廣東汕尾地區淡化海砂性能研究

李建濤 陳 航 耿志華

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

海砂經開采淡化后可應用于混凝土中的骨料成分，混凝土骨料按顆粒的直徑可劃分為細骨料與粗骨料兩種，直徑＞4.75mm 一般稱為粗骨料，其性質對混凝土的力學指標有較大的影響。直徑在0.15mm～4.75mm 一般稱為細骨料，其作用主要是填充粗骨料之間的間隙，增加混凝土的密實性能，同時減少粗骨料之間因拌合過程而產生的摩擦，能改善混凝土的和易性和流動能力。

一般開采的海砂直徑小于4.75mm，因此在混凝土中主要充當細骨料的成分，俗稱砂。而由于混凝土對細骨料的各項指標有明確要求，因此該文基于廣東汕尾JH21-09區塊開采的海砂進行淡化后進行各項性能試驗，從而客觀地評價該區域開采出海砂的各項性能指標。其主要包括級配、細度模數、強度以及密度等方面[1]，并與河沙試驗結果進行比對。由于試驗項目眾多，因此該文僅簡略描述試驗過程以及相關的計算公式，具體試驗操作細則可查找相關規范及文獻。

1 工程概況

廣東省汕尾JH21-09 區塊海砂開采礦區位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側海域，海域面積2.3km2，海域使用方式為海砂開采用海，海砂資源儲量4178.1 萬m3，可采資源量3531.65 萬m3。進行淡化處理后，可應用于非承重結構的混凝土中。

2 海砂性能試驗

2.1 顆粒級配與細度模數試驗

細度模數表示不同直徑砂混合后的平均直徑大小，細度模數過大混凝土流動性降低，細度模數過小混凝土容易出現離析和泌水等現象，所以合理細度模數能有效改善混凝土的性能指標。顆粒級配能反應不同直徑砂石的混合情況。直徑大小不一的砂粒進行搭配能有效填充大直徑砂粒間的空隙，因此合理的顆粒級配能使混凝土具有更好的密實度。按相關規范[2]利用篩分法進行淡化后的海砂與河沙的顆粒級配、細度模數試驗，并根據結果進行對比。

2.1.1 試驗步驟

將砂粒進行烘干后取500g 作為樣品，經過不同網口大小的方孔篩網由大到小依次篩分，并稱取各篩網上留下的砂粒質量Gi以及篩底的砂粒質量Gd。篩網網口大小及砂粒質量見表1。

表1 篩網網口大小取值及余砂表

樣品的在篩網上的余砂量應不超過公式（1）計算得到的質量，若超過則對余砂進行均分，并再次篩分，知道余砂小于公式（1）計算得到的質量，并將對應直徑下的余砂進行求和，得到總的余砂量。

式中：Gr為某一篩網上的余砂量，g；d為方孔篩網的邊長，mm；A為篩網的面積，mm2。

得到余砂量后，應計算各篩網上的余砂量占樣本砂總重的比值百分數ai，其計算如公式（2）所示。

然后計算各對應篩網及比該篩網粗的所有篩網余砂的ai之和Ai，記為累計篩余百分率。并按公式（3）計算砂粒的細度模數Mx。

2.1.2 試驗結果

通過公式（2）、公式（3），對淡化海砂及河沙的顆粒級配與細度模數進行試驗，試驗結果見表2。

表2 篩分試驗結果表

由表2 可以看出，汕尾09 區塊的海砂經淡化后細度模數略大于河沙，砂種類均屬于中砂偏細，兩者無明顯差別。由規范[3]知淡化海砂的級配在Ⅱ區，可以用于配置C30～C60 強度等級的混凝土，海砂的顆粒級配及細度模數良好，滿足制備混凝土的要求。

2.2 密度試驗

為在配置混凝土時明確材料的用量以及確定材料的堆放體積時需要確定材料的堆積與表觀密度。表觀密度是材料在自然狀態下單位體積的質量，俗稱容重，而堆積密度是在粉狀、粒狀或纖維狀態下松散堆積的單位體積的質量。表觀密度的試驗采用容量瓶法，堆積密度的測定采用容量筒法。

