海水海砂再生混凝土力學性能研究

謝 鋼 徐煥林

（廣東工業大學土木與交通學院）

我國城市化進程中會產生大量的建筑廢料和建筑垃圾，中國僅就2018 年產生了高達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了巨大的困擾。將建筑垃圾經過有效處理變為再生骨料，在給我們的環境治理帶來很大幫助的同時，還能夠很好的保護土地資源，帶來較高的經濟和社會效益。

目前我國河砂、淡水資源缺乏，同時受限于地理位置，海砂和海水的獲取有一定的困難，然而在我國經濟較為發達的東部沿海地區的基礎建設和建筑需要用到大量建筑原材料[1]。而東部的沿海地區有豐富的海水、海砂資源儲備，充分有效地利用海水、海砂資源制備混凝土可以給我們經濟和環境方面帶來巨大的效益。同時，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現資源可持續性。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度，但同時28d 強度基本沒什么變化。海水海砂混凝土的凝結時間和干縮也有所減小。Selicato[6]等發現對混凝土力學性能的影響上，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合在一起的研究仍然不多，其力學性能機理還有很多待研究的地方。

劉偉[7]等認為當不考慮氯離子對鋼筋的腐蝕時，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度和劈裂抗拉強度會隨著齡期的增長而增長，最后強度趨于穩定；同時與普通混凝土相比，7d 抗壓強度有相應的提高，而180d 抗壓強度會有略微的降低。同時，海水、海砂混凝土的黏結強度與普通混凝土基本相同[8，9]。Huang[10]等對海砂再生混凝土進行了研究，海砂再生混凝土的抗壓強度要比普通混凝土高，海砂的彈性模量增大，峰值應變減小。隨著海砂氯含量的增加，海砂再生混凝土的性能下降。

除了上述的強度性能研究外，目前針對海水海砂再生混凝土其他力學指標影響的研究還比較少，因此，本文通過對海水海砂再生混凝土和普通再生混凝土的力學性能進行深入的研究，進一步研究再生骨料取代率對不同強度等級的再生混凝土的基本力學性能，為海水海砂再生混凝土的推廣提供依據，有利于沿海地區的建設。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥：為普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5。

海水：人工海水按照美國ASTM D1141－2003 的規定配制，其化學組成如表1。

表1 人工海水化學成分 （kg/m3）

河砂：普通河砂，表觀密度為2.66g/m3，含水率為0.2%，細度模數為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%，細度模數為2.7。

天然粗骨料：普通碎石，連續級配，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，連續級配，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

本試驗混凝土分為12 組進行，相應的混凝土編號如表格所示，其中普通再生混凝土作為對照組（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%。混凝土的坍落度應該控制在30mm～80mm之間，使用高效減水劑。最后根據適配結果，確定減水劑摻量為1.3%，具體配合比見表2。每一組混凝土均都需要制備3 個標準立方體試件和3 個標準圓柱體試件，其中三個用于軸壓試驗，三個用于彈性模量試驗。

試塊的制作均采用機械攪拌，拌合物采用“HJW-100”型的混凝土攪拌機進行強制拌制，待攪拌完成后，使用標準立方體模具和標準圓柱體模具將試件澆筑成型，自然養護24h 然后拆模，之后灑水養護28d，然后進行圓柱體彈性模量試驗和立方體抗壓強度試驗。見圖1、圖2。

圖1 圓柱體彈性模量試驗

圖2 立方體抗壓強度試驗

2 試驗結果與分析

2.1 立方體抗壓強度

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度，其中100%取代率的C30 再生混凝土的抗壓強度能達到42.6MPa，50%取代率的C30再生混凝土的抗壓強度也有40MPa。設計強度為C40 的50%取代率的海水海砂再生混凝土抗壓強度能達到50.2MPa，相較于C30 同等取代率的再生混凝土強度提高了19%。抗壓強度最高的是0%取代率的C50 海水海砂混凝土，相同設計強度下海水海砂再生混凝土和海水海砂混凝土的強度沒有很大差異。通過圖可以看出，相同設計強度下海水海砂再生混凝土的抗壓強度比普通再生混凝土的抗壓強度略低，這是因為：海水、海砂中的和等離子和混凝土的內部物質反應，改變了混凝土內部的水化機理，同時新形成物質會使混凝土自身內部裂縫變大，從而致使混凝土強度的降低。

圖3 立方體軸壓強度對比

2.2 混凝土軸心抗壓強度

軸心抗壓強度的實驗結果如圖4 所示，在混凝土等級不斷提高的情況下，再生混凝土的軸心抗壓強度也隨之提高。其中海水海砂再生混凝土的軸心抗壓強度比同強度等級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，設計強度為C40 海水海砂再生混凝土的軸心抗壓強度與普通再生混凝土的軸心抗壓強度相差不大。混凝土的強度等級斷提高的情況下，混凝土的軸心抗壓強度也隨之提高。由此可見，海水和海砂對再生混凝土的強度的影響不大，同時由于海水中和等鹽類物質改善了再生骨料內部的密實度，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度相差不大。

圖4 軸心抗壓強度對比

2.3 混凝土彈性模量

由圖5 可知不同強度的等級的再生混凝土的彈性模量均低于普通混凝土，而隨之混凝土強度等級的提高，相應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%。出現這樣的結果，是因為海水和海砂的鹽類物質與促進了水泥的水化反應，從而縮小了再生骨料內部的裂縫，使得再生混凝土內部的構造更加密實，從而使得再生混凝土的彈性模量得到提高。

圖5 圓柱體彈性模量對比

3 結論

本實驗通過對預制強度為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行力學性能試驗研究，得出了如下的結論：

⑴用海水和海砂配制出來的再生混凝土具有較好的力學性能，可以認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。

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

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%。