不同摻量的海砂對管樁混凝土性能影響的研究

劉娟紅 凌 潔 梁 俊

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.天津?qū)氊S混凝土樁桿有限公司，天津 300000）

近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國每年生產(chǎn)混凝土約20億m3，加上砂漿及其他用途，每年需要30億噸以上的建筑用砂。建筑用砂的來源，早期一般以河砂為主。但如此大規(guī)模用砂持續(xù)了多年后，許多地方已經(jīng)出現(xiàn)江河砂資源匱乏短缺的情況。尤其在我國沿海的一些地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)河砂資源短缺的現(xiàn)象后，濫用海砂的現(xiàn)象變得越來越嚴重。我國的海岸線綿長。具有豐富的海砂資源。然而海砂替代河砂作為建筑用砂具有兩面性，一方面能夠避免河砂的過度開采導(dǎo)致的環(huán)境生態(tài)問題，解決河砂資源短缺的現(xiàn)象，另一方面是因為海砂中含有能夠腐蝕鋼筋的氯離子，濫用海砂就會產(chǎn)生“海砂屋”等類型的嚴重工程問題[1-2]。

以上事實，使越來越多的國內(nèi)外學(xué)者認識到了海砂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要性和迫切性，目前相關(guān)的研究主要圍繞海砂淡化、淡化海砂混凝土的性能、海砂混凝土的應(yīng)用、鋼筋的銹蝕機理及阻銹措施這四個方面展開。而對于海砂混凝土的使用環(huán)境及特殊養(yǎng)護機制對混凝土性能的影響研究很少。本文主要研究了海砂部分或者全部取代河砂作為細骨料對管樁混凝土性能的影響。對其和易性、強度、抗氯離子滲透性能、抗鋼筋銹蝕能力性能進行了試驗分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

盾石牌P·O42.5型水泥，主要性能見表1；寶豐管樁廠自行研磨的石英砂粉，SiO2含量大于90%，比表面積為420m2/kg～450m2/kg；II級粉煤灰，主要性能見表2；天津市薊縣碎石，含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎指標符合GB/T14685要求；天然河砂和未脫鹽海砂，主要性能指標見表3；天津延順牌UNF-5高效減水劑，屬于多環(huán)芳香族磺酸鹽系（萘系）減水劑。

1.2 試驗方法

本文的研究是具體有不同摻加比例海砂（50%～100%）對管樁混凝土的和易性能、抗氯離子滲透性能和抗鋼筋銹蝕性能的影響研究?？孤入x子侵蝕能力試驗中，使用混凝土切割機將與管樁同條件下養(yǎng)護28d的混凝土試件切割成100mm×100mm×50mm的試樣。采用我國NEL 氯離子擴散系數(shù)法對管樁混凝土的抗氯離子滲透性能進行試驗?？逛摻钿P蝕性能試驗中，將鋼筋混凝土試件與管樁同條件養(yǎng)護至齡期后分兩組分別置于鹽霧環(huán)境與自然環(huán)境條件下，鹽霧試驗采用連續(xù)噴霧4h，間隔20h為一個周期。

管樁的養(yǎng)護工藝采用普通蒸汽養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護。其中常壓蒸汽養(yǎng)護為初始養(yǎng)護階段。初始養(yǎng)護階段可分為四個階段：靜停養(yǎng)護階段、升溫階段（升溫速率一般為25℃/h～40℃/h）、恒溫階段（恒溫溫度一般為70～80℃）和降溫階段。蒸壓養(yǎng)護全過程一般為7h～10h，蒸汽壓力0.95MPa～1.0MPa，蒸壓溫度180℃～200℃。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同海砂摻量對管樁混凝土和易性能的影響

