海砂混凝土性能與氯離子遷移規(guī)律研究

摘 要：本文以廣東汕尾地區(qū)的海砂、海水為原材料，制備不同配合比的砂漿，并對砂漿擴(kuò)展度進(jìn)行測定，結(jié)果表明減水劑摻量減少會導(dǎo)致海砂砂漿流動性能降低，并證明硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。基于氯離子擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式，利用MATLAB建立混凝土隨機(jī)骨料模型，并導(dǎo)入COMSOL軟件中，在不同濃度梯度的混凝土中進(jìn)行氯離子滲透模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明時間與相對濕度不同，氯離子的遷移方式與滲透深度也不同。

關(guān)鍵詞：海砂；海水；混凝土；氯離子遷移

中圖分類號：TU 528" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于建筑業(yè)的快速發(fā)展，河沙等混凝土原材料的需求與日劇增，但河沙儲量有限，再加上頻繁開采會給生態(tài)環(huán)境帶來無法修復(fù)的影響。據(jù)有關(guān)專家研究，我國近海海域的海砂儲量大概有6.8×1011m3[1]，因此儲量豐富的海砂可作為河沙的代替材料。但海砂中的氯離子含量較高，制備成混凝土后容易在短時間內(nèi)導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而降低結(jié)構(gòu)的承載力與耐久性能，這將成為限制海砂廣泛應(yīng)用的重要問題[2]。

本文針對海砂的特點(diǎn)，研究海水制備的海砂混凝土基本性能，并揭示氯離子在海砂混凝土中的遷移特性，從而為海砂混凝土中鋼筋的防銹蝕方法提供參考，對海砂進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 海砂混凝土基本性能研究

以廣東汕尾地區(qū)的海砂、海水為原材料，其余制備混凝土的材料均在汕尾地區(qū)采購。摻入粉煤灰、礦粉、硅灰等膠凝材料制備混凝土與砂漿，并通過試驗(yàn)研究混凝土與砂漿的基本性能。

1.1 砂漿流動性能

與淡水、河沙不同，海水與海砂的成分中含有較多的硫酸鹽與氯鹽，并且含有少量貝殼等雜質(zhì)，當(dāng)制備高強(qiáng)度海砂砂漿時，氯離子會與水泥中的Ca（OH）2反應(yīng)形成CaCl2，其流動性會產(chǎn)生不利影響[3]。因此為研究海水海砂制備的砂漿流動性能，按表1制備不同配合比的砂漿，并進(jìn)行砂漿擴(kuò)展度測定。

測定結(jié)果A～D的擴(kuò)展高度分別為152.5mm、157.4mm、231.8mm、168.1mm。由結(jié)果可以看出，不添加膠凝材料的A組擴(kuò)展高度最低，僅152.5mm，砂漿流動性能較差。而摻加了礦粉與粉煤灰的B組與D組雖然擴(kuò)展高度有一定提高，但提升幅度較小，而摻加了硅灰的C組擴(kuò)展高度達(dá)到231.8mm，流動性最高且提升幅度明顯，說明摻加硅灰能有效改善海砂砂漿的流動性能。

為進(jìn)一步研究在不同減水劑摻量下硅灰對海砂砂漿的流動性能的影響，將C組分為C1、C2、C3、C4，其中海水、海砂、水泥、硅灰的配合比均為100∶750∶285∶15，C1、C2、C3、C4減水劑分別為3、2.5、1.5、0。按各自配合比進(jìn)行制備后，對試件進(jìn)行砂漿擴(kuò)展度測定。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示C1、C2、C3、C4的擴(kuò)展高度分別為231.8mm、207.5mm、181.2mm、161mm。由結(jié)果可知減水劑摻量減少會導(dǎo)致海砂砂漿流動性能降低，此時擴(kuò)展高度不斷下降，當(dāng)減水劑摻量為0%時，擴(kuò)展高度降至161mm，但與未添加硅灰的A組相比，擴(kuò)展高度依然要高出8.5mm，這也說明硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。

1.2 海砂混凝土抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度是衡量混凝土性能的重要指標(biāo)之一[4]，為研究海水、海砂分別對混凝土抗壓強(qiáng)度的不同影響程度，按表2的配合比分別制備海水+未淡化海砂混凝土（USSC）、海水+淡化海砂混凝土（SSC）與淡水+河沙混凝土（RC），并分別測定其養(yǎng)護(hù)齡期在3d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)水膠比為0.45時，USSC1與SSC1在3d與7d時的早期抗壓強(qiáng)度較高，并且兩者差距不大，比RC1的3d與7d時的早期抗壓強(qiáng)度高7MPa與14MPa左右。由于海水與海砂中濃度較高的氯離子與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成CaCl2物質(zhì)，因此能促進(jìn)水泥的水化作用，同時海水與海砂本身含有的CaCl2也進(jìn)一步縮短了混凝土的硬化時間[5]，使USSC與SSC在3d與7d時的早期抗壓強(qiáng)度明顯高于RC，這種趨勢在圖2（b）中也基本一致。

由圖2可知，當(dāng)齡期為28d時，USSC、SSC與RC的抗壓強(qiáng)度差別不大，并且USSC的抗壓強(qiáng)度在兩組試驗(yàn)中均大于SSC與RC，可知由海水+未淡化海砂制備的混凝土強(qiáng)度是滿足要求的。

