海水海砂混凝土力學性能研究進展

蔡哲棟 汪靖宇 李 靜 王建苗 陸 俊

（1 紹興文理學院土木工程學院；2 浙江永堅新材料科技股份有限公司）

0 引言

在經(jīng)濟與科技飛速發(fā)展的今天，人們對于建筑的需求量越來越大，要求也越來越高，地球上的各類資源消耗也在逐漸增加。傳統(tǒng)混凝土耗材嚴重，已經(jīng)難以滿足如今的工程需求，因此發(fā)展新型混凝土材料意義重大。

隨著海洋資源的開發(fā)利用，蓬勃興起的島礁建設(shè)需要消耗大量的砂石，但在島嶼、礁灘上缺乏進行建設(shè)的淡水和骨料。與河砂相比，海砂含泥量較低、級配良好，可取代河砂作為混凝土細骨料[1]。我國擁有1.8 萬公里的海岸線，有著豐富的海砂資源。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)已探明近海建筑砂礦床27 處，資源儲量大且主要分布在水深10m 以內(nèi)，岸距小于10km 的近岸海域，開采條件良好[2]。海砂的開采和應(yīng)用在較大程度上能夠減緩建筑用砂緊缺的問題，并且配合海水拌合混凝土也可以節(jié)約寶貴的淡水資源。

然而海水海砂中存在大量氯鹽等有害物質(zhì)，會影響混凝土力學性能，進而影響結(jié)構(gòu)安全性，導致這類資源的開發(fā)利用尚處于發(fā)展初期。為了推廣海水海砂混凝土的安全使用，文本綜述了海水海砂混凝土力學性能的研究成果，探討海水海砂混凝土工程應(yīng)用的可行性，希望為海水海砂混凝土的推廣應(yīng)用提供支持。

1 抗壓強度

混凝土的抗壓強度決定了混凝土的強度等級，對于混凝土在工程中的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，在用海水海砂混凝土代替河水河砂混凝土使用時，抗壓強度的變化是必須要考慮的因素，國內(nèi)外的許多學者針對海水海砂混凝土的抗壓強度做了大量的研究。

研究表明[3-5]海水和海砂可以加快水泥水化,從而提高混凝土的早期抗壓強度。這是由于海水、海砂中的氯離子與水泥水解后的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCl2，加速水泥的早期水化[4]；另外相對于淡水，C-S-H 凝膠在海水的水泥漿中結(jié)構(gòu)更加致密，這也有利于海水拌和的混凝土早期抗壓強度的提高[6]。而實邢麗等[7]研究認為海水、海砂中的鹽結(jié)晶和貝殼可能會抑制水泥的水化，并發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土的早期抗壓強度相對于普通素混凝土降低約20%。秦斌[8]則研究認為海水和海砂中的鹽分以及海砂的砂質(zhì)對混凝土的抗壓強度影響不大，在相同配合比下海水海砂混凝土和普通混凝土抗壓強度高度接近。另外魯于等[9]研究了水泥品種和摻合料對海水海砂珊瑚混凝土力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)相對于摻入粉煤灰、?；郀t礦渣和聚丙烯纖維，用普通硅酸鹽水泥和添加了高摻量鋼纖維所制備的海水海砂珊瑚混凝土強度明顯提高，提高幅度約為10%～20%。在合理的配合比下，海水海砂混凝土具有優(yōu)越的抗壓性能，在不考慮鋼筋腐蝕的情況下可以替代河水河砂混凝土在建筑中的使用。

2 抗拉強度

關(guān)于海水海砂混凝土的抗拉強度，一些研究表明海水海砂對混凝土抗拉強度有負面影響[10-12]，而也有研究表明海水海砂有助于提升混凝土的抗拉強度[13-14]。秦斌[8]研究發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土劈拉強度僅比同等級普通混凝土提高約2.3%，并且隨著混凝土強度等級的提高，海水海砂混凝土劈拉強度提升幅度減小。而蘇紅艷等[15]研究發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土的劈裂抗拉強度略低于普通混凝土，與同等級混凝土相比降低幅度為4%～12%，并且摻入鋼纖維可以提高其劈裂抗拉強度。結(jié)果上的差異可能由于各地區(qū)海水和海砂品質(zhì)的不同，但偏差不大。

