海砂超高性能混凝土試驗

韋建剛 陳榮 黃偉 卞學海 麻秀星

摘要：采用未淡化的海砂制備超高性能混凝土（UHPC）和普通混凝土，研究了不同氯離子含量的海砂對UHPC抗壓強度、孔結構、快速氯離子滲透性以及內置鋼筋耐久性的影響，并與普通混凝土進行分析比較。結果表明，海砂中的氯離子含量對UHPC抗壓強度并不會產生較大的消極影響；海砂UHPC的臨界孔半徑約為2 nm，與海砂普通混凝土不同，孔隙率隨海砂中氯含量的增加而增加；即使海砂氯離子含量高達0.636%，海砂UHPC的氯離子滲透性仍可忽略不計；海砂UHPC中鋼筋在28 d后處于鈍化狀態并趨于穩定。

關鍵詞：海砂；超高性能混凝土；抗壓強度；孔結構；耐久性

中圖分類號：TU375????????? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1000-582X（2024）02-014-08

Experimental study on sea-sand ultra-high performance concrete

WEI Jiangang1，2， CHEN Rong1， HUANG Wei1，3， BIAN Xuehai1， MA Xiuxing3

（1. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350116， P. R. China; 2. College of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， P. R. China; 3. Lets Holding Group Co.， Ltd.， Xiamen 361004， Fujian， P. R. China）

Abstract： In this paper， ultra-high performance concrete（UHPC） and ordinary concrete are prepared using undesalted sea-sand. The impact of sea-sand with varying chloride ion levels on the compressive strength， pore structure and durability of steel embedded in UHPC is investigated and compared with that of conventional concrete. The results show that the chloride ion content in sea-sand does not significantly negatively affect the compressive strength of UHPC. The critical pore radius of UHPC made with sea-sand is approximately 2 nm. Different from sea sand concrete， the porosity of sea-sand UHPC increases with the increase of chlorine content in sea-sand. Even when the chloride ion content in the sea sand is as high as 0.636%， the chloride ion permeability of the sea-sand UHPC remains negligible. The reinforcement in sea-sand UHPC is in a passive state and tends to stabilize after 28 days.

Keywords： sea-sand; ultra-high performance concrete; compressive strength; pore structure; durability

近年來，大量的重大基礎項目集中在我國東部沿海城市，但是大部分沿海地區長期缺乏河砂資源，利用儲量豐富的海砂資源已成為解決沿海及島嶼地區建設用砂短缺問題的有效措施。然而，未充分淡化的海砂會引起鋼筋混凝土銹蝕開裂，甚至發生工程事故，如我國東部沿海城市發生的“海砂屋”坍塌事故[1?2]。因此，采用海砂制備普通混凝土前應進行嚴格的淡化處理。傳統的處理方法包括天然灘涂法、海水淡化法、機械法、混合法、防銹劑法等[3]。由于島嶼環境條件惡劣，加上淡化技術復雜且成本高，無法滿足快速建設島嶼基礎設施的需求。超高性能混凝土（UHPC）是一種新型水泥基工程材料，具有超高的強度和優異的耐久性[4?5]；除了內部缺乏游離毛細水外，UHPC具有非常致密的微觀結構和極強的抗滲性能[6?7]，外部的水分、有害離子和氧氣難以滲透到UHPC內部。研究表明，UHPC具有優異的耐久性，可以有效地應用于惡劣的海洋環境中[8]。這也為直接利用未淡化海砂配制UHPC技術提供了可行性。文中采用未淡化海砂制備UHPC，研究不同氯離子含量的海砂對UHPC抗壓強度、孔結構、氯離子快速滲透性及內置鋼筋耐久性的影響，制備相應的海砂普通混凝土（強度等級C40）進行對比分析。

1 試驗

1.1 原材料

試驗主要原料有：PO 42.5R硅酸鹽水泥（煉石有限公司），硅灰（西寧有限公司0.1～0.2 μm，SiO2≥90%），石英粉（<0.05 mm）和碎石（5～20 mm）。聚羧酸型高效減水劑（福州創業工程材料有限公司）的減水率為25%。試驗用砂包括以下5種：閩江河砂、2種天然海砂（氯離子含量分別為0.035%和0.077%）以及用氯鹽溶液浸泡閩江河砂所制備的2組高濃度模擬海砂（氯離子含量分別為0.328%和0.636%）。砂的性能指標如表1所示，砂的粒徑分布如圖1所示。普通混凝土和UHPC的配合比如表2所示。值得注意的是，為消除鋼纖維對快速氯離子滲透試驗的影響，UHPC中不摻入鋼纖維。

1.2 試件制備與養護

試件成型：將骨料、水泥、硅灰按照配合比稱量，依次倒入攪拌機中，干拌3～4 min；隨后將減水劑與水一同混合并倒入攪拌機中，攪拌4 min；最后，將攪拌完成的UHPC拌合物澆注在試模中。

