海水海砂混凝土力學(xué)性能研究綜述

韓 剛，王學(xué)志，辛 明，蔡金娜

海水海砂混凝土力學(xué)性能研究綜述

韓 剛1，王學(xué)志1，辛 明1，蔡金娜2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001）

通過討論硫酸鹽、氯鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理，總結(jié)利用海水海砂拌合混凝土的可行性。歸納大量學(xué)者對海水、海砂、珊瑚砂混凝土力學(xué)性能的研究成果，發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土有較好的力學(xué)性能，并對下一步研究方向給出了建議。

硫酸鹽；氯鹽；海水海砂混凝土；力學(xué)性能

隨著各國的不斷發(fā)展，基建規(guī)模日益擴(kuò)大，其中混凝土作為建設(shè)原料也隨之不斷增加，作為混凝土細(xì)骨料的河砂需求量也不斷變大，根據(jù)《2015—2020年中國破碎設(shè)備行業(yè)市場分析與投資戰(zhàn)略規(guī)劃報告》，中國的砂石總產(chǎn)量約占世界砂石資源總產(chǎn)量的1/3，在2014年中國砂石的需求量就已經(jīng)達(dá)到了140×1010t，并且隨著需求量的不斷提高，預(yù)計在2030年可達(dá)250×1010t。隨著河砂資源的日益枯竭，海砂受到了人們的關(guān)注。王圣潔等[1]研究發(fā)現(xiàn)，我國近海海砂資源豐富，總資源67.96×1010～68.49×1010m3。我國有豐富的海砂資源，近海地區(qū)的建設(shè)如何做到就地取材，使資源合理利用，近年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。其中發(fā)達(dá)國家例如英、美、加、日等早就大量開采并且利用海砂資源進(jìn)行建設(shè)，日本為最大的海砂出口國家。日本的海砂應(yīng)用較普遍，其沿海地區(qū)43個縣有20個縣不同程度地使用海砂，其中7個縣在建筑中使用的混凝土用砂90%以上都是海砂[2]。另外文獻(xiàn)可查海砂較早的應(yīng)用實例在艾尼爾島上的建筑中，盡管隨時間推移島內(nèi)的建筑有著不同程度的破壞，但建筑中的計時房損壞較輕[3]。另外在國內(nèi)的沿海地區(qū)，例如寧波等地區(qū)海砂的應(yīng)用較為普遍和成功。實踐證明，分選良好的海砂經(jīng)過淡化處理后，可以廣泛應(yīng)用于素混凝土工程。

1 海水成分組成及海砂特性

海水的化學(xué)成分比較復(fù)雜，其中氯鹽、硫酸鹽含量較高且對混凝土性能影響較大。氯鹽包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀；硫酸鹽包括硫酸鈉、硫酸鎂等[4]。表1為中國沿海各個港口海水化學(xué)成分[5]。規(guī)范ASTM D1141—98中為人工海水的配制提供依據(jù)，見表2[6]。

表1 中國沿海部分港口海水成分表

海港名稱海水化學(xué)成分百分比/%總鹽濃度/(mg·L-1)pH SO42-Mg2+Cl-Ca2+ 大連7.55683.898555.34771.4202287298.5 秦皇島7.57103.747255.34311.2065313307.9 天津8.18213.800155.36491.5845304207.9 蓬萊7.60273.834755.34501.3472285038.4 煙臺8.60583.668753.98321.5269286207 青島8.26444.975955.0964-290408 連云港7.58623.841135.46211.3157301738

表2 海水化學(xué)成分組成 mg/L

組成成分濃度 NaCl24530 MgCl25200 Na2SO44090 CaCl21160 KCl695 NaHCO3201 KBr101 H3BO327 SrCl225 NaF3

海砂為天然砂的一種，與河砂相比顏色比較深，海砂的級配與河砂較為相近，但天然海砂內(nèi)含有少量貝殼，珊瑚等碎屑[7]。在使用海砂時應(yīng)考慮其對混凝土性能的影響。另外與河砂相比海砂的氯離子含量較高，而氯離子會加速鋼筋的腐蝕，這影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性能。因此在使用海砂時應(yīng)該根據(jù)規(guī)范嚴(yán)格控制氯離子濃度。

2 海水化學(xué)成分對混凝土的影響

海水中含有較高的氯鹽和硫酸鹽，氯鹽和硫酸鹽會影響混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，下面討論二者對混凝土的影響。