2.2.1 試驗步驟

表觀密度計算按以下步驟進行：1）制備淡化海砂與河沙的飽和面干樣品m3，質量為300g。為減少水分的蒸發及顆粒的損失，制作完后迅速放置進容量瓶內，并在瓶中加水至刻度線到500mL 處，并對瓶身水分進行擦拭，記錄此時的質量為m2。2）將之前制作的試樣置于烘箱中進行干燥，溫度設為100℃～110℃，干燥完成并冷卻到室溫后記錄此時干燥后的質量為m0。3）另取相同規格的容量瓶，洗凈后加入水至刻度線到500mL 處，并對瓶身水分進行擦拭，記錄此時的質量為m1。4）按公式（4）、公式（5）進行淡化海砂和河沙的表觀密度ρa和表觀相對密度γa。

式中：ρw為水在4℃時的表觀密度，g/cm3。

堆積密度計算按以下步驟進行：1）使用淺底容器稱取質量為5kg 的試樣，將試樣放置在烘箱中進行干燥，溫度設為100℃～110℃，干燥完成并冷卻到室溫后分成質量相等的兩份試樣。2）將溫度在15℃～25℃的水在量筒中裝滿筒容器，并使玻璃板沿銅扣緩慢滑移緊貼水面，使兩者間無空隙產生，對瓶身水分進行擦拭后進行稱量并用公式（6）計算出量筒容積V。

式中：m0為量筒容器的總質量，g。

2.2.2 試驗結果

通過密度試驗得到的數據聯立式（4）～式（7），淡化海砂及河沙的表觀密度與堆積密度試驗結果見表3。

表3 密度試驗結果

由表3 可以看出，汕尾09 區塊的淡化海砂堆積密度略高于河沙，表觀密度略低于河沙。造成差異的原因與砂粒的細度模數和級配有關系，但兩者均滿足規范[4]要求中堆積密度不低于1400kg/m3的要求。

2.3 抗折、抗壓強度試驗

在現代混凝土結構中，混凝土抗壓強度是一項關鍵性指標。混凝土的抗折強度通常只有抗壓強度的1/3～1/4 水平，但其抗折能力對混凝土抗彎能力和抗疲勞能力有較大影響，是部分公路工程，港口海岸工程領域的重要參考指標。

因為該試驗的目的是研究砂的抗折、抗壓能力，須忽略粗骨料對強度的影響，所以制備水泥砂漿試塊進行三點彎曲抗折強度和抗壓強度試驗。

2.3.1 試驗步驟

按規范[5]要求制作水泥砂漿標準試塊40mm×40mm×160mm，水泥砂漿配合比按標準配合比進行拌制，見表4。

表4 水泥砂漿配合比

按表4 的配合比制作足量的試件個數，試件的質量誤差控制在±1g 以內。

水泥砂漿拌制完成后應進行振搗成型操作。使用潤滑油涂抹模具并固定在振動平臺上，將拌制好的水泥砂漿分兩次裝入模具中，第一次放入300g 的水泥砂漿，抹平后進行振動，振動頻次控制為60 次。再將剩余的水泥砂漿放入模具內振動60 次，振動完成后用工具將模具頂端的砂漿抹平。

試件成型24h 后進行脫模，并置于19℃～21℃的養護室內進行養護。分別在養護期的7d、28d 時間段對試件的抗折、抗壓強度進行試驗，為減少誤差，取3 次試驗值的平均值作為最后試驗結果。

三點彎曲抗折試驗按規范要求選擇試驗機，試驗機位移速率選擇0.5mm/min，采用恒定加載的方式，將試件正確放置并進行試驗后可得到對應的荷載-撓度曲線，并按式（8）可換算出對應的抗折強度。

式中：fz為抗折強度，MPa；F為荷載破壞值，N；l為支撐點間距；b為試件寬，mm；h為試件高，mm。

試件的抗壓強度測定采用同型號試驗機進行試驗，試驗機最大壓力為300kN，最小為0.5kN。進行壓力試驗后得到荷載-位移曲線，并按試件破壞時的最大壓力荷載以公式（9）換算出對應的抗壓強度。

式中：fc為抗壓強度，MPa；P為荷載破壞值，N；A為受壓截面面積，m2。

2.3.2 試驗結果

抗折強度為每組3 個試塊的試驗結果平均值，抗壓強度為每組6 個試塊的試驗結果平均值。通過公式（8）、公式（9）進行換算后，得到的試驗結果見表5。

表5 強度試驗結果表

由表5 可知淡化海砂在抗折強度與抗壓強度指標上均略低于河沙。原因可能是由于淡化海砂在微觀層面上的棱角較河沙光滑，造成淡化海砂與水泥砂漿的結合程度降低，但在力學性能上均能滿足混凝土的要求。