試件養護：為了與UHPC養護條件一致，普通混凝土和UHPC試件均在24 h脫模后進行90 ℃蒸汽養護，3 d后放置標準養護室直至測試。

1.3 試驗方法

1）立方體抗壓強度試驗。試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在齡期7 d和28 d時，對試塊進行抗壓強度試驗，加載速率為1.5 kN/s，平均值基于3%試驗結果計算。

2）孔結構試驗。在AutoPore Master-60型全自動壓汞儀上采用壓汞孔隙率測定法（MIP）進行孔結構分析，加壓能力為350 MPa。到28 d時，使用精密切割機從立方體上切下尺寸為3 mm的小塊樣品。其中，用于MIP測試的普通混凝土樣品中的粗骨料已被剔除。樣品浸入乙醇至少7 d停止水化，并在烘箱中用50 ℃干燥3 d。

3）快速氯離子滲透試驗。滲透性能測試試件采用直徑100 mm，高度50 mm的圓柱體，在20 ℃下密封固化。主要實驗步驟參考美國ASTM C1202-12標準[9]。陰極及陽極電解液分別為3%質量溶度的NaCl溶液和0.3 mol/L NaOH溶液，通電時間為6 h。

4）鋼筋電化學測試。線性極化法是一種評價普混凝土中鋼筋銹蝕快速且有效的方法，試驗采用該方法比較普通混凝土和UHPC中鋼筋銹蝕行為[13]。如圖2所示，將普通碳鋼棒和不銹鋼棒（8 mm×120 mm）埋入尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的混凝土試塊中。飽和CuSO4溶液作為參比電極與工作電極和輔助電極相連，鋼筋暴露部分用環氧樹脂密封。在蒸汽養護結束后開始測試并記錄鋼筋的腐蝕電流密度以評估其銹蝕程度，如圖3所示。

圖3中Ecorr為腐蝕電位；lgic為腐蝕電流密度Icorr的對數值；ba和bc分別代表鋼筋極化時陽極和陰極的Tafel斜率，根據Stern-Geary方程計算Icorr，如式（1）所示[10]：

I_corr=（2.303（b_a+b_c）R_p）/（b_a b_c ） ， （1）

式中，Icoor為鋼筋的腐蝕電流密度，μA/ cm2; ba為陽極Tafel斜率，mV; bc為是陰極Tafel斜率，mV; Rp為極化電阻，即依靠電化學工作站測得的微電壓和電流之比，Ω/ cm2。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

海砂普通混凝土和海砂UHPC的7 d和28 d抗壓強度如圖4所示。可以看出，河砂和海砂1制備的同等級混凝土無論是7 d還是28 d抗壓強度幾乎沒有差別，而海砂2制備的普通混凝土和UHPC抗壓強度均高于其他組，28 d抗壓強度相比河砂組分別提高了4%和13%。主要原因是河砂和海砂1的粒徑分布相似，而海砂2有更合理的粒徑分布（如圖1所示），合理的骨料級配有利于實現更高的抗壓強度[11]。此外，模擬海砂制備的普通混凝土和UHPC 的7 d抗壓強度相比河砂組略有提升（在7%和6%以內），試件的抗壓強度隨著海砂中氯離子含量的增加而增加。這主要是由于氯離子加速水泥水化，在文獻[12?13]中也有類似的結果。然而，在28 d時氯離子不再起促進作用，模擬海砂組的抗壓強度略低于河砂組（在5%和4%以內）。Grirish等[14]發現在水化過程中形成的CaCl2會轉變為粉末狀，失去強度，導致混凝土在后期的抗壓強度下降。

2.2 孔結構

圖5對比了28 d齡期海砂普通混凝土和海砂UHPC的孔結構特征。對于臨界孔徑，即孔徑尺寸分布曲線上的最高峰對應的孔徑尺寸范圍，如圖5（a）所示，用天然海砂制備的普通混凝土具有與河砂對照組相似的孔徑范圍，僅是主峰的峰值減少。而采用模擬海砂制備的普通混凝土的臨界孔徑轉變到較小的孔徑范圍（10 nm左右），并且峰值的大小隨著氯含量的增加而降低。與此同時，海砂1制備的普通混凝土與河砂組相比其孔隙率更高，而海砂2則更低，如圖5（b）所示，這與抗壓強度試驗結果相對應。對于模擬海砂組中的孔隙率顯著降低，主要歸因于Friedel鹽的形成填充了普通混凝土的大孔。由圖5（c）可以看出，所有UHPC的孔徑分布沒有明顯差異，大多數臨界孔徑接近于2 nm，這是MIP所能測試到的最小孔徑；其中，模擬海砂2（氯離子含量最高）制備的UHPC具有最大的臨界孔徑。由圖5（d）可以看出，海砂2制備的UHPC孔隙率最低，這與其抗壓強度相對應。與普通混凝土相反，模擬海砂UHPC的孔隙率隨氯化物含量的增加而增加，這可能是由于模擬海砂濃度較高，UHPC的致密微觀結構難以填充更多的晶體鹽，導致UHPC微結構中出現一些細微的孔隙和裂縫。