本試驗中對和易性的檢測采用的是坍落度法。不同海砂摻量的混凝土配合比見表4，不同海砂摻量的混凝土和易性見表5。

由表5中試驗結(jié)果可知，隨著海砂摻量的增加，混凝土的和易性開始下降，當(dāng)海砂摻量由50%到70%變化時，混凝土的黏聚性和保水性均由良好變?yōu)橐话?，坍落度?5mm降為35mm，此時混凝土和易性僅能滿足最基本要求。這是因為，海砂的細度模數(shù)高，低于細砂。隨著海砂摻量的增加，要達到相同的和易性，需水量就會增加，為了使得混凝土的和易性得到改善同時保證混凝土的強度，實驗采用增加減水劑的摻量的方法來試配。海砂摻量由80%到100%變化時，減水劑摻量均由3.5%調(diào)整到4.0%，海砂摻量為80%時，混凝土的坍落度由之前的35mm上升到了45mm，黏聚性從一般變?yōu)榱己?，保水性由一般變?yōu)閮?yōu)良，試驗效果理想。因此，海砂摻量的增加在一定程度上降低了混凝土的和易性，但通過增加減水劑摻量的方法完全可以解決這一問題。

表1 盾石P·O 42.5型水泥的主要參數(shù)

表2 粉煤灰的主要性能

表3 試驗所用砂子主要性能

表4 不同海砂摻量的混凝土配合比（kg/m 3）

2.2 不同海砂摻量對管樁混凝土強度的影響

不同海砂摻量的配合比見表4，不同海砂摻量的混凝土力學(xué)性能見表6。

實驗結(jié)果表明：管樁混凝土的蒸養(yǎng)強度并沒有隨著海砂摻量的增加呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，最低強度為69.3MPa，完全滿足管樁脫模強度不低于C40的要求。管樁混凝土的蒸壓強度則隨著海砂摻量的增加而增加，但變化幅度較小，蒸壓強度浮動范圍為88.7MPa到91.3MPa，能夠滿足高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁強度等級要求。由此可見，海砂摻量的變化除了減水劑的用量有一些增加，對強度并無不利影響，從而為大摻量海砂管樁混凝土的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)上的支持。

表5 不同海砂摻量的混凝土和易性

表6 不同海砂摻量的混凝土力學(xué)性能

2.3 不同海砂摻量對管樁混凝土抗氯離子侵蝕能力影響

不同海砂摻量的混凝土配合比見表4，不同海砂摻量的混凝土氯離子擴散系數(shù)變化曲線見表7。

表7 不同海砂摻量混凝土擴散系數(shù)表

從表7中可以看出，隨著海砂摻量的增加，氯離子擴散系數(shù)先減少后增大，摻量在90%左右時達到最小，為144×10-14m2/s；由數(shù)據(jù)可知，海砂摻量從50%到100%變化范圍內(nèi)，氯離子擴散在159～367×10-14m2/s之間，根據(jù)氯離子滲透試驗規(guī)范可知氯離子抗?jié)B等級均屬于中等。從整體上看，海砂摻量的增加對管樁混凝土的抗?jié)B性能影響不大。

2.4 不同海砂摻量對管樁混凝土抗鋼筋銹蝕性能影響

不同海砂摻量的混凝土配合比見表4，不同海砂摻量的鋼筋銹蝕情況見表8。實驗分別測定了各配合比下兩組鋼筋的初始質(zhì)量和在不同環(huán)境下養(yǎng)護一定齡期后經(jīng)過除銹處理的鋼筋后期質(zhì)量，通過計算鋼筋失重率的方法對鋼筋的銹蝕情況進行評價。

由表8得出的鋼筋截面面積損失率相對鋼筋整體面積來說是一個極其微量的值，不足以形成鋼筋失效的原因。而有關(guān)研究[3]也表明當(dāng)鋼筋無銹蝕時，其銹蝕失重率為處理鋼筋過程的鋼筋消耗量，其消耗量基本穩(wěn)定在0.10%～0.25%之間；銹蝕失重率在0.25%～0.40%的為輕微銹蝕；銹蝕失重率大于0.40%的為鋼筋銹蝕。由此可知在自然養(yǎng)護和鹽霧養(yǎng)護條件下鋼筋均無銹蝕發(fā)生，海砂摻量的變化不是影響管樁混凝土鋼筋銹蝕的因素。

