d后,隨著水灰比的增大,凝石供試體和水泥供試體的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其中,凝石組S1的抗壓強(qiáng)度最低,為52.1MPa,S4組的抗壓強(qiáng)度最高,為55.8MPa。多重比較結(jié)果表明,S4和S3組的抗壓強(qiáng)度顯著高于S2和S1組(P<0.05),而S4與S3組差異不顯著(P>0.05),S2與S1組差異顯著(P<0.05)。從圖3可以看出,水泥組C2的抗壓強(qiáng)度最低,為38.5MPa,C4組的抗壓強(qiáng)度最高,為56.5MPa。多重比較結(jié)果表明,C4和C3組的抗壓強(qiáng)度顯著高于C2和C1組(P<0.05),而C4與C3組差異顯著(P<0.05),C2與C1組差異不顯著(P>0.05)。同水灰比的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均顯著高于水泥供試體(P<0.05)。綜上所述,淡水養(yǎng)護(hù)期,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為53.125、51.275MPa,凝石組比水泥組高3.6%;海水浸泡30d后,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為54.075、48.625MPa,凝石組比水泥組高11.2%;海水浸泡60d后,各組凝石供試體和水泥供試體的平均抗壓強(qiáng)度分別為54.225、44.75MPa,凝石組比水泥組高21.2%?？梢?jiàn):凝石供試體的平均抗壓強(qiáng)度高于水泥供試體;隨著海水浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),凝石供試體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,而水泥供試體的抗壓強(qiáng)度則逐漸降低。2.2凝石組與水泥組海水ph值對(duì)比從圖4可見(jiàn),海水浸泡期間凝石組海水的pH值基本穩(wěn)定在7.5～9.0,水泥組海水的pH值基本穩(wěn)定在8.8～11.0,各組海水的pH值隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)略有波動(dòng)。從圖5可見(jiàn):從17次pH值測(cè)定的平均值來(lái)看,凝石組海水的pH值均低于水泥組,平均低1.655;凝石組海水的pH值各水灰比間差異不顯著(P>0.05),水泥組海水的pH值各水灰比間差異也不顯著(P>0.05);同水灰比的凝石組與水泥組間差異均顯著(P<0.05)。3討論3.1配位同構(gòu)化效應(yīng)人工魚(yú)礁在海洋中的耐久性是人工魚(yú)礁設(shè)計(jì)制作的關(guān)鍵參數(shù)之一。人工魚(yú)礁的耐久性主要取決于人工魚(yú)礁礁體在海水中的抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)海水浸泡的凝石供試體的抗壓強(qiáng)度顯著高于水泥供試體,這可能與其自身的特性有關(guān),凝石的凝結(jié)硬化過(guò)程是靠成巖流體對(duì)硅鋁類物質(zhì)的溶蝕再聚合作用、溶蝕再結(jié)晶作用和次生加大作用形成的,在硅鋁物質(zhì)重組過(guò)程中,硅氧四面體對(duì)第三主族元素和第五主族元素具有四配位同構(gòu)化效應(yīng),同時(shí)能夠?qū)⒌谝?、第二和第六、第七主族元素固定在網(wǎng)絡(luò)體中,以平衡由于四配位同構(gòu)化效應(yīng)所造成的電荷不平衡,從而使所形成的硅鋁基膠凝材料硬化體不但具有很高的強(qiáng)度,而且還具有良好的穩(wěn)定性與耐久性。本試驗(yàn)中只有在淡水養(yǎng)護(hù)28d后,水灰比為0.44的S4組凝石供試體的抗壓強(qiáng)度(56.3MPa)比同水灰比的水泥供試體C4組(60MPa)略低,但經(jīng)海水浸泡后凝石供試體的抗壓強(qiáng)度逐漸提高;浸泡30d后,S4與C4組的抗壓強(qiáng)度相同,均為55.6MPa;浸泡60d后,S4與C4組的抗壓強(qiáng)度分別為55.8MPa和54.5MPa,S4組的抗壓強(qiáng)度逐漸高于C4組,其它凝石供試體的抗壓強(qiáng)度均高于同水灰比下的水泥供試體。因此,以凝石膠凝材料作為人工魚(yú)礁的造礁材料,在抗壓強(qiáng)度方面優(yōu)于同類型的水泥材料,即在海水中的耐久性好于水泥材料。3.2海水ph值的變化人工魚(yú)礁的親水性是指人工魚(yú)礁設(shè)置在海中后對(duì)海水水質(zhì)的影響程度。浸泡人工魚(yú)礁礁體或構(gòu)件的海水pH是檢驗(yàn)人工魚(yú)礁親水性的主要指標(biāo),pH值越接近同時(shí)期海水的pH值,說(shuō)明其親水性越好。浸泡海水的pH值,除了與供試體的材料、制作工藝等因素有關(guān)外,還與海水的溫度、鹽度、壓力等物理因素有關(guān)。海水的pH值隨溫度升高而略有降低,這是因?yàn)楹Ｋ腥艽嫒跛岬碾婋x度隨溫度升高而增大的結(jié)果。在一定溫度下,海水的pH值隨鹽度的增加而略有上升,而隨著壓力的增大而降低,這是由于弱電解質(zhì)在深水中離解度增大的結(jié)果。本試驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)17次的測(cè)量,浸泡4種凝石供試體的海水pH平均值分別為8.84、8.87、9.10、8.95,浸泡4種水泥供試體的海水pH平均值分別為10.42、10.44、10.80、10.72,而海水對(duì)照樣品的pH平均值為8.27。浸泡凝石供試體海水的pH值皆低于浸泡水泥供試體的海水pH值,說(shuō)明凝石供試體的親水性好于水泥供試體。浸泡兩種供試體的海水pH值均高于海水對(duì)照組,說(shuō)明凝石材料和水泥材料的混