海水海砂對水泥基材料的性能影響分析

林培軒，胡苗

（浙江安防職業技術學院,浙江 溫州 325016）

0 引言

傳統的混凝土制作中，需要的河砂、淡水比較多，且隨著我國多地河道泥沙資源枯竭、淡水資源緊張問題加劇，這種混凝土生產應用模式已經和現階段的工程建設需要不相適應了，研究新型混凝土成為必要。目前海洋資源開發利用率不斷提升，相對河砂來看，海砂含泥量更低，級配較高，可以作為河砂的替代原料進行混凝土生產。我國的海岸線資源豐富，這也意味著我國的海砂資源豐富，將海砂、海水應用到建筑工程中，可以有效解決現階段我國淡水和河砂資源緊缺的問題。當然，海水海砂中也存在很多的氯鹽及其他有害物質，這些物質也會對海水海砂水泥基材料性能產生不利影響，導致其力學性能不穩定，最終會導致其結構安全受到影響。要促進海水海砂在新型混凝土制備中的有效應用，必須排除不良因素影響。

1 海水海砂混凝土研究進程

目前，環太平洋地區海水海砂在混凝土建筑工程中已經實現了應用。不過就海水海砂對于建筑工程的影響研究相對不足。針對一些環島國家，學者們進行了關于海砂混凝土的相關研究。伍鎮凱[1]等人在海砂混凝土整體養護的研究中發現，海砂混凝土在澆筑中，其強度增速非?？?，尤其是在混凝土澆筑的早期，這種強度增速更為突出，相關研究表明通過海砂制作混凝土可以滿足工程結構強度要求，能夠應用到工程建設中。

在眾多研究實踐中，美國對于海砂混凝土研究最早，二戰后，美國在西太平洋的多個島嶼中開展了基于海砂的混凝土制備研究，并嘗試在一些大型的橋梁、機場、道路建設中應用這類新型混凝土，并展開了對于海砂混凝土強度、抗拉性以及耐久性等指標的實驗探究。研究指出，海砂混凝土耐久性的影響因素包含三方面，一是海砂中的成分研究，重點突出氯離子及其在混凝土中應用的價值；一是探究預制鋼筋混凝土保護層厚度；一是對混凝土建筑結構裂縫問題進行分析。部分學者對太平洋的海砂混凝土建筑物開展的實地調研中發現，海砂混凝土的整體強度和結構性能穩定性能夠滿足建筑工程的基本需要。

李彪宗[2]等人在對比試驗研究中得出，使用海水制作混凝土，得到的混凝土在前期具有很好的抗壓強度，這種抗壓強度要比一般河砂混凝土更高，不過到后期，海水混凝土的這一性能有一定的下降趨勢，甚至要比河砂混凝土更低。在正常溫度環境中，海水混凝土前后期強度要比河砂混凝土低。

達波[3]在實驗分析中對于國內的部分島嶼省份進行了海砂混凝土研究分析，提出海砂混凝土存在表皮剝落、鋼筋腐蝕、內部鋼筋外露、混凝土脹裂、結構坍塌等。研究指出促進海砂混凝土抗滲性能提升，做好混凝土結構外層保護，提升其密實性，可以有效阻止無機鹽進入結構內部，從而實現混凝土強度和使用耐久性提升。余強[4]在對我國部分島礁海砂建筑工程的實驗分析中，針對混凝土建筑的一些突出問題開展案例研究，指出海水中因為含有大量無機鹽離子，所以對于建筑結構會產生一定腐蝕性。在長時間高溫環境下，受到海浪沖刷的區域混凝土破損嚴重，常常出現結構強度降低、開裂等問題。

廖橋[5]等人使用海水海砂來制備水泥基材料，研究將河砂混凝土和海水海砂混凝土進行對比，發現兩者最大的不同是海水海砂混凝土中包含有大量的無機鹽離子，這是導致水泥鈣化的最主要原因，嚴重影響混凝土的結構性能，降低混凝土的致密性以及抗壓性，進而造成水泥的強度降低，相關建筑體的抗滲性能也被削弱。

綜上所述，探索和海洋復雜環境以及環境建筑材料相適應的建筑材料應用技術是十分必要的，通過開發海水、海砂資源異常豐富，可以彌補河砂資源枯竭的問題，以此為原料制作混凝土，進行工程建設，對于相關建筑工程成本控制和工作效率提升都有積極作用，還能在一定程度上提升建筑結構穩定性和耐久性。

