海水海砂混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

摘要：為研究海水海砂混凝土的力學(xué)性能，基于山東、福建、廣西3地的原狀海砂與長沙河砂的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了對比研究。試驗(yàn)對比了4個(gè)地區(qū)砂粒的礦物組成、細(xì)度模數(shù)及壓碎值，不同地方的上述3個(gè)指標(biāo)基本一致。分別采用不同地區(qū)的砂粒配置了C30、C40及C50混凝土試塊，分析了不同砂樣制作的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度之間的差異性。

關(guān)鍵詞：海水海砂；混凝土；抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度

0" "引言

與傳統(tǒng)的河砂相比，海砂的力學(xué)性能與河砂存在顯著不同，如壓碎值、表面紋理及級配情況。與傳統(tǒng)混凝土相比，海水海砂混凝土的界面黏結(jié)性能、孔隙率、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度存在顯著差異[1]。研究表明，海水海砂混凝土的早期抗壓強(qiáng)度比傳統(tǒng)混凝土要強(qiáng)[2-4]；耿健智等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究表明，海水海砂配置的混凝土?xí)璧K混凝土后期力學(xué)性能的發(fā)展；蔡哲棟等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究表明，海水海砂混凝土的后期強(qiáng)度與傳統(tǒng)混凝土基本一致，甚至略高。Kaushik[7]研究表明，海水中大量存在的Cl-和SO42-離子，會對混凝土的早期強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。

綜上所述，海砂的物理力學(xué)性質(zhì)是造成混凝土強(qiáng)度不同的主要原因。然而既有研究未對兩類混凝土的宏觀力學(xué)性能差異做出統(tǒng)一結(jié)論。鑒于此，本文對3個(gè)不同地區(qū)的海砂海水配置的混凝土與長沙河砂淡水配置的混凝土進(jìn)行對比研究，重點(diǎn)關(guān)注混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

1" "試驗(yàn)材料與基本參數(shù)

主要試驗(yàn)材料包括：普通硅酸鹽水泥、粗骨料、細(xì)骨料，以及混凝土配制所需要的淡水和海水，細(xì)骨料主要采用長沙河砂、山東海砂、福建海砂和廣西海砂。測得各種材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1至表3。按照規(guī)范[8]要求分別采用河砂和3種海砂配置的C30、C40、C50三種強(qiáng)度等級的混凝土試樣，除長沙河砂采用淡水配置混凝土外，其他3種均采用海水配置。詳細(xì)配合比見表4。

根據(jù)砂的種類和強(qiáng)度等級，試件共12組，每組試件包含C30、C40、C50立方體（100mm×100mm×100mm）試塊各10個(gè)，100mm×100mm×300mm的長方體試樣各2個(gè)，100mm×100mm×400mm的長方體試樣1個(gè)，合計(jì)468個(gè)混凝土試塊。其中3d、7d、28d、56d、90d、180d和360d養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以及28d、90d和360d養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，采用100mm×100mm×100mm的立方體試樣獲取。28d養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量采用100mm×100mm×300mm的長方體試樣獲取。28d養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土抗彎強(qiáng)度采用100mm×100mm×400mm的長方體試樣獲取。

2" "試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" " 砂樣物理和化學(xué)性能

不同細(xì)骨料的級配曲線及電子顯微鏡掃描照片見圖1和圖2。4種細(xì)骨料均屬于級配連續(xù)的中砂，其中福建海砂樣的顆粒最細(xì)。圖3為不同砂樣的XRD測試結(jié)果，由圖3看出，各種砂樣均表現(xiàn)出較強(qiáng)的石英特征峰值點(diǎn)，且結(jié)晶度比較好。同時(shí)在XRD圖中觀察到明顯的長石特征峰值點(diǎn)，這與Magdalena[4]的觀察一致。

不同海砂樣品中氯離子、貝殼含量及含泥量見表5。由表5可知，氯離子含量介于0.013%·0.09%之間，其中廣西海砂的氯離子含量最高，達(dá)到0.09%，比《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ52-2006中0.06%的上限值略大。各海砂試樣的硫硫酸根離子含量差別不大，且均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。與河砂相比，海砂的含泥量均比較大，但滿足規(guī)范要求的上限值。海砂有機(jī)物含量介于0.8%%～1.0%，河砂僅為0.4%。

根據(jù)電能譜和EDS掃描的海砂表面化學(xué)組份可知，河砂和三種海砂的硅含量占比分別為80%、77%、83%和80%。砂樣中不存在鈣離子，但3種海砂中鈣離子峰分布比較均勻。不同的海砂樣中鈉離子和氯離子含量存在明顯差異，均出現(xiàn)廣西海砂試樣中的氯化鈉結(jié)晶物。鹽類在干濕循環(huán)的環(huán)境中非常容易發(fā)生脹縮，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂。3種海砂樣中鋁離子含量介于6.5%～9.6%，較河砂的17.5%低得多。河砂樣中未發(fā)現(xiàn)硫離子，而海砂樣中均存在不同比例的硫離子。

