海砂再生混凝土研究綜述

尹瑞杰 張緒濤 劉 波

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

自20 世紀80 年代以來，世界砂石資源消耗量增長了3 倍，而對河砂的需求占很大一部分。據(jù)資料統(tǒng)計，全球混凝土使用量為每年28 億噸，我國的混凝土消耗量占全球消耗量的48%，大約13 億噸，將近總消耗量的一半，對河砂的過度開采、盜采帶來嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，積極尋求砂石資源的替代品，大力推廣綠色混凝土對我國經(jīng)濟的健康可持續(xù)發(fā)展有十分重要的意義。目前世界上已有不少成功使用海砂代替河砂的工程案例，在日本某些沿海地區(qū)，建筑用海砂的替代率能達到90%以上。使用再生骨料代替天然粗骨料的相關(guān)研究已日趨成熟，并且再生混凝土也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 海砂和再生骨料的材料特性

1.1 海砂

天然海砂和河砂的形成機理基本類似，兩者都是經(jīng)過風(fēng)化搬運、流水沖刷形成的，盧予奇、趙羽習(xí)[1]經(jīng)過對海砂和河砂的圖像采集、統(tǒng)計分析得出，河砂的形狀比海砂略微圓滑一些，棱角更少，除此之外二者的橢圓率、圓率、堅固率基本沒有區(qū)別。但海砂中含有一定量的貝殼等雜質(zhì)，且富含氯鹽。海砂中的貝殼碎屑較光滑，成針片狀，與水泥的粘結(jié)性較差，降低混凝土的和易性，還可能造成混凝土泌水。過高的氯鹽含量會對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響，并加快鋼筋的電化學(xué)腐蝕過程，過高的氯離子濃度會破壞鋼筋表面的鈍化膜，并且在破壞界面處形成原電池，銹蝕發(fā)生在鋼筋表面極為局部的范圍內(nèi)并向內(nèi)部擴展，鐵銹的體積不斷膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，破壞鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)[2]，造成嚴重的安全隱患。這是海砂推廣使用中最大的問題。

1.2 再生骨料

再生混凝土是指將已經(jīng)淘汰的混凝土重新打碎，形成顆粒，然后代替天然骨料（砂子、石子等），可以全部代替使用，也可以按一定比例替換。再加入水泥、水等經(jīng)充分攪拌后形成新的混凝土。再生混凝土的強度及性能受再生骨料的直接影響。經(jīng)破碎、篩分、分級后的再生骨料強度比天然骨料低，并且自身存在缺陷，例如吸水率高、空隙率大、耐久性差，大大限制了再生混凝土的應(yīng)用。

2 海砂再生混凝土的可行性

海砂能否能替代河砂用于實際工程中，需要控制氯離子含量不超過某一限制。目前國家相關(guān)標準已對混凝土中氯離子含量作出了限定?！痘炷临|(zhì)量控制標準》（GB 50164-2011）、《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ 206-2010）中規(guī)定：在素混凝土和鋼筋混凝土中，氯離子含量最大值分別為1%和0.3%。除海砂外，其他材料如水、水泥、外加劑等也含有一定的氯離子，但其含量較小，影響不大，故使用海砂的前提是采取措施降低海砂中的氯鹽含量。

當前對海砂的處理主要有以下幾種方法：1.自然晾曬法：直接將海砂堆置在室外，利用雨水的沖刷帶走鹽分，經(jīng)取樣檢測氯離子含量達標后方可使用。這種方法通常要持續(xù)數(shù)月甚至幾年的時間，受天氣影響較大，有很大的不確定性，應(yīng)用較少。2.淡水淡化法：是目前使用最多的方法，使用淡水不斷沖洗海砂，降低其氯鹽含量，但會消耗大量淡水資源。沒淡化1 立方米的海砂至少需要消耗淡水0.8 噸。3.摻加阻銹劑：在混凝土攪拌過程中摻加一種阻銹劑。近年來國內(nèi)外對阻銹劑的研發(fā)取得了很大的進展，如美國研制的遷移型阻銹劑MCI(migrating corrosion inhibitor)、我國的中冶集團建筑研究總院研制的YJ-504 阻銹劑等。該方法簡單易操作，能有效阻止鋼筋銹蝕，應(yīng)作為優(yōu)先考慮使用的方法。其他還有將海砂與河砂混摻的方法，其實本質(zhì)上都是為了降低氯離子含量。

