海砂顆粒形態(tài)評(píng)價(jià)與海拌混凝土性能研究

盧予奇，趙羽習(xí)

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的崛起，基礎(chǔ)工程大量興建，我國混凝土產(chǎn)量長期居于世界首位，淡水與河砂資源飛速消耗、日漸匱乏。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色發(fā)展，尋找替代性的水源、砂源已經(jīng)迫在眉睫。所幸，我國海岸線綿長、陸架寬闊、島嶼眾多，海洋中蘊(yùn)藏著極為豐富的資源，在海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略發(fā)展背景下，海洋空間的開發(fā)利用將進(jìn)入新的高潮。若能將海水用作混凝土拌合用水，將海砂用作混凝土細(xì)骨料，不但可以緩解資源緊缺的局面，沿海建設(shè)就地取材還能減少遠(yuǎn)距離運(yùn)輸原材料所耗費(fèi)的人力物力，可謂一舉兩得。

然而海水、海砂通常含有氯鹽、硫酸鹽、貝殼等多種有害雜質(zhì)[1-2]，會(huì)給混凝土流變性能、力學(xué)性能、耐久性能等帶來諸多不利影響，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件當(dāng)中還會(huì)加速鋼筋脫鈍，有可能引發(fā)重大安全事故。例如福建泉州1993年通車的惠安輞川大橋因鋼筋銹蝕嚴(yán)重，橋面板與護(hù)欄破損，2000年被迫停用；廣東深圳鹿丹事件中海砂屋竣工后不到十年就千瘡百孔，拆除重建費(fèi)高達(dá)7億人民幣。為了使海水、海砂能夠被更合理地資源化利用，須從混凝土材料性能層面入手，逐步上升至結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)層面，展開系統(tǒng)研究，探索之路任重道遠(yuǎn)。

僅就材料層面而言，國內(nèi)外現(xiàn)有的試驗(yàn)資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法形成完整的理論體系。一方面，具有可比性的數(shù)據(jù)積累不足，各項(xiàng)耐久性能指標(biāo)的相關(guān)試驗(yàn)成果尤為稀缺。另一方面，不同研究所得到的結(jié)論經(jīng)常相互矛盾。例如Wegian[3]測(cè)得海水混凝土28 d后抗壓、抗折及劈裂抗拉強(qiáng)度均低于淡水混凝土；而Li等[4]卻認(rèn)為海水能提高混凝土抗壓強(qiáng)度，摻加5%偏高嶺土甚至可使增幅高達(dá)50%。這類矛盾主要源于混凝土的原材料、配合比、養(yǎng)護(hù)條件、試驗(yàn)條件等千差萬別，而人們對(duì)海水、海砂物理化學(xué)特性的認(rèn)識(shí)還不夠透徹。鑒于上述情況，專門利用圖像處理技術(shù)評(píng)價(jià)了海砂與河砂的顆粒形態(tài)特征，并借助對(duì)比試驗(yàn)歸納了天然海水與商品海砂單獨(dú)使用或復(fù)合使用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、碳化深度等性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用細(xì)骨料為商品海砂與商品河砂，遵照GB/T 14684—2011《建筑用砂》所述篩分法可得，海砂為細(xì)度模數(shù)1.68的細(xì)砂，河砂為細(xì)度模數(shù)3.03的中砂。各號(hào)篩累計(jì)篩余率如圖1所示，海砂粒徑大于1.18 mm的顆粒多為貝殼碎屑，比例極低，大于0.600 mm的顆粒僅占7.8%，級(jí)配顯然不理想。

另外，試驗(yàn)所用粗骨料為產(chǎn)自浙江德清的連續(xù)粒級(jí)天然碎石，公稱粒徑為5～16 mm；水泥為錢潮牌P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；淡水為潔凈的自來水。海水則取自浙江寧波北侖港，pH為7.17，各種陰陽離子濃度如表1所示，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)1.5%。

1.2 顆粒形態(tài)評(píng)價(jià)方案

首先，進(jìn)行細(xì)骨料顆粒圖像的采集。該過程步驟簡單，將篩分后各粒徑范圍的河砂與海砂分別裝袋，每袋中隨機(jī)抽取若干顆粒樣本，鋪撒于背景紙上，用分辨率合適的儀器拍攝成圖(如圖2)。對(duì)于粒徑在0.600～9.500 mm范圍內(nèi)的試樣，自帶光源的普通數(shù)碼相機(jī)已足夠辨清顆粒邊界；粒徑0.150～0.600 mm的試樣則使用上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的顯微鏡將試樣放大，再利用UCMOS05100KPA顯微鏡CCD數(shù)字?jǐn)z像頭拍照；粒徑小于0.150 mm的顆粒過于微小且分計(jì)篩余量不足10%，因受操作難度及儀器分辨率的限制，不予考慮。操作過程中應(yīng)盡量保證顆粒不相互接觸，且每種粒徑范圍的樣本容量在100以上。

