海水海砂再生混凝土力學(xué)性能研究

謝 鋼 徐煥林

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院）

我國(guó)城市化進(jìn)程中會(huì)產(chǎn)生大量的建筑廢料和建筑垃圾，中國(guó)僅就2018 年產(chǎn)生了高達(dá)17 億噸的建筑垃圾，且綜合利用率不足5%，給我們的污染防治帶來(lái)了巨大的困擾。將建筑垃圾經(jīng)過(guò)有效處理變?yōu)樵偕橇希诮o我們的環(huán)境治理帶來(lái)很大幫助的同時(shí)，還能夠很好的保護(hù)土地資源，帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

目前我國(guó)河砂、淡水資源缺乏，同時(shí)受限于地理位置，海砂和海水的獲取有一定的困難，然而在我國(guó)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)和建筑需要用到大量建筑原材料[1]。而東部的沿海地區(qū)有豐富的海水、海砂資源儲(chǔ)備，充分有效地利用海水、海砂資源制備混凝土可以給我們經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面帶來(lái)巨大的效益。同時(shí)，用再生骨料制作混凝土[2-4]，能夠最大化地利用有效的資源。

使用再生骨料和海水海砂制備混凝土能一定程度上實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)性。Etxeberria[5]等的研究表明：海水一定程度上可提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)28d 強(qiáng)度基本沒(méi)什么變化。海水海砂混凝土的凝結(jié)時(shí)間和干縮也有所減小。Selicato[6]等發(fā)現(xiàn)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響上，再生骨料要大于海水的影響。目前將海水海砂與再生混凝土結(jié)合在一起的研究仍然不多，其力學(xué)性能機(jī)理還有很多待研究的地方。

劉偉[7]等認(rèn)為當(dāng)不考慮氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕時(shí)，原狀海砂均也可等同于河砂使用。肖建莊等的研究表明，海水海砂再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，最后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；同時(shí)與普通混凝土相比，7d 抗壓強(qiáng)度有相應(yīng)的提高，而180d 抗壓強(qiáng)度會(huì)有略微的降低。同時(shí)，海水、海砂混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度與普通混凝土基本相同[8，9]。Huang[10]等對(duì)海砂再生混凝土進(jìn)行了研究，海砂再生混凝土的抗壓強(qiáng)度要比普通混凝土高，海砂的彈性模量增大，峰值應(yīng)變減小。隨著海砂氯含量的增加，海砂再生混凝土的性能下降。

除了上述的強(qiáng)度性能研究外，目前針對(duì)海水海砂再生混凝土其他力學(xué)指標(biāo)影響的研究還比較少，因此，本文通過(guò)對(duì)海水海砂再生混凝土和普通再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究，進(jìn)一步研究再生骨料取代率對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土的基本力學(xué)性能，為海水海砂再生混凝土的推廣提供依據(jù)，有利于沿海地區(qū)的建設(shè)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。

海水：人工海水按照美國(guó)ASTM D1141－2003 的規(guī)定配制，其化學(xué)組成如表1。

表1 人工海水化學(xué)成分 （kg/m3）

河砂：普通河砂，表觀密度為2.66g/m3，含水率為0.2%，細(xì)度模數(shù)為2.54。

海砂：惠州巽寮灣海砂，表觀密度為2.54g/m3，含水率為0.31%，細(xì)度模數(shù)為2.7。

天然粗骨料：普通碎石，連續(xù)級(jí)配，粒徑為5mm～35mm，表觀密度為1800kg/m3。

表2 混凝土配合比

再生粗骨料：普通再生骨料，連續(xù)級(jí)配，粒徑為5mm～35mm，表觀密度為1670kg/m3。

減水劑：采用廣州西卡建筑材料公司的高效減水劑，減水率為20%～40%。

1.2 試件制作

本試驗(yàn)混凝土分為12 組進(jìn)行，相應(yīng)的混凝土編號(hào)如表格所示，其中普通再生混凝土作為對(duì)照組（RAC組），再生骨料的取代率為變量，取代的百分比分別為0、50%、100%。混凝土的坍落度應(yīng)該控制在30mm～80mm之間，使用高效減水劑。最后根據(jù)適配結(jié)果，確定減水劑摻量為1.3%，具體配合比見(jiàn)表2。每一組混凝土均都需要制備3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件和3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，其中三個(gè)用于軸壓試驗(yàn)，三個(gè)用于彈性模量試驗(yàn)。