2 海水海砂對水泥基材料性能影響

2.1 抗壓強度

混凝土抗壓強度指標影響其使用性能，也會影響相關工程的施工建筑質量。通過海水海砂替代河水河砂作為混凝土的配制原料，也需要關注抗壓強度問題。近年來，我國部分學者通過實驗研究，對于海水海砂材料抗壓強度進行了實驗分析，發現這種新型材料在混凝土制備中應用優勢眾多，能夠有效促進混凝土的早期抗壓強度提升。劉軍[6]通過研究發現出現該現象主要是因為海水海砂中無機鹽成分眾多，這些成分主要是以氯離子的形式存在，這些物質在水泥水解后，會發生一定的鈣化現象；而相對于淡水制備而言，將C-S-H 凝膠應用到海水混凝土制備中，能夠大大增強建筑結構的混凝土致密性，這些操作對于水泥基材料抗壓強度提升都是有益的。

從研究來看，海水海砂中還包含大量的鹽結晶和貝殼等物質，這些物質可以在一定程度上阻止水泥水化進程，此時的海水海砂混凝土早期抗壓強不如一般混凝土，整體抗壓強度下降幅度大，接近20%。如表1，為伍鎮凱的實驗數據，顯示了在不優化配合比、加入相關添加劑的情況下，海水海砂混凝土早期抗壓強度弱于普通混凝土，但后期差異不大。

表1 抗壓強度測試結果（MPa）

此外，梅軍帥[7]等人的研究還發現，水泥品種以及摻合料兩方面因素也會對海水海砂混凝土的力學性能帶來直接影響，實驗發現，通過常規硅酸鹽水泥使用，在混凝土配制中摻入粉煤灰、粒化高爐礦渣等物質，再加入適量的高摻量鋼纖維制備的海水海砂混凝土強度提升顯著，整體提升幅度約為20%左右。通過對配比進行優化，海水海砂混凝土抗壓性能才能實現提升，不考慮這些物質對于鋼筋材料的腐蝕作用，可以將其推廣應用到高性能混凝土制備中。

2.2 抗拉強度

對于海水海砂混凝土抗拉強度的研究也比較多，學者們關注從海水海砂對混凝土抗拉強度的不利影響方面進行實驗分析，但是也有部分研究認為海水海砂對于混凝土抗拉強度有積極作用。如表2，周玲珠[8]等人通過試驗發現海水海砂混凝土劈拉強度相對于同等級普通混凝土的劈拉強度有一些提升作用，隨著混凝土強度等級的持續增加，海水海砂混凝土劈拉強度呈現不斷下降的態勢。該實驗還發現，相對于一般的混凝土而言，海水海砂混凝土劈裂抗拉強度是不夠的，而相對于同等級混凝土，其降低的幅度約為4%～12%，試驗還發現，通過在混凝土中摻入鋼纖維，可以讓其整體抗拉強度顯著提升。

表2 抗拉強度測試結果（MPa）

2.3 抗折強度

海水海砂抗折強度也是其水泥基材料的重要性能之一，更是研究海水海砂混凝土中必須探索的一方面內容。綜合相關研究成果來看，海水海砂抗折強度要比常規混凝土低一些。李林[9]的研究指出，海水海砂混凝土抗折強度和溫度之間關系密切，如表3 所示，通過正常養護操作，在不同齡期，海水海砂混凝土的抗折強度并不高，比一般的混凝土更低，而通過應用熱水養護海水海砂混凝土，其28d 抗折強度能大幅提升，與普通混凝土抗壓強度差異不大。因此可以看出，通過提高養護溫度，能夠有效改善海水海砂混凝土抗折強度。此外，研究還發現，通過在制備過程中添加一定量的纖維，可以促進混凝土的抗折強度不斷增強。李瑩[10]在研究中發現，在制備過程中添加0.3%PVA 纖維的海水海砂混凝土抗折強度提升幅度明顯，但是如果這個摻量過高，則會讓海水海砂混凝土抗折強度降低，這可能是因為纖維不均勻分散帶來的影響。因此，在施工過程中，應該對于通養護條件不斷強化管理，并對纖維產量做好控制，這是目前增強海水海砂混凝土性能的關鍵步驟。在具體的工程實踐中，相對于改善養護條件，進行纖維摻入效果更好。

表3 抗折強度測試結果（MPa）

2.4 單軸受壓應力—應變關系

海水海砂混凝土的單軸受壓應力——應變關系可以為混凝土結構承載力以及變形提供有效支持。蔣江波[11]在研究中，對海砂混凝土單軸受壓應力——應變全曲線進行試驗，研究海砂取代率對其影響，發現總體海砂混凝土應力——應變曲線和普通混凝土十分類似，不過在一些特征參數上還是存在差異的。在相同的取代率下，海水海砂混凝土峰值應力要比淡水海砂混凝土峰值應力高10%～25%，峰值應變增加幅度在6%-10%范圍內，海水海砂混凝土峰值應變要比淡水河砂混凝土高，該研究還指出海水海砂在水化反應中生成的鹽會將水泥漿孔隙填充，可以降低混凝土形變問題出現概率和程度。研究還得出，在不同海砂種類、拌合以及養護用水類型進行對比分析中，研究這些因素對于超高性能海水海砂混凝土應力——應變曲線帶來的影響，發現海水海砂在水泥基材料中使用，制備混凝土，能夠讓混凝土的彈性模量不斷降低，其軸向以及環向峰值能夠因此得到提升。

