含海砂人工砂在素混凝土中的應用探索研究*

于曉東，武耀華，任雪梅

（1.唐山曹妃甸二十二冶工程技術有限公司，河北 唐山 063200；2.中冶建筑研究總院有限公司 中冶高性能混凝土工程技術中心，北京 100088）

0 前言

隨著我國基礎設施建設的快速發展，工程總量增長顯著，據統計 2018 年全國規模以上企業預拌混凝土總量近 17.96 億立方米[1]，消耗細骨料近 15 億噸。隨著國家環境保護壓力與日俱增，尤其是在沿海地區，河砂資源緊缺，國家許多地區河流干流及支流多條河道已全面開始禁止挖沙作業。而我國近海海砂資源約 3434.3 億立方米[1]，目前海砂在混凝土中的利用率非常低，僅在寧波、丹山、深圳等地有過使用。因海砂中含有大量氯離子、硫酸鹽、貝殼等有害物質，引起鋼筋銹蝕，從而影響建筑物的結構安全，使用未經淡化的海砂造成“海砂屋”等一系列問題[2]。因此，各地政府均出臺相關政策禁止將未經處理的海砂用于混凝土。但全球也有很多成功應用海砂的例子，日本是世界上利用海砂比較成熟的國家，在阻銹劑的使用上比較成熟，沿海地區混凝土用砂 90% 以上都是海砂[3]。目前，對海砂使用最多的處理方法是對海砂進行淡化處理，添加阻銹劑或使用 FRP筋替代鋼筋[4]。秦斌[5-7]等人對淡化海砂混凝土進行了試驗性能的研究，認為淡化處理的海砂配制混凝土的基本性能與普通混凝土相近。陳宗平[8-10]等人對海砂混凝土力學性能進行了研究，試驗表明海砂能提高混凝土早期強度。

筆者認為，除上述研究路徑外，還可在原狀海砂應用中探索新路徑。本文結合唐山地區尾礦資源豐富的特點，將尾礦砂、機制砂等與原狀海砂復合制備成人工砂，探索其在混凝土中的應用途徑。本文研究不同海砂摻量人工砂對素混凝土工作性、強度等的影響。

1 試驗原材料、試驗方法及試驗配比

1.1 原材料

膠材：冀東 P·O42.5 級水泥，北疆電廠Ⅱ粉煤灰，曹妃甸石砼 S95 級礦粉。

粗骨料：5～25mm 連續級配碎石。

外加劑：聚羧酸高性能減水劑，天津冶建特種材料有限公司，含固量 8%。

拌和用水：飲用水。

細骨料：三種砂的性能指標見表1，機制砂屬于粗砂，尾礦砂屬于細砂。海砂采自天津濱海附近海域，海砂屬于中砂，經過了簡單的處理，貝殼物含量顯著下降，氯離子含量為 0.146%，高于建設用砂標準中海砂氯離子含量小于等于 0.06% 的要求。不同比例海砂人工砂中的氯離子含量見表2。

表1 砂的基本性能

表2 不同比例海砂人工砂中氯離子含量

1.2 試驗方法

根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，進行配合比設計，海砂摻入比例為：0%、10%、20%、30%、50%、70% 和 100%，不同比例的海砂復合機制砂、尾礦砂進行配比試驗，參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗》標準，每個配比制作 4 組 100mm×100mm×100mm 試件，共計 28組。按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》，進行混凝土出機坍落度、1 小時坍落度測定，并觀察其流動性、粘聚性、保水性等工作性能；參照 JGJ/T 322—2003《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》檢測混凝土拌合物中水溶性氯離子含量；測定完畢后，制作試件。最后在標準條件下進行養護（養護室溫度 (20±2)℃，相對濕度 95%）。在標養 7 天、28 天、56 天后對試件進行抗壓試驗。對比分析不同比例海砂人工砂混凝土的工作性能、力學性能變化以及水溶性氯離子含量變化。

1.3 試驗配比

C30 混凝土的試驗配合比及相關性能見表3。

2 結果與分析

2.1 不同海砂摻量混凝土的工作性能

由表3 可知，隨著海砂摻入比例的增加，其出機工作性能較不加海砂混凝土逐漸變差，混凝土的出機坍落度逐漸減小，1 小時坍落度損失有所增加，流動性逐漸變差，粘聚性也逐漸變差。分析其原因為，海砂比人工砂的吸水率高、顆粒級配較差，致使其坍落度損失加快。另外，海砂中部分貝殼物的存在，也使混凝土的工作性能變差。

2.2 不同海砂摻量的混凝土力學性能

由圖1 可知，混凝土 7 天、28 天、56 天強度均隨齡期的增加而增長。海砂摻量在 30% 以下時，海砂人工砂混凝土與普通混凝土強度接近；海砂摻量在 30%以上時，隨海砂摻量的增加，海砂人工砂混凝土強度呈現增長的趨勢。分析其原因為，海砂摻量在 30% 以下時，海砂人工砂降低了混凝土中總氯離子含量；達到30% 以上后，海砂人工砂混凝土中總氯離子含量顯著增加，大量的游離氯離子與水泥水化后的 Ca(OH)2反應生成 CaCl2，CaCl2又進一步與 C3A 反應生成水化氯鋁酸鈣，即 Friedel 鹽，另外，礦物摻合料礦渣、粉煤灰的二次水化產生 Ca(OH)2，又進一步促進了 Friedel 鹽的生成，從而提高了海砂人工砂混凝土的強度。

表3 C30 混凝土配合比及性能

2.3 不同海砂摻量的混凝土中水溶性氯離子含量變化

由圖2 可知，海砂人工砂混凝土中的水溶性氯離子含量隨海砂摻入比例的增加而增加；在海砂摻量 30%以下時，海砂人工砂混凝土中水溶性氯離子增加較為緩慢，在 30% 以上時，拌合物中水溶性氯離子含量增加顯著；在海砂摻量達到 100% 時，海砂人工砂混凝土中總的游離氯離子含量為 0.439%，低于 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》中規定的素混凝土拌合物中水溶性氯離子含量最大值 1%。

圖1 抗壓強度曲線圖

圖2 海砂人工砂混凝土中水溶性氯離子含量

3 結論

（1）在相同條件下，海砂人工砂混凝土比普通混凝土工作性能下降，坍落度損失較普通混凝土快。

（2）在相同條件下，海砂摻量在 30% 以下時，海砂人工砂混凝土與不加海砂混凝土強度接近；在海砂摻量 30% 以上時，隨著海砂摻量的提高，混凝土強度呈增加的趨勢。

（3）海砂人工砂混凝土中的水溶性氯離子含量隨海砂摻量的提高而增加。海砂經處理后，以不同比例與人工砂混合而制成的混凝土水溶性氯離子含量均低于素混凝土中規定小于 1% 的要求。經處理后的海砂與人工砂混凝土而制成的混凝土可以用于素混凝土的生產使用。