關(guān)于再生混凝土國內(nèi)外學(xué)者已做了很多研究，再生骨料吸水率高，在使用之前需要預(yù)先浸水處理，同時洗去再生骨料表面附著的粉塵，肖倍、安旭文等[3]試驗研究得出混凝土抗壓強度隨著取代率的增加呈先增大后減小的趨勢，80%的取代率會使混凝土抗壓強度達到峰值；劈裂抗拉強度隨著取代率的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢；抗折強度先減小后小幅度增加，最佳取代率為25%。王晨霞、劉露等[4]研究了凍融循環(huán)對再生混凝土的影響，再生混凝土和普通混凝土在凍融循環(huán)低于50 次的情況下，抗凍性能相差不大，但在凍融循環(huán)大于50 次以后，再生混凝土的抗凍性能低于普通混凝土，此外，混凝土的強度等級對抗凍性能的影響較大。王慶賀、王玉銀等[5]研究了不同配制方法對再生混凝土強度的影響，使用直接加水法配制混凝土?xí)斐苫炷翉姸冉档?，而采用飽和面干法和兩階段拌合法對再生混凝土的影響相似，但兩階段拌合法實際操作起來更加便捷，成為推薦使用的方法。綜上所述，雖然再生骨料和天然骨料存在差異，但如果配合比、替代率設(shè)計合理，使用再生混凝土代替普通混凝土是可行的。

3 海砂再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)

目前對海砂再生混凝土的研究較少，黃一杰、張宜健等[6]通過中心拉拔試驗研究了海砂再生混凝土與環(huán)氧涂層鋼筋之間的粘結(jié)性能，研究表明：海砂再生混凝土與環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強度略低于普通混凝土，大約低15%，粘結(jié)強度與保護層厚度成正相關(guān)。與鋼筋伸入混凝土長度呈負相關(guān)。

經(jīng)研究，目前普遍認為隨著養(yǎng)護時間的增加，海砂再生混凝土的立方體抗壓強度、棱柱體軸心抗壓強度、劈裂強度會逐漸增加，并且早期強度增長較快，增速隨時間逐漸放緩，后期甚至?xí)晕⒔档?。齡期對混凝土試件的破壞形態(tài)也有影響，通過對海砂再生混凝土短柱受壓破壞形態(tài)進行分析得出，由于海砂再生混凝土混凝土的早強較快，其28 天齡期的破壞形態(tài)要明顯好于普通混凝土，當齡期為90、180 天時，海砂再生混凝土的迅速開裂，裂縫發(fā)展速度快于普通混凝土；再生骨料取代率對破壞形態(tài)的影響也十分顯著，再生骨料取代率越大，試件的裂縫寬度也更大，試件破壞時的破碎程度也更高。

肖建莊、張鵬等[7]，對海砂再生混凝土的各項物理力學(xué)性能進行了研究，研究結(jié)果說明海砂再生混凝土與普通混凝土相比，抗壓強度基本相同但彈性模量略有降低，降低幅度約6%-10%；坍落度增大且隨混凝土強度等級變化較大，再生骨料對海砂再生混凝土性能的影響大于海砂；劈裂抗拉強度比同等級的普通混凝土略低，約降低3%-17%。海砂的取代率對混凝土的強度也有一定的影響，當海砂的取代率增加時，混凝土的抗壓強度先增大后減小，當取代率為75%時達到峰值，海砂的摻加對混凝土的力學(xué)性能無負面影響，甚至還能略微提高混凝土的抗折強度。