采樣完成后利用Photoshop CS6軟件將散亂的細(xì)骨料顆粒排列成10×10的方陣。為了便于后續(xù)測(cè)量過程中準(zhǔn)確識(shí)別顆粒邊界，宜先將方陣圖黑白二值化。

圖2 細(xì)骨料顆粒圖像的采集與處理(以300～600 mm河砂顆粒為例)Fig. 2 Collection and processing of the images of fine aggregate particles (taking 300～600 mm river sand particles as an example)

其次，利用ImageJ軟件對(duì)以下顆粒樣本平面投影輪廓的幾何參數(shù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)：面積A與周長P；最適橢圓的長軸長XLmax與短軸長XLmin；最小外接凸多邊形的面積Ac。其中最適橢圓是指與投影輪廓具有相同中心與二階矩的橢圓，最小外接凸多邊形是指能覆蓋投影輪廓且各內(nèi)角均不大于平角的最小多邊形，顆粒樣本的幾何參數(shù)示意如圖3所示。

圖3 顆粒樣本的幾何參數(shù)示意Fig. 3 Schematic diagram of geometric parameters of the particle sample

再則，在試驗(yàn)采用的細(xì)骨料中隨機(jī)挑選100個(gè)顆粒樣本，對(duì)GB/T15445-2014《粒度分析結(jié)果的表述》列舉的多項(xiàng)無量綱參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)橢圓率與堅(jiān)固性之間皮爾遜相關(guān)系數(shù)僅為-0.001，前者能從宏觀層面描述顆粒長寬比例，后者能從細(xì)觀層面描述顆粒表面起伏形狀，而圓度又具有較為豐富的物理意義，故最終擇取這三項(xiàng)參數(shù)來綜合評(píng)價(jià)細(xì)骨料顆粒形態(tài)特征。三者取值均在(0,1]范圍內(nèi)波動(dòng)，具有一定離散度，均可由上述平面投影輪廓幾何參數(shù)計(jì)算而得，現(xiàn)將其具體表達(dá)式及物理意義概述如下：

1.3 混凝土基本性能對(duì)比試驗(yàn)方案

以海水或淡水為拌合用水，以海砂或河砂為細(xì)骨料，兩兩搭配即可配置4種類型的海拌混凝土或普通混凝土。配合比如表2所示，混凝土類型欄中前一位字母指代拌合用水種類，F(xiàn)即淡水，S即海水；后一位字母指代細(xì)骨料種類，R即河砂，S即海砂。

表2 試驗(yàn)混凝土配合比 Tab. 2 Mix proportion of concretes (kg/m3)

待混凝土凝結(jié)硬化后，按照下述方案進(jìn)行各項(xiàng)基本性能的對(duì)比試驗(yàn)：

1) 采用RCT法對(duì)各類型混凝土56 d齡期時(shí)游離氯離子含量進(jìn)行快速檢測(cè)。利用沖擊鉆在100 mm ×100 mm×100 mm的立方體試件上獲取少量混凝土粉末，通過0.600 mm規(guī)格的方孔篩后，稱取4.0 g配以40 mL去離子水，振蕩5 min并靜置一晝夜，由此將粉末中的游離氯離子提取到水溶液中。此后啟用DY2501-B型便攜式氯離子含量測(cè)定儀，先依次將探頭插入0.005%、0.05%與0.5%的標(biāo)準(zhǔn)氯鹽溶液內(nèi)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上測(cè)試待測(cè)溶液中氯離子濃度，屏幕上會(huì)直接顯示其占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

2) 參考GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，澆筑100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，在7 d、28 d、56 d齡期時(shí)測(cè)試各類型混凝土抗壓強(qiáng)度。采用NYL-600型萬能試驗(yàn)機(jī)獲得試件破壞荷載。

3) 參考GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，澆筑100 mm×100 mm ×500 mm的四棱柱試件，養(yǎng)護(hù)28 d后將其5個(gè)表面涂覆石蠟，僅留一個(gè)側(cè)面裸露在外，置于CCB-70B型碳化試驗(yàn)箱中，分別于3 d、7 d、14 d、28 d將試件取出，用1%的酚酞酒精溶液(含20%蒸餾水)測(cè)定各類型混凝土碳化深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顆粒形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