2.3 快速氯離子滲透試驗結果

圖6為普通混凝土和UHPC的7 d和28 d電通量試驗結果。參考ASTM C1202的標準，將圖中的背景分類為5個區域，使其更加直觀地評價試件抗氯離子滲透性能。各區域對應的滲透等級分別為高（＞4 000 ℃）、中（2 000～4 000 ℃）、低（1 000～2 000 ℃）、很低（100～1 000 ℃）以及忽略水平（＜100 ℃）。可以看出，除了海砂2組，其余試件的電通量都隨著氯化物含量的增加而增加，這歸因于砂中包含的氯鹽能夠有助于電荷的傳導。圖6（a）可以看出，海砂普通混凝土7 d的氯離子滲透性處于“中等到高”的范圍，雖然，28 d時電通量有所降低，但除了對照組的普通混凝土具有低滲透性外，其余試件仍處在“中等到高”水平。

從圖6（b）可以明顯看出，7 d和28 d UHPC的氯離子滲透水平均處在忽略不計的范圍。即使模擬海砂中的氯離子含量高達0.636%，其電通量值也低于100 C。除了用海砂2制備的UHPC外，UHPC的孔隙率皆隨著海砂氯離子含量的增加而增加，如圖5（d）所示，然而，電通量反應出的UHPC氯離子滲透性仍然處于忽略不計的滲透的范圍，這主要歸因于UHPC中顯著缺乏自由水[15?16]。

2.4 鋼筋的電化學測試

由于難以直接測量UHPC中分布不連續的鋼纖維的銹蝕情況，文中僅評估了UHPC中鋼筋的銹蝕行為。分別在1 d、4 d、7 d、28 d、56 d和80 d通過線性極化法獲得Tafel極化曲線，其中，1 d和28 d的測試曲線如圖7所示。可以看出，隨著海砂氯離子含量的增長，鋼筋的腐蝕電位越低，腐蝕電流密度越高。與海砂普通混凝

土相比，隨著齡期的增長，海砂UHPC中鋼筋的腐蝕電位（腐蝕電流密度）正向移動（降低）的幅值更大，在28 d時基本處于普通河砂UHPC中鋼筋的鈍化狀態。這是因為UHPC致密的微觀結構以及內部缺乏腐蝕必要的水和氧氣，從而使鋼筋表面陽極的腐蝕氧化反應和陰極的腐蝕還原反應難以進行。

圖8為普通混凝土和UHPC中鋼筋腐蝕電流密度隨齡期的變化。將腐蝕速率分為4個銹蝕風險區域評估鋼筋的耐腐蝕性[17]。可以看出，普通混凝土和UHPC中的鋼筋腐蝕電流密度隨著水化時間的延長而降低，隨著氯離子含量的增加而增加。由圖8（a）可以看出，海砂普通混凝土中鋼筋早期的腐蝕電流密度均超過1 μA/cm2，意味著鋼筋均處于快速銹蝕階段。隨著齡期的增長，鋼筋銹蝕速率雖有所降低，但仍處于高銹蝕速率范圍。而對于海砂UHPC，如圖8（b）所示，僅模擬海砂2中鋼筋的早期腐蝕電流密度略高于0.1 μA/cm2，在28 d所有鋼筋均處于鈍化狀態并在后期趨于平穩。值得一提的是，海砂2的氯離子含量雖然較高，但其鋼筋腐蝕電流密度卻低于與海砂1組，這歸因于海砂2試件更低的孔隙氯，更致密的微觀結構所含的氧氣和水分含量相對更少。總的來說，以海砂作為氯化物來源，UHPC表現出優異的護筋能力。

3 結? 論

文中研究了海砂對UHPC和普通混凝土的抗壓強度、孔結構、氯離子滲透性能及內置鋼筋銹蝕的影響。基于實驗結果，可以得出以下結論。

1）級配優異的海砂有利于提升混凝土抗壓強度；在不考慮級配的影響下，海砂UHPC的7 d抗壓強度與普通UHPC相比有所提高（在6%以內），但28 d抗壓強度有所下降（在4%以內），表明海砂中的氯鹽對混凝土抗壓強度并不會產生較大的消極影響。

2）海砂UHPC的臨界孔徑在2 nm左右。海砂普通混凝土的孔隙率隨著氯離子含量增大而減小，而海砂UHPC反之。前者主要是由于Friedel鹽的填充作用，后者則可能是由于UHPC的致密微觀結構難以填充更多的晶體鹽，導致UHPC微結構中出現一些細微的孔隙。

3）海砂UHPC相比海砂普通混凝土具有更優異的抗氯離子滲透性能，滲透性處于忽略不計水平。由于砂中氯鹽的電荷傳導作用，通過海砂普通混凝土和海砂UHPC的電通量隨著氯離子含量的增加而增加，抗氯離子滲透性能隨齡期增長而提高。

4）海砂普通混凝土和海砂UHPC中的鋼筋腐蝕電流密度隨著齡期增長而降低，隨著氯離子含量的增加而增加。海砂普通混凝土中的鋼筋在120 d內均處于快速銹蝕范圍，而海砂UHPC中的鋼筋在28 d后均處于鈍化狀態，且趨于平穩。

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（編輯? 陳移峰）