2.4 淡化海砂性能總結

在該文中對汕尾09 區塊的淡化海砂與普通河沙在顆粒級配、細度模數、表觀密度、堆積密度、抗折強度和抗壓強度方面的指標進行對比，雖然兩者有微小的差別，但是均滿足混凝土相關規范，汕尾09 區塊的淡化海砂能應用于混凝土工程中。

3 海砂混凝土施工注意事項

海砂在建筑施工中具有廣闊前景和優勢。但需要掌握正確的使用方法和技巧，并關注每個步驟中的要點，充分利用海砂在混凝土中的特性[6]。海砂混凝土是一種常用于海洋工程中的建筑材料。該文將從材料選擇、配合比設計、施工前的準備、施工過程和養護等方面詳細介紹海砂混凝土施工的注意事項。

3.1 材料選擇

水泥應選用符合國家標準的普通硅酸鹽水泥或海水混凝土專用水泥。與傳統河岸砂的不同之處在于，海砂在抵達建筑現場時需要進行更徹底的清洗。對制備高強度混凝土來說也是如此。應選用顆粒形態良好、含鹽量低的海砂，并進行清洗和篩分處理。骨料應選用符合國家標準的優質骨料，控制其含水率和含泥量。

3.2 配合比設計

當制備混凝土時，正確地掌握加水量非常重要。如果加水過多會使混凝土變得黏稠難以施工；而加水不足會導致混凝土內部氣泡太多影響強度。因此，在調整混凝土配合比時，需要結合海砂的性質，確定合適的加水量。

水灰比應根據材料性質和施工要求確定適當的水灰比，一般不大于0.5。海砂含量應根據實際情況確定適當的海砂含量，一般不超過50%。骨料粒徑應根據混凝土強度要求和施工方式確定適當的骨料粒徑。

加入其他混合材料時，需要考慮它們與海砂之間的相容性。由于其粒徑分布范圍廣泛，在加入混合材料后，海砂對整個混凝土體系的影響較小。但是在加入水泥等膠凝材料時，需要注意材料的粉末含量是否能夠滿足制備要求。

3.3 施工過程控制

將海砂、水泥、骨料按配合比加入攪拌機中進行混合，控制混合時間和速度。混合好后的海砂混凝土通過輸送泵輸送到澆注機中，然后通過澆注機進行均勻澆注。在澆注完成后，應立即對其進行振搗壓實，確保其密實度和強度。

施工人員應具備一定的專業知識和技能，并經過相關培訓和考核，確保其安全和可靠性。在海砂混凝土施工過程中，應注意控制環境溫度和混凝土溫度，避免出現凍融、開裂等問題。應根據混凝土的性質和施工要求確定合適的施工速度，避免出現澆注不均勻、振搗不到位等問題。在施工過程中應加強安全防護措施，如佩戴安全帽、防護眼鏡、手套等，避免發生意外傷害的情況。

混凝土澆注后需要進行養護處理，以保證其強度和耐久性。在養護過程中應注意防止海砂混凝土出現干裂現象，可采用噴水或覆蓋濕布等方式進行養護。根據混凝土強度、環境溫度和濕度等因素確定適當的養護時間，并進行有效的監測和控制。在養護結束后，應對其進行處理，如打磨、涂刷防水材料等，以提高其耐久性和使用壽命。

4 結論

該文對汕尾09 區塊的淡化海砂與普通河沙的物理性能進行了對比試驗，與相關規范的要求進行了對比，同時簡要說明了海砂混凝土的施工注意事項，結論如下：1）海砂經淡化后細度模數略大于河沙，淡化海砂的級配在Ⅱ區，可以用于配置C30～C60 強度等級的混凝土，海砂的顆粒級配及細度模數良好，滿足制備混凝土的要求。2）淡化海砂堆積密度略高于河沙，表觀密度略低于河沙，但兩者均滿足規范要求中堆積密度不小于1400kg/m3的要求。3）淡化海砂在抗折強度與抗壓強度指標上均略低于河沙，但在力學性能上均能滿足混凝土的要求。