2 氯離子遷移規(guī)律研究

2.1 氯離子在砼中的傳輸機(jī)理

氯離子在混凝土中進(jìn)行遷移傳輸?shù)倪^程本質(zhì)上是微觀離子或分子在砼孔隙中溶液的運(yùn)動軌跡。當(dāng)混凝土處于飽和狀態(tài)時，氯離子的遷移形式為濃度梯度擴(kuò)散，當(dāng)混凝土處于非飽和狀態(tài)時，氯離子的遷移形式為滲透、擴(kuò)散與毛細(xì)吸附的復(fù)合作用，此時氯離子擴(kuò)散效率低，其擴(kuò)散系數(shù)也相應(yīng)改變。在相對濕度影響下，計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)如公式（1）所示。當(dāng)考慮毛細(xì)吸附的時間效應(yīng)時，計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)如公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：Dh、Dc分別為相對濕度在H、Hc時氯離子的擴(kuò)散系數(shù)；HR、Hc分別為砼的相對濕度與臨界相對濕度；Hc一般取值為0.75；DRH（t）為t時刻的砼里氯離子擴(kuò)散系數(shù)；DRH=100%（t0）為t0時刻相對濕度在100%時砼里氯離子擴(kuò)散系數(shù)；t0為毛細(xì)吸附時間，為1h。

2.2 氯離子滲透模擬

在混凝土成型后，其內(nèi)部并非致密而是存在大量微觀上的孔隙空間，而氯離子會通過孔隙水的流動進(jìn)行遷移運(yùn)輸，因此遷移的時間與相對濕度均會對氯離子的遷移運(yùn)輸產(chǎn)生影響。當(dāng)相對濕度較大時，氯離子的傳輸方式主要為自由擴(kuò)散。當(dāng)相對濕度較小時，氯離子的傳輸方式主要為毛細(xì)吸附。

假定在混凝土的表面5mm處與環(huán)境進(jìn)行水分傳輸，以公式（1）作為氯離子遷移模型，在混凝土內(nèi)部將公式（2）作為氯離子遷移模型。采用MATLAB建立了混凝土的二位骨料隨機(jī)模型，其尺寸為100mm×100mm，骨料組成級配為5～20mm，周圍區(qū)域?yàn)樯皾{，并在骨料與砂漿之間設(shè)置70μm的區(qū)域，將其作為界面區(qū)。利用插件將MATLAB里的隨機(jī)骨料模型導(dǎo)入COMSOL軟件中，對不同濃度梯度的混凝土氯離子進(jìn)行滲透模擬試驗(yàn)。

2.3 時間對氯離子滲透影響

在COMSOL軟件中，以公式（1）為模型的混凝土表面5mm處的相對濕度為0.75，以公式（2）為模型的混凝土內(nèi)部的相對濕度為0.95，以海水+淡化海砂混凝土（SSC）與淡水+河沙混凝土（RC）為模型，對結(jié)合時間為100d與1年的氯離子進(jìn)行滲透模擬。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)合時間為100d時，氯離子由高濃度的SSC向低濃度的RC進(jìn)行遷移，但僅滲透到RC的表層。當(dāng)SSC與RC結(jié)合時間到達(dá)1年后，氯離子進(jìn)一步向RC中滲透，并滲透到了RC內(nèi)部30mm左右，但此時RC表層氯離子含量最高僅為0.075%，不會造成鋼筋嚴(yán)重銹蝕。

2.4 濕度對氯離子滲透影響

溫濕度變化對混凝土氯離子傳輸研究表明[6]，相對濕度不同，氯離子擴(kuò)散的方式也不同。因此在其他條件不變的情況下，將SSC表層的濕度環(huán)境設(shè)置為25%～95%，共4個梯度的濕度，并對100d時的結(jié)合模型進(jìn)行氯離子滲透模擬，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在結(jié)合時間為100d的條件下，隨著SSC表層的濕度下降，更多氯離子從SSC滲透到RC中，且氯離子主要富集在RC的粗骨料表層，這是因?yàn)榇止橇蟽?nèi)部致密阻斷了水分的傳輸路徑，從而使粗骨料周圍的氯離子產(chǎn)生富集。同時隨著SSC表層的濕度下降，氯離子在RC表層的濃度降低，但滲透深度增加，滲透深度達(dá)到38mm左右。

3 結(jié)論

本文對廣東汕尾地區(qū)的海砂混凝土性能與氯離子遷移規(guī)律進(jìn)行深入研究，根據(jù)研究情況得出以下結(jié)論。1）減水劑摻量減少會導(dǎo)致海砂砂漿流動性能的降低，同時摻入硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。2）USSC與SSC在3d與7d的早期抗壓強(qiáng)度明顯高于RC，28d時的海水+未淡化海砂制備的混凝土強(qiáng)度是滿足要求的。3）當(dāng)SSC與RC結(jié)合時間到達(dá)1年后，氯離子進(jìn)一步向RC中滲透，并滲透到了RC內(nèi)部30mm左右，但此時RC表層氯離子含量最高僅為0.075%，不會造成鋼筋的嚴(yán)重銹蝕。4）隨著SSC表層的濕度下降，更多氯離子從SSC滲透到RC中，且氯離子主要富集在RC的粗骨料表層。同時隨著SSC表層的濕度下降，氯離子在RC表層的濃度降低，但滲透深度增加，滲透深度達(dá)到38mm左右。

參考文獻(xiàn)

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