2.5 延性和耗能

海水海砂以及珊瑚骨料的使用會導致混凝土的脆性變大，相應延性和耗能相對于河水河砂混凝土高一些。陳宗平[12]等人使用硅酸鹽水泥進行混凝土耗能試驗，主要包含油耗、電耗、水耗等方面，試驗表明各類海水海砂混凝土的每項耗能均比河水河沙混凝土的能耗大，如表4 為不同材料混凝土的平均綜合耗能情況，表明使用不同海砂會使海水海砂混凝土有不同的綜合耗能情況，但均要略高于淡水河沙混凝土的綜合能耗。

表4 不同混凝土平均綜合耗能

周世杰[13]對改性海水海砂珊瑚混凝土進行了實驗研究，得出，條件不同的情況下，海水海砂混凝土耗能和延性也有很大不同。首先，對混凝土延性會產生影響的因素中，水泥種類選擇是關鍵要素，為了滿足混凝土的性能要求，可以考慮在混凝土制備中使用低堿度硫鋁酸鹽水泥的海水海砂珊瑚混凝土。此外，使用粉煤灰以及高爐礦渣充當摻和料加入其中，取代傳統水泥，會對海水海砂混凝土延性產生不利影響。而通過在制備中添加一定量的聚丙烯纖維、不銹鋼纖維，可以讓海水海砂混凝土的延性顯著提升。這里高摻量的不銹鋼纖維混凝土延效能感提升比例約為27%。究其原因，是由于亂向分布的纖維可以阻礙混凝土的微裂情況發生，促進材料界面過渡區性能得以改善，從而有效抑制建筑整體裂縫產生問題發生概率，最終提升混凝土力學性能。所以在研究海水海砂混凝土延性的過程中，可以選擇單摻或是復摻纖維的方法，來提升混凝土性能，促進整體混凝土應用效益提升。

2.6 耐久性

海砂在混凝土中的應用，一方面替代了日益稀缺的河砂資源，可以擴大混凝土細骨料的使用范圍；另一方面，在混凝土中加入海砂也會帶來一些問題。影響混凝土的某些性能，特別是海砂中的氯離子會引起鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕，從而影響結構的使用。有科學家證明，在混凝土中加入不同量的海砂，會導致鋼筋腐蝕，破壞混凝土結構，降低混凝土結構的耐久性。一些科學家還表明，影響混凝土結構使用壽命的主要因素是海沙攜帶的氯離子。本試驗著重研究了使用不同摻量（從0～576kg/m3）海砂，攜帶不同氯離子含量（0～0.7048kg/m3）后混凝土的強度發展、碳化性能、抗氯離子擴散性能、抗鋼筋銹蝕能力以及采取的阻銹措施。

根據對某地下水及土壤中硫酸根離子濃度調查結果顯示，烏魯木齊市 40% 以上的地下水，30% 以上的土壤為嚴重侵蝕等級環境，因此，有必要對主要建筑材料——水泥基材料在鹽浸蝕條件下的耐久性能進行系統研究。采用聚羧酸高效減水劑，固含量 25%，減水率不小于 35%。砂 ：常用Ⅱ級中砂，細度模數 2.6。參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》（GB/T749-2008）中“浸泡抗蝕性能試驗方法”（K 法），制作尺寸為10mm×10mm×60mm 的水泥膠砂試件。當硫酸根離子濃度為1000mg/L 和2500mg/L 的鹽浸蝕條件下，水膠比為 0.45 和0.40的水泥膠砂試件表現出比水膠比為0.35 的膠砂試件更好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

綜合相關實驗研究結果來看，海砂混凝土的鋼筋銹蝕失重率隨著海砂摻量的增加和水膠比的增大而增加。此外，相關研究還表明，阻銹劑的摻入和保護層厚度的增加，可使海砂混凝土的抗鋼筋銹蝕能力有所改善，能夠有效阻止鋼筋銹蝕加快，發揮對鋼筋的保護作用。

3 結語

研究發現海水海砂混凝土與普通河水河砂混凝土在性能方面存在明顯區別，若配合比合理，改善養護條件或摻入粉煤灰、不銹鋼纖維等才能，能使海水海砂混凝土能獲得良好的抗壓、抗拉、抗折、延展性、耗能等性能，因此能夠一定程度取代普通混凝土水泥基材料，緩解現階段我國突出的資源和環境問題。