3 抗折強度

針對海水海砂混凝土的抗折強度，許多學者研究表明其抗折強度低于常規(guī)混凝土[12,16,17]，或與常規(guī)混凝土相近[18-19]。李田雨[4]等研究發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土的抗折強度與溫度有關(guān)，在同等養(yǎng)護條件下，海水海砂混凝土28d 抗折強度比普通混凝土低25.4%，而通過熱水養(yǎng)護海水海砂混凝土28d 抗折強度提高23.1%，提高養(yǎng)護溫度可以有改善海水海砂混凝土抗折強度降低的問題。摻入纖維也可以提升抗折強度，Vafaei 等[20]研究發(fā)現(xiàn)相對于普通混凝土，摻入0.3%PVA 纖維的海水海砂混凝土抗折強度提升了12%,但纖維摻量較高(即纖維體積分數(shù)為0.5%)的海水海砂混凝土，其抗折強度有所降低，這可能由于纖維的不均勻分散造成。改善養(yǎng)護條件和摻入纖維都有助于提高海水海砂混凝土抗折強度，但在實際施工中摻入纖維更加便捷有效。

4 單軸受壓應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系

海水海砂混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系能夠為混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和變形提供參考。陳宗平等[21]通過海砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗探究了海砂取代率對其影響，總體上海砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土類似，而特征參數(shù)不同。同一取代率下，海水海砂混凝土峰值應(yīng)力高于淡水海砂混凝土峰值應(yīng)力約11%～26%，峰值應(yīng)變增加約6%～11%。周登飛[22]研究后也得出相似結(jié)論，但在峰值應(yīng)力上意見相左，研究得出海水海砂混凝土的峰值應(yīng)變低于普通混凝土，并認為海水、海砂在水化反應(yīng)中生成的鹽會填充水泥漿的孔隙，降低混凝土的可變形性。Teng 等[23]人研究了海砂種類、拌合及養(yǎng)護用水的類型對超高性能海水海砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，研究表明海水、海砂的使用會降低混凝土的彈性模量，而軸向和環(huán)向峰值應(yīng)變有所提高。

5 延性與耗能

有研究認為受海水、海砂和珊瑚粗骨料因素[24-26]的影響，混凝土脆性較大，延性與耗能能力較普通混凝土有明顯降低[27-29]。而陳宗平等[21]研究認為淡水海砂混凝土的耗能性能僅略大于海水海砂混凝土，不同海砂取代率下，海水海砂混凝土的耗能均值相對于淡水海砂混凝土在0.939～1.016 之間波動。魯于等[9]在對改性海水海砂珊瑚混凝土進行研究時，發(fā)現(xiàn)不同因素條件對海水海砂珊瑚混凝土的耗能延性大不相同。水泥類型會影響試件的延性，相對于普通硅酸鹽水泥，采用低堿度硫鋁酸鹽水泥的海水海砂珊瑚混凝土延性提高了9%；選用粉煤灰和高爐礦渣等礦物摻合料取代水泥時，會降低海水海砂珊瑚混凝土的延性；而摻入適量的不銹鋼纖維和聚丙烯纖都有助于提高海水海砂混凝土延性，其中高摻量的不銹鋼纖維混凝土的延性提高了26.5%。亂向分布的纖維阻礙了混凝土中微裂紋開展，改善了材料的界面過渡區(qū)，阻滯了宏觀裂縫的產(chǎn)生，進而提高混凝土力學性能。因而在考慮提高海水海砂混凝土延性時，可選用單摻或復(fù)摻纖維的方式，而對于礦物摻合料的應(yīng)用上，應(yīng)嚴格控制其應(yīng)用領(lǐng)域。

6 總結(jié)與展望

根據(jù)對上述文獻的研究分析，可以得出以下結(jié)論：

⑴與河水河砂混凝土相比，海水海砂中的鹽類與砂質(zhì)等成分對海水海砂混凝土的抗壓強度有一定的影響。在合理的配合比下，海水海砂混凝土具有優(yōu)越的抗壓性能，可代替普通混凝土。

⑵海水海砂成分差異會對混凝土抗拉強度產(chǎn)生積極或者消極的影響，但影響程度不大。

⑶海水海砂混凝土抗折強度低于或接近普通混凝土，可以通過改善養(yǎng)護條件以及摻加纖維來提高。

⑷海砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土類似，而特征參數(shù)不同，這可能是由于海水、海砂中氯鹽作用的結(jié)果。

⑸海水海砂混凝土延性低于河水河砂混凝土，在實際工程中使用可摻加纖維及礦物摻和料來增加其延性。

目前，對海水海砂混凝土的研究還是偏少，特別是對其動態(tài)力學性能以及復(fù)雜條件下的力學性能分析。未來，應(yīng)加大其各方面的研究，從而推廣海水海砂混凝土的使用，緩解如今內(nèi)陸河水河砂資源不足等問題。