淡化海砂混凝土力學性能與工作性能試驗研究

肖祁南

（廣州大學土木工程學院）

0 引言

隨著我國社會經濟不斷發展，帶動了沿海城市的經濟發展速度，建筑用砂的需求量不斷提升，我國很多地區已出現河砂大幅度減少的問題，甚至在某些地區已無河砂可用，河砂作為不可再生資源已經逐漸無法滿足我國巨大的建筑生產需求。同時，一旦河砂開采過度，還會出現河床下降從而造成防洪堤受到破壞，影響生態環境的同時還威脅城市居民的安全。目前我國已在一些地區限制甚至禁止河砂的開采。而與河砂相比，海砂具有細度均勻、含泥量低、顆粒形狀好等優勢，有研究表明，可將海砂應用在混凝土細骨料內。我國具有廣闊的淺海和海岸線，其中含有豐富的海砂資源，對于沿海地區，使用海砂代替河砂能夠有效緩解建筑用砂不足的問題，并且海砂有著取用方便、開采環境影響較小、更節能環保的優勢。

近年來，國內外學者對海砂混凝土性能進行了各項研究，并取得不錯的研究成果。蘇卿、陳艾榮等[1]對河砂混凝土和淡化海砂混凝土在硫酸鹽腐蝕溶液中浸泡和浸烘的損傷過程進行研究，發現在同等條件下，河砂混凝土的動彈模損失較相同配合比的淡化海砂混凝土更大，淡化海砂相較于河砂有著更好的耐硫酸鹽腐蝕能力。王晶、倪博文等[2]使用未淡化海砂配制超高性能混凝土，比較研究不同配合比對于海砂超高性能混凝土的力學性能及工作性能的影響，得到了海砂超高性能混凝土的最優性能配比及養護條件。劉斯鳳、孫振平等[3]以海砂作為細骨料制備砂漿研究海砂混凝土中海砂氯離子的含量對其抗氯離子滲透性能的影響，得到不同水膠比對抗氯離子侵蝕的改善作用。黃靚、楊夢等[4]以纖維摻量和再生粗骨料取代率為變化因素，研究了纖維再生海砂混凝土的基本力學性能，并建立了相應的本構關系模型，發現纖維的加入對再生粗骨料海砂混凝土的力學性能有一定的改善作用。

目前國內外文獻上，未有學者對淡化處理后的南海海域海砂進行性能研究，且針對淡化海砂混凝土力學性能和工作性能的研究較少。考慮到不同海域海砂存在差異，本試驗針對南海海域近岸淺海海砂，采用淡化海砂配制了不同參數的混凝土試件，并獲取其性能指標，旨在探討淡化海砂替代河砂作為混凝土細骨料對混凝土力學性能和工作性能產生的影響[5-8]。

1 實驗概況

1.1 實驗材料

實驗材料中有水泥、粉煤灰、礦粉、粗骨料、水、細骨料、外加劑。其中水泥采用華潤牌PII42.5R 級水泥；粉煤灰密度為85㎏/m3；礦粉密度為65㎏/m3；粗骨料為符合國家標準《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）規定的碎石，粒徑在10～35mm 之間，級配為標準連續級配；水為實驗室自來水；細骨料取自南海東經109°22＇20″、北緯21°27′28″岸砂，密度為825㎏/m3，經過淡化處理后氯離子不大于0.03%；外加劑為聚羧酸減水劑。

1.2 配合比設計與試件制作

本次研究主要以淡化海砂代替河砂制作混凝土試塊，配合比以《普通混凝土配合比設計規則》（JGJ55-2011）作為基礎；設計強度從C20 到C45 一共設計15 組配合比，每組制作6 個標準混凝土試件。在進行坍落度測定試驗后，澆筑入150×150×150mm 的立方體試模內，澆筑完成后于室內靜置24h 后脫模，并放入標準養護室在標準條件下養護28d 后進行加載，具體配合比及測試所得抗壓強度和坍落度如表1 所示[9]。

表1 不同摻量材料比例

1.3 加載裝置和加載方法

試件采用液壓式混凝土抗壓強度試驗機進行抗壓強度試驗，最大載荷為2000KN。加載過程中采用連續均勻加荷，加載速度為0.5MPa/s。通過持續加荷直到試件被破壞，取6 個試件測量值的平均值計算淡化海砂混凝土試件的標準抗壓強度。

2 實驗結果和分析

2.1 抗壓強度

通過在加載過程中對淡化海砂混凝土試件的破壞過程進行觀察發現，淡化海砂骨料混凝土試件的破壞過程與普通混凝土有一定相似度。在加載初級階段，試件仍然存在彈性階段，不會出現明顯變化，不會產生任何明顯裂痕；但隨著加載進度不斷深入，試件兩端會逐漸出現裂縫，然后在試件中部會出現與水平方向呈60°的斜向裂縫；隨著荷載的不斷增大，中部裂縫不斷延伸并向兩端發展，同時試件表層混凝土出現脫落；達到峰值荷載后，試件表面出現一條貫穿主裂縫，此時試件發生破壞。通過對試件破壞后斷面的細致觀察發現，粗骨料與水泥漿基體的界面、水泥漿基體內部以及粗骨料中皆出現了裂縫[9]。

圖1 為淡化海砂混凝土的強度與砂率變化趨勢圖。從圖1 可知，在1 到15 號實驗組中，試件的抗壓強度呈現上升趨勢，砂率變化不大，整體略有下降。單從抗壓強度來看，15 號配方具有最好的抗壓效果，與配合比設計目標基本相符合；從淡化海砂砂率來看，1 到15 號實驗組砂率變化不大，總體在0.4～0.45 之間，呈現略微下降趨勢。對各個實驗組的配方進行對比分析可以看出，淡化海砂配合比與河砂混凝土一樣，隨著強度的增高，配合比中的砂率總體呈現降低的趨勢。

圖1 不同組別力學性能和砂率分析圖

2.2 坍落度

坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能，影響混凝土坍落度的因素主要有級配變化、含水量、衡器的稱量偏差、外加劑的用量以及水泥的溫度等。試驗采用坍落擴展度法測試淡化海砂混凝土的工作性能。坍落擴展度法適用于坍落度不小于10mm、骨料最大粒徑不大于40mm 的混凝土拌合物稠度測定。經過本次試驗研究發現，淡化海砂混凝土的坍落度數值與普通河砂混凝土相比無太大變化，淡化海砂用作混凝土細骨料基本不會影響混凝土的工作性能。

在試件坍落度分析圖（圖2）中可以發現，1 到15 號實驗組配合比的坍落度變化不大，總體數值在200 到220 之間，總體浮動僅在10%，基本符合配合比設計目標。由此可以看出，淡化海砂的使用對混凝土的坍落度沒有明顯影響。

圖2 試件坍落度分析圖

3 結論

通過上述數據不難看出，淡化海砂混凝土的破壞過程與普通混凝土的破壞過程較為相似，從加載到破壞的過程中，海砂混凝土表面會逐漸出現貫穿式裂縫，并會產生混凝土脫落的現象。同時，使用《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）設計的海砂混凝土配合比實際強度基本符合設計需求；而在坍落度方面，淡化海砂取代河砂對于普通混凝土坍落度的影響并不明顯，總體數據浮動僅在10%。試驗表明，經過淡化后的海砂能很好地代替河砂，對力學性能和工作性能不會有很大影響。