基于ImageJ軟件對(duì)細(xì)骨料不同粒徑范圍樣本所構(gòu)成的10×10方陣二值圖的測(cè)量數(shù)據(jù)，可求得3項(xiàng)顆粒形態(tài)參數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。以各粒徑范圍的分計(jì)篩余率為權(quán)重，還可計(jì)算出各項(xiàng)參數(shù)的加權(quán)平均值，以此綜合考量細(xì)骨料顆粒的形態(tài)特征。

如表3和表4所示，海砂的各項(xiàng)參數(shù)值均隨粒徑遞增，說明砂粒越大，呈針片狀的可能性越大，表面的棱角與內(nèi)凹型曲面也越顯著。河砂顆粒各項(xiàng)參數(shù)隨粒徑的增減趨勢(shì)則不盡相同。粒徑大于0.300 mm的各組樣本橢圓率及圓度均值都相當(dāng)接近，分別集中于(0.729,0.741)及(0.890,0.898)區(qū)間，明顯低于0.150～0.300 mm組別，惟有堅(jiān)固性參數(shù)的變化規(guī)律與海砂相似。說明河砂顆粒越大，表面內(nèi)凹型曲面越顯著，但其外形細(xì)長程度與表面平滑程度則基本不變，僅0.150～0.300 mm的砂粒表現(xiàn)出更為圓潤平滑的特征。

表3 海砂樣本各項(xiàng)顆粒形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3 Statistical results of morphological parameters of the sea sand samples

表4 河砂樣本各項(xiàng)顆粒形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 4 Statistical results of morphological parameters of the river sand samples

對(duì)比兩種細(xì)骨料各項(xiàng)參數(shù)的加權(quán)平均值發(fā)現(xiàn)，河砂的橢圓率、圓度與堅(jiān)固性僅比海砂高出0.87%、0.35%與1.17%，說明兩者總體樣本形態(tài)特征極為相近，河砂相較而言更偏向于球狀，棱角與內(nèi)凹曲面更不顯著。結(jié)合參考文獻(xiàn)[5-6]所得結(jié)論可知，天然海砂與河砂顆粒形態(tài)特征并不存在本質(zhì)區(qū)別，這是因?yàn)閮烧咦匀恍纬蓹C(jī)制非常相似，最初都來源于巖石的風(fēng)化、搬運(yùn)、分選與堆積，經(jīng)水流長期沖刷，所以顆粒一般都較為光滑渾圓。

2.2 混凝土游離氯離子含量檢測(cè)結(jié)果分析

海砂經(jīng)海水長期沖刷，通常富含氯鹽，混凝土中的水泥石又難以完全固化砂粒釋放出來的游離氯離子，然而如表5所示，F(xiàn)S型試件游離氯離子含量卻極低，與原材料中幾乎不含氯元素的FR型試件相當(dāng)，由此可推知試驗(yàn)采用的商品海砂是經(jīng)過淡化處理的，從而后續(xù)試驗(yàn)中海砂與河砂所拌制的混凝土性能上的差別將主要由貝殼含量、顆粒級(jí)配等因素的差異導(dǎo)致。

以海水為原材料的試件游離氯離子含量較高。結(jié)合海水化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果與混凝土配合比，可估算出SR型與SS型試件中由海水引入混凝土的氯離子總量，從而求得56 d齡期水泥石對(duì)海水型氯離子的固化率分別為61.6%與66.4%。根據(jù)馬紅巖等[7]采用硝酸銀滴定與硫氰酸鉀滴定測(cè)得海水混凝土氯離子固化率為68%～71%，Li等[8]采用高性能液體色譜發(fā)現(xiàn)56 d齡期海水混凝土氯離子固化率為57%～67%，顯然上述測(cè)量數(shù)據(jù)均與文中估算結(jié)果較為接近。

表5 各類混凝土游離氯離子含量檢測(cè)結(jié)果Tab. 5 Free chloride ion content of the concretes

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分析

將檢測(cè)結(jié)果繪制于折線圖4中，可發(fā)現(xiàn)7 d、28 d、56 d齡期SR型試件抗壓強(qiáng)度始終最高，較FR型普通混凝土試件分別高出3.6%、13.3%與16.1%，90 d齡期卻不再具有優(yōu)勢(shì)，與其余3類試件差距甚微。這可能是因?yàn)楹Ｋ新入x子與硫酸根離子加快了水化反應(yīng)速率，促進(jìn)了弗里德爾鹽、鈣礬石等礦物生成[9]，它們填充了孔隙，改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，從而有助于早期強(qiáng)度的提升。但隨著齡期的增長，水化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，海拌混凝土中膨脹性與可浸出性產(chǎn)物逐漸積累，會(huì)誘發(fā)微裂縫的形成[10]，從而引起混凝土力學(xué)性能的劣化。

