海砂混凝土軸壓力學特性試驗研究

張悅，常師苑，田曉寧，孫磊

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

1 引言

我國每年大規模的基礎設施等工程建設需要消耗大量的建筑用砂，同時國家對生態環境保護愈發重視，嚴厲打擊非法采砂等違法行為，這導致我國許多地方尤其是沿海城市出現了河砂（江砂）短缺和濫用海砂的現象。海砂作為建筑用砂一方面可以有效地緩解河砂短缺的局面，同時避免過度采砂導致的生態破壞問題；另一方面由于海砂攜帶有大量的鹽分會，對鋼筋混凝土的力學性能及耐久性產生不利影響，如鋼筋腐蝕、混凝土膨脹開裂等。科學合理地開發和利用海砂資源，緩解河（江）砂資源壓力，避免濫用海砂導致的“海砂屋”等工程事故，逐漸成為人們關注的熱點問題。目前學界和工程界關于天然河（江）砂混凝土力學性能以及耐久性等方面的研究已取得了較為豐碩的研究成果，并用于指導工程實踐。然而關于海砂對混凝土強度的影響規律尚未取得較為一致的結論，也在一定程度上限制了海砂混凝土進一步的開發利用。基于此，本文在借鑒前人研究的基礎上，通過人工模擬海砂的方法，進一步開展了一系列的海砂混凝土與普通河沙混凝土抗壓強度的對比試驗研究，綜合考慮水灰比以及養護齡期等試驗參數的影響，旨在為促進海砂資源的開發利用、新建海砂混凝土結構的設計以及已建海砂混凝土結構的維護加固提供一定的參考。

2 試驗設計

海砂的含鹽量與所處海域、海水濃度以及本身級配等因素有關且存在較大差異，因此，參照劉軍和刑鋒等提出的利用河砂模擬海砂的試驗方法，配制人工模擬海砂用于制備混凝土。通過反復試配最終控制模擬海砂的氯離子含量為0.07%。天然河砂取自淮河，粗骨料統一采用粒徑為5mm～20 mm級配連續的碎石，試驗拌合水統一采用普通自來水。本試驗結合海砂混凝土應用技術規范及普通混凝土配合比設計規程，并參考文獻[9]進行試驗配合比設計，選取水灰比（W/C）分別為0.4、0.45及0.5，養護齡期分別為7d、28d以及90d。本試驗采用直徑150mm，高度300mm的圓柱體試樣，參照ASTM標準試驗方法，利用NYL3000B型壓力試驗機進行抗壓強度測試，抗壓強度取三個標準試件測試結果的平均值。

3 試驗結果分析

3.1 不同養護齡期下混凝土的抗壓強度

圖1給出了水灰比（W/C）分別為0.4、0.45以及0.5時，海砂混凝土以其對應的普通混凝土的抗壓強度隨著養護齡期增加的變化曲線。通過圖中的變化曲線可以看出，不管是海砂混凝土還是普通混凝土，其在不同水灰比下的抗壓強度均隨著養護齡期的增加而提高，但其增長速率逐漸降低。養護齡期從7d至28d的強度增幅明顯大于齡期從28d至60d的強度增幅，說明當養護齡期超過一定的天數后，混凝土的抗壓強度將逐漸趨于恒定。此外，從圖1還可以看出，在給定的水灰比條件下，海砂混凝土的抗壓強度略高于相應的普通混凝土。海砂混凝土在養護7d時的抗壓強度相對于普通混凝土分別提高了約5%（W/C=0.4）、8.1%（W/C=0.45）和11.2%（W/C=0.5）。海砂混凝土在養護28d時的抗壓強度相對于普通混凝土分別提高了約1%（W/C=0.4）、3.4%（W/C=0.45）和5.8%（W/C=0.5）。海砂混凝土在養護60d時的抗壓強度相對于普通混凝土分別提高了約1%（W/C=0.4）、2.8%（W/C=0.45）和5.7%（W/C=0.5）。上述對比結果說明海砂混凝土的早期強度增長較快，后期確定增長緩慢，與天然海砂的試驗結果一致。

圖1 不同水灰比下混凝土抗壓強度隨齡期的變化曲線

3.2 不同水灰比下混凝土的抗壓強度

為了便于分析水灰比對海砂混凝土以及普通混凝土抗壓強度的影響，圖2進一步給出了養護齡期分別為7d、28d以及60d時，海砂混凝土以其對應的普通混凝土的抗壓強度隨著水灰比（W/C）增大的變化曲線。可見混凝土的抗壓強度與水灰比的大小密切相關，在養護齡期相同的條件下，海砂混凝土抗壓強度隨水灰比的增大逐漸降低，與普通混凝土的抗壓強度相比除了量值稍大之外，變化規律基本一致。通過圖2并結合圖1中對不同養護齡期下，隨著水灰比的增加，海砂混凝土抗壓強度相對于普通混凝土抗壓強度的增幅可以看出，在保持養護齡期相同的條件下，水灰比越小，海砂混凝土的抗壓強度相對于普通混凝土的抗壓強度增幅越大。

圖2 不同養護齡期下混凝土抗壓強度隨水灰比的變化曲線

4 結論

綜合上述試抗壓強度試驗結果可以看出，不管是海砂混凝土還是普通混凝土，水灰比和養護齡期都是影響其抗壓強度的關鍵因素。混凝土在較小的水灰比和較大的養護齡期條件下總是呈現較大的抗壓強度。此外，海砂混凝土的抗壓強度普遍高于相應的普通混凝土的抗壓強度，說明海砂可以在一定程度上激發混凝土的水化反應，進而提高其抗壓強度。如果單純以抗壓強度作為評價指標，不考慮海砂攜帶的氯離子和硫酸根離子等腐蝕性離子對混凝土內部鋼筋的侵蝕效應，在天然河砂資源日益枯竭的形勢下，可以采用海砂混凝土用于海岸或島礁等區域的素混凝土結構工程的建設。