2.2" " 混凝土塌落度

不同等級不同砂樣制成的混凝土塌落度試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，對于相同強(qiáng)度等級的混凝土塌落度，海砂混凝土塌落度均低于河砂混凝土，最大差值達(dá)到約41mm；其中貝殼含量較高的福建海砂和廣西海砂混凝土塌落度最小；不同海砂制成的相同混凝土強(qiáng)度等級的塌落度最大差值可達(dá)13mm。分析認(rèn)為，海砂中的不規(guī)則貝殼物質(zhì)增加了混凝土基體之間的摩擦力，從而限制了混凝土的流動(dòng)性。

2.3" " 混凝土力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值見圖4。由圖4可知，3種海水和海砂混凝土的早期強(qiáng)度均大于河砂混凝土的早期強(qiáng)度，且在前7d養(yǎng)護(hù)時(shí)間提升最為明顯。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d時(shí)，海水海砂混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土提高11%～29%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d時(shí)，海水海砂的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度與河砂混凝土強(qiáng)度趨于一致，彈性模量也基本相同；在養(yǎng)護(hù)期為90d、180d和360d時(shí)，河砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均大于海水海砂混凝土強(qiáng)度。

海水海砂的使用，會顯著提高混凝土的轉(zhuǎn)換系數(shù)（軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的比值稱為轉(zhuǎn)換系數(shù)），其中C30、C40以及C50強(qiáng)度的河砂混凝土轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.70、0.73和0.76，而海水海砂的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.75～0.86。

混凝土不同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果見圖5。由圖5可知，28d海水海砂制混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比河砂制混凝土高5%～17%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為90d時(shí)，強(qiáng)度等級為C50的海水海砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比河砂制混凝土高6%～9%，而C30、C40強(qiáng)度等級的海水海砂混凝土與河砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度相差4%以內(nèi)。各齡期中，廣西砂混凝土的抗拉強(qiáng)度最低，且強(qiáng)度差異隨齡期增長而減小，當(dāng)齡期為360d時(shí)，同強(qiáng)度等級混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度差值控制在5%內(nèi)。

研究表明，海水海砂混凝土早期強(qiáng)度的快速增長，主要是由于海水海砂中含氯離子的鹽類加速水泥中C3A等物質(zhì)溶解，促使水化產(chǎn)物生成，從而顯著提高了混凝土密實(shí)度和混凝土早期強(qiáng)度。但隨著齡期增長（28d），海水海砂混凝土強(qiáng)度低于常規(guī)河砂混凝土的主要原因有兩方面：一方面是氯離子和硫酸根離子的交互作用導(dǎo)致F鹽分解，同時(shí)硫酸根離子置換出F鹽中的氯離子，進(jìn)一步破壞了F鹽的穩(wěn)定性；另一方面是氯離子和硫酸根離子具有侵蝕型，在混凝土內(nèi)部結(jié)晶產(chǎn)生結(jié)晶壓力，劣化了混凝土結(jié)構(gòu)。

不同強(qiáng)度等級下的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及抗彎強(qiáng)度見圖6，其中A、B和C分別代表C30、C40和C50強(qiáng)度等級。由圖6可知，28d齡期的混凝土海水海砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及抗彎強(qiáng)度比河砂混凝土的指標(biāo)略大，其中軸心抗壓強(qiáng)度最大相對誤差為54%，彈性模量最大相對誤差為21.8%，抗彎強(qiáng)度最大相對誤差為37.5%。根據(jù)前文的分析，28d齡期之前海水海砂混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于普通河砂混凝土，但是隨著齡期的增長，兩者的差異性越來越小。

3" "結(jié)論

為研究海水海砂混凝土的力學(xué)性能，本文基于山東、福建、廣西3地的原狀海砂與長沙河砂的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了對比研究。選取的3個(gè)地區(qū)的海砂礦物成分主要包括石英和長石兩種，其力學(xué)指標(biāo)如細(xì)度模數(shù)和壓碎值與河砂基本一致，但不同地區(qū)的海砂在氯離子含量方面差別較大，這會導(dǎo)致對應(yīng)制作的混凝土強(qiáng)度差異。海水和海砂可以顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度，且在前7d養(yǎng)護(hù)時(shí)間提升最為明顯。其中在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d時(shí)，海水海砂混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土提高11%～29%，但受到氯離子和硫酸根離子的不利影響，海水海砂混凝土超過28d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯小于河砂制混凝土。當(dāng)齡期為360d時(shí)，兩類混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度差異控制在5%內(nèi)。

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