海砂的使用對(duì)淡水混凝土抗壓強(qiáng)度影響輕微，對(duì)海水混凝土則會(huì)在某種程度上產(chǎn)生負(fù)面影響。這或許可以歸咎于海砂顆粒級(jí)配不良，且貝殼含量較高。貝殼碎屑大都呈針片狀，與圓潤的砂粒不能良好接觸并相互填充，從而增加了骨料的空隙率，導(dǎo)致混凝土的致密程度偏低。

國內(nèi)外文獻(xiàn)中多數(shù)研究者認(rèn)為海水有利于早期強(qiáng)度，至于后期強(qiáng)度如何發(fā)展則眾說紛紜。總體而言，使用海水、海砂拌制混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度會(huì)造成一定影響，但不致于引起顯著降低，具體表現(xiàn)因原材料物理化學(xué)性能不同而各異。

2.4 混凝土碳化深度檢測(cè)結(jié)果分析

如折線圖5所示，碳化深度總體上隨時(shí)間遞增，海水混凝土接近線性增長，淡水混凝土7 d測(cè)量值較3 d略小，可能是因?yàn)椴煌g期檢測(cè)不同的切斷面，而碳化深度沿試件側(cè)棱方向并非均勻分布。

圖4 各類混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律Fig. 4 Cubic compressive strength of concretes varying along with age

圖5 各類型混凝土碳化深度時(shí)間變化規(guī)律Fig. 5 Carbonation depth of concretes varying along with time

海砂的摻加大幅增強(qiáng)了碳化作用，F(xiàn)S組與SS組28 d碳化深度高達(dá)14.6 mm、11.7 mm，較FR組與SR組分別高出143.3%、112.7%。推測(cè)是貝殼碎屑與欠佳的顆粒級(jí)配起了關(guān)鍵作用，它們降低了混凝土密實(shí)度，并使骨料與水泥間界面過渡區(qū)變得更加薄弱。

海水的作用機(jī)理則較為復(fù)雜。一方面試件中富含的氯離子會(huì)參與水化反應(yīng)固化到水泥膠體內(nèi)，使混凝土孔隙結(jié)構(gòu)更加致密，阻礙了二氧化碳從外界的侵入，延緩了碳化進(jìn)程[11]；另一方面二氧化碳會(huì)使混凝土的pH值有所下降，使弗里德爾鹽等水化產(chǎn)物逐漸分解，從而將固化的氯離子重新釋放到孔溶液中，恢復(fù)游離狀態(tài)[12]。試驗(yàn)中兩個(gè)因素交互作用或許達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，從而對(duì)碳化深度的影響不顯著。

Nagata等[13]、蔣真等[14]認(rèn)為海拌混凝土碳化性能與普通混凝土相近，邢麗等[15]則認(rèn)為前者抗碳化性能反較后者更強(qiáng)。然而上述研究者所選用的海水、海砂，其產(chǎn)原地及各項(xiàng)性能指標(biāo)與文中截然不同，因此不可一概而論。經(jīng)綜合分析能基本確定的是，由原材料引入的氯離子對(duì)碳化的影響頗為微弱，但與其他因素共同作用的規(guī)律還有待繼續(xù)探索。

3 結(jié) 語

通過檢測(cè)各類海拌混凝土及其原材料的多項(xiàng)性能指標(biāo)，得到以下主要結(jié)論，為評(píng)估海水、海砂用于拌制混凝土的可行性提供了參考依據(jù)：

1) 選取橢圓率、圓度、堅(jiān)固性等3項(xiàng)參數(shù)，借助數(shù)字圖像處理技術(shù)在宏觀與細(xì)觀層面評(píng)價(jià)細(xì)骨料的形態(tài)特征。結(jié)果表明海砂顆粒較河砂略為細(xì)長，棱角及內(nèi)凹曲面也略為顯著，但由于兩者自然形成機(jī)制非常相似，這種差距是極其微小的。

2) 天然海水中富含氯鹽與硫酸鹽，有助于混凝土早期強(qiáng)度的提升，但強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)隨著齡期的增長將不復(fù)存在。試驗(yàn)采用的商品海砂則會(huì)在某種程度上對(duì)混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。總體而言海拌混凝土在強(qiáng)度上相較于普通混凝土的差異并不顯著。

3) 試驗(yàn)采用的商品海砂因顆粒級(jí)配不良，貝殼碎屑偏多，降低了混凝土的致密程度，從而使混凝土的抗碳化性能大幅下降。天然海水對(duì)碳化的影響則不顯著，推測(cè)是因?yàn)槁入x子固化與二氧化碳滲入的交互作用達(dá)到了某種動(dòng)態(tài)平衡。