黃一杰、何緒家等[7]考慮了再生骨料取代率和氯離子含量的影響，再生骨料的取代率會對海砂再生混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響，但會增加劈裂抗拉強度，會降低混凝土的抗剪強度、彈性模量、抗壓強度，而海砂則反而會提高工作性能，在二者取代率的組合作用下與普通混凝土相差不大。此外水灰比和摻有少量雜質(zhì)時對混凝土強度的影響也很小，可以通過摻加礦物摻合料如粉煤灰、偏高嶺土、硅灰、高爐礦渣等來提高混凝土的強度。

4 耐久性

邢麗、薛瑞豐等[8]通過進行試驗研究了海洋環(huán)境下混凝土的抗?jié)B性和抗碳化性能，試驗結(jié)果表明摻加了海砂的混凝土抗?jié)B性能要優(yōu)于普通混凝土，推測原因可能是因為海砂中的鹽分固化后填充了內(nèi)部孔隙，阻止了水分的內(nèi)滲；在碳化早期海砂混凝土的碳化程度要高于普通混凝土，但隨著碳化時間增長，海砂混凝土的碳化速率逐漸變慢，在標準條件下碳化28 天后，摻加海砂的混凝土碳化程度要低于普通混凝土。關(guān)于海拌混凝土的碳化性能存在分歧，盧予奇、趙羽習(xí)等[3]通過碳化試驗得出結(jié)果表明：海砂的摻加大大加強了碳化作用，與邢麗、薛瑞豐等得出的結(jié)論截然不同，因此關(guān)于摻加海砂對混凝土碳化性能的影響需要更深入的研究。

黃華縣[9]為模擬鋼筋在海砂環(huán)境中的腐蝕，進行了鋼筋的電化學(xué)腐蝕試驗，當鋼筋處在PH 值為12.5-13.5 的環(huán)境中時，PH 值的變化對腐蝕速度的影響不明顯，并且氯離子濃度的變化對腐蝕速度的影響也不大；當PH 值低于12.5 時，PH 值越低，PH 值的變化速率和氯離子濃度對鋼筋的腐蝕越大。

再生骨料取代率的變化也會對混凝土的耐久性產(chǎn)生影響，當取代率增加時，混凝土的徐變、收縮變形、抗氯離子滲透性、均會增加，而混凝土的抗凍性、抗碳化能力則會降低，并且更容易出現(xiàn)裂縫。而在混凝土中摻加10%-20%的粉煤灰會增強混凝土的抗氯離子滲透性能。此外再生骨料的品質(zhì)對混凝土的性能也有較大影響，再生骨料的品質(zhì)越好制成的混凝土性能越好。

海砂對混凝土的耐久性的影響至關(guān)重要，直接關(guān)系到海砂能否替代河砂用于混凝土中，但海砂再生混凝土耐久性的試驗研究較少，其耐久性能有待進一步研究。

5 總結(jié)

綜上所述，海砂再生混凝土的各項性能都與普通混凝土相似，所以在控制混凝土拌合物中氯離子含量的前提下，使用海砂再生混凝土是沒有問題的，另外還可以研究怎樣對其進行增強，根據(jù)現(xiàn)有的對混凝土進行增強的方法例如摻加聚丙烯纖維、鋼纖維等纖維制品，粉煤灰、高爐礦渣、硅灰等礦物摻合料，將其推廣到海砂再生混凝土中。此外目前的研究大多停留在海砂再生混凝土的短期性能上，缺乏對長期使用條件下海砂再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、抗?jié)B性、抗碳化性能、抗凍性的研究；對高氯離子、硫酸根離子環(huán)境下鋼筋銹蝕的影響，另外研究界面過渡區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)以提高各種性能，也可以成為研究的重點，海砂再生混凝土的研究前景十分廣闊。