試塊的制作均采用機(jī)械攪拌，拌合物采用“HJW-100”型的混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制拌制，待攪拌完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)立方體模具和標(biāo)準(zhǔn)圓柱體模具將試件澆筑成型，自然養(yǎng)護(hù)24h 然后拆模，之后灑水養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行圓柱體彈性模量試驗(yàn)和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 圓柱體彈性模量試驗(yàn)

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

如圖3 所示，按照配合比配制的海水海砂再生混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，其中100%取代率的C30 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到42.6MPa，50%取代率的C30再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也有40MPa。設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40 的50%取代率的海水海砂再生混凝土抗壓強(qiáng)度能達(dá)到50.2MPa，相較于C30 同等取代率的再生混凝土強(qiáng)度提高了19%。抗壓強(qiáng)度最高的是0%取代率的C50 海水海砂混凝土，相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度下海水海砂再生混凝土和海水海砂混凝土的強(qiáng)度沒(méi)有很大差異。通過(guò)圖可以看出，相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度下海水海砂再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通再生混凝土的抗壓強(qiáng)度略低，這是因?yàn)椋汉Ｋ⒑Ｉ爸械暮偷入x子和混凝土的內(nèi)部物質(zhì)反應(yīng)，改變了混凝土內(nèi)部的水化機(jī)理，同時(shí)新形成物質(zhì)會(huì)使混凝土自身內(nèi)部裂縫變大，從而致使混凝土強(qiáng)度的降低。

圖3 立方體軸壓強(qiáng)度對(duì)比

2.2 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

軸心抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，在混凝土等級(jí)不斷提高的情況下，再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度也隨之提高。其中海水海砂再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度比同強(qiáng)度等級(jí)的海水海砂普通混凝土高約5%～10%。而與普通再生混凝土相比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40 海水海砂再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與普通再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度相差不大。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)斷提高的情況下，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度也隨之提高。由此可見(jiàn)，海水和海砂對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度的影響不大，同時(shí)由于海水中和等鹽類物質(zhì)改善了再生骨料內(nèi)部的密實(shí)度，所以海水海砂再生混凝土和海水海砂混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度相差不大。

圖4 軸心抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.3 混凝土彈性模量

由圖5 可知不同強(qiáng)度的等級(jí)的再生混凝土的彈性模量均低于普通混凝土，而隨之混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，相應(yīng)的彈性模量也隨之增加。普通再生混凝土相比海水海砂再生混凝土的彈性模量提高了約6%。出現(xiàn)這樣的結(jié)果，是因?yàn)楹Ｋ秃Ｉ暗柠}類物質(zhì)與促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，從而縮小了再生骨料內(nèi)部的裂縫，使得再生混凝土內(nèi)部的構(gòu)造更加密實(shí)，從而使得再生混凝土的彈性模量得到提高。

圖5 圓柱體彈性模量對(duì)比

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)預(yù)制強(qiáng)度為C30～C50 的不同再生骨料取代率的海水海砂再生混凝土和普通再生混凝土試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得出了如下的結(jié)論：

⑴用海水和海砂配制出來(lái)的再生混凝土具有較好的力學(xué)性能，可以認(rèn)為和普通混凝土大致相同。使用海砂作為原材料制備的混凝土能一定程度緩解河砂短缺的形勢(shì)。

⑵海水海砂再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度與海水海砂普通混凝土相比，強(qiáng)度相差不大。

⑶海水海砂普通混凝土相比，海水海砂再生混凝土的彈性模量有略微降低，降低幅度約為6%～10%。