表8 不同海砂摻量鋼筋銹蝕率

結(jié)論

（1）海砂摻量的增加在一定程度上降低了混凝土的和易性，但通過增加減水劑摻量的方法完全可以解決這一問題。

（2）海砂摻量的加大除了減水劑的用量有一些增加外，對強度并無不利影響。

（3）隨著減水劑摻量的逐漸增加，混凝土的工作性逐步得到改善，減水劑摻量為4%時混凝土整體性能較好。

（4）海砂摻量從50%到100%變化范圍內(nèi)，氯離子滲透系數(shù)變化范圍為144×10-14m2/s～367×10-14m2/s，均屬于中等滲透水平，從整體上看，海砂摻量的增加對管樁混凝土的抗?jié)B性能影響較小。

（5）在自然養(yǎng)護和鹽霧養(yǎng)護條件下鋼筋均無銹蝕發(fā)生，海砂摻量的變化不是影響管樁混凝土鋼筋銹蝕的因素。

[1] 洪乃豐．震后反思“海砂屋” [J]．腐蝕與防護，2008（7）：426-428.

[2] 張泳．沿海地區(qū)海砂利用及所引發(fā)問題的研究[J]．四川建筑，2006（3）：129-130.

[3] 姬永生．自然與人工環(huán)境下鋼筋混凝土退化過程的相關(guān)性研究[D]．博士學(xué)位論文，2007.

[4] 洪乃豐．海砂腐蝕與“海砂屋”危害[J]．工業(yè)建筑，2004，34（11）：65-67.

[5] 洪乃豐．海砂對鋼筋混凝土的腐蝕與對策[J]．混凝土，2002（8）：12-14.

[6] 鄭娟榮，覃維祖．高性能混凝土各組成材料的選擇及試驗研究[J]．建筑技術(shù)，2002，1：23-25.

[7] 馮浩，王興國．中國混凝土外加劑50年[J]．建筑技術(shù)，2001，1：15-16.

[8] B.A.Clark，P.W.Brow．The formation of calioum sulfoaluminate hydrate compounds Part[J]．CementandConcrete Research，2000，30（2）：233-240.

[9] Sakir Erdogolu．Compatibility of superplasticizers with cement different in composition[J]．Cement and Concrete Research，2000，30（5）：767-773.

[10] 吳彬，張美玲．C80蒸養(yǎng)防腐蝕混凝土的研究．見：中國硅酸鹽學(xué)會混凝土水泥制品分會高性能混凝土委員會．第四屆全國高性能混凝土學(xué)術(shù)研討會論文集．武漢，2002，332-335.

[11] 蔣真，趙鐵軍，宋曉翠．海砂混凝土碳化性能研究[J]．工程建設(shè)，2009（4）：11.

[12] 馮乃謙，蔡軍旺等．山東沿海鋼筋混凝土公路橋的劣化破壞及其對策的研究[J]．混凝土，2003，159（1）：3-4.

[13] Corina Maria Aldea．Surendra P．Shah，Member，ASCE，and Alan Karr，EFFECT OF CRACKING ON WATER AND CHLORIDE PERMEABIL ITY of CONCRETE[J]．Joumal of Materials in Civil Engineering，1999，1 l（3）：181-187.

[14] John J．Myers，Ph．D．，P．E．Shrinkage Behavior of High Strength Concrete（HSC）Subjected to Accelerated Curing[J]．ASCE．Proceedings of the 2006 Structures Congress，2006（5）：85-104.

[15] 壬勝先，林薇薇，李悅等．新型阻銹劑對鋼筋混凝土阻銹作用的研究（I）—對電化學(xué)阻抗特性的影響[J]．建筑材料學(xué)報，2000，3（4）：310-315.