(1)單獨(dú)硫酸鹽對混凝土的影響

金祖權(quán)等[8]通過對比混凝土試件在Na2SO4與MgSO4溶液中的浸烘循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)混凝土在Na2SO4溶液中發(fā)生膨脹破壞，破壞過程包括3個階段：初始劣化階段、性能改善階段、性能劣化階段?；炷猎贛gSO4溶液中會產(chǎn)生剝落破壞。并且混凝土的動彈性模量與質(zhì)量有所變化，實驗結(jié)果呈現(xiàn)出前期有所下降、中期穩(wěn)定、后期加速下降的趨勢。張光輝[9]比較詳細(xì)總結(jié)了混凝土在不同濃度的Na2SO4與MgSO4溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)混凝土在不同濃度的硫酸鹽溶液中發(fā)生腐蝕的反應(yīng)機(jī)理不同。Rapha?l等[10]認(rèn)為溶液的鹽濃度與種類發(fā)生變化，混凝土的侵蝕機(jī)理也有所不同?；炷两菰贜a2SO4溶液中，當(dāng)SO42-濃度小于1 000 mg/L反應(yīng)主要生成石膏；當(dāng)SO42-濃度在1 000～8 000 mg/L反應(yīng)產(chǎn)物不但有石膏還有鈣礬石。在MgSO4溶液中當(dāng)SO42-濃度小于4 000 mg/L時反應(yīng)的主要產(chǎn)物為鈣礬石；當(dāng)SO42-濃度在4 000～7 500 mg/L反應(yīng)產(chǎn)物會同時出現(xiàn)石膏與鈣礬石；當(dāng)SO42-濃度大于7 500 mg/L時鎂離子腐蝕占主導(dǎo)地位?；炷猎诹蛩猁}的影響下會發(fā)生腐蝕，腐蝕的產(chǎn)物主要是石膏與鈣礬石，隨著腐蝕周期的增加，石膏與鈣礬石的量不斷增加，使得混凝土的強(qiáng)度有所降低。

(2)單獨(dú)氯鹽對混凝土的影響

楊寧等[11]研究發(fā)現(xiàn)Cl-對混凝土的腐蝕作用分為2個階段：當(dāng)Cl-濃度較低時，Cl-參與水泥的水化，加速水泥的水化反應(yīng)使混凝土的早期強(qiáng)度有所加強(qiáng)；當(dāng)Cl-濃度較高時，Cl-對混凝土有腐蝕作用。Cl-先與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCl2，而CaCl2又與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成體積更大而強(qiáng)度較低的3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O，這改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得混凝土強(qiáng)度降低。李中華等[12]通過對比不同的鹽溶液對混凝土的腐蝕實驗，發(fā)現(xiàn)對混凝土腐蝕能力較大的為硫酸鹽，氯鹽對混凝土腐蝕程度影響較小。

(3)硫酸鹽與氯鹽對混凝土共同影響

梁詠寧等[13]通過浸泡實驗，研究了氯鹽與硫酸鹽對混凝土性能的影響，研究表明，隨著溶液中氯鹽濃度不斷增加會影響硫酸鹽對混凝土腐蝕的速率，并且發(fā)現(xiàn)溶液中氯鹽的濃度越高對硫酸鹽腐蝕的延緩作用越大。吳慶等[14]將混凝土試塊浸泡在不同濃度的氯鹽和硫酸鹽的混合溶液中，實驗結(jié)果表明，混合溶液中的氯離子可以減緩硫酸根離子的擴(kuò)散能力，從而降低硫酸鹽對混凝土的腐蝕。并且發(fā)現(xiàn)不同的氯離子濃度對硫酸鹽腐蝕作用的減緩能力有所不同，氯離子濃度越高減緩硫酸鹽腐蝕能力越強(qiáng)。陳曉斌等[15]將混凝土試塊噴淋浸泡硫酸鹽和氯鹽溶液，模擬混凝土結(jié)構(gòu)在地下受硫酸鹽與氯鹽侵蝕。分析實驗結(jié)果表明，在腐蝕初期氯鹽和硫酸鹽有互相牽制的作用，這使得在腐蝕初期混凝土的抗腐蝕系數(shù)變大，隨著時間的推移和腐蝕周期的延長，抗腐蝕系數(shù)不斷減小。劉加平等[16]通過復(fù)合硫酸鹽-氯鹽對水泥材料的影響，研究結(jié)果表明，Cl-對SO42-的侵蝕影響分為3個階段：最初Cl-會抑制SO42-侵入試件內(nèi)部的傳輸率，其次Cl-會降低SO42-的固定率，最終Cl-與混凝土反應(yīng)產(chǎn)生的F鹽會減小混凝土內(nèi)部的孔隙，從而進(jìn)一步減少SO42-對混凝土的腐蝕。Xu[17]研究了混凝土中不同的SO42-濃度對氯離子的結(jié)合能力的影響，實驗結(jié)果表明，隨著溶液中SO42-濃度不斷增加，溶液中與混凝土結(jié)合的Cl-會有所降低，從而減緩Cl-對混凝土的侵蝕。Geng等[18]研究了氯鹽與硫酸鹽耦合作用下混凝土腐蝕產(chǎn)物的變化情況。發(fā)現(xiàn)F鹽與鈣礬石的生成和分解關(guān)系較密切，腐蝕初期由于Cl-侵入速度較快，進(jìn)而與混凝土反應(yīng)生成F鹽的速度較快，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物達(dá)到一定量時，SO42-會繼續(xù)進(jìn)一步與混凝土中的鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，反應(yīng)產(chǎn)物會阻礙Cl-侵入，使得Cl-排放到孔隙液中。

3 海水海砂混凝土力學(xué)性能研究

早在20世紀(jì)90年代，盧博等[19]利用海水珊瑚砂制作素混凝土，并通過實驗發(fā)現(xiàn)該混凝土有足夠的強(qiáng)度，可用于道路、堤壩等素混凝土工程。陳兆林等[20]通過對海島工程修補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)海水拌合珊瑚砂在施工工藝達(dá)到的前提下，海砂混凝土各項力學(xué)性能可以達(dá)到要求，實踐證明該混凝土可以用于島礁損壞的修補(bǔ)和搶修。嚴(yán)明等[21]以實驗的方法探究了摻合料對海水海砂混凝土強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果表明，不同摻合料對混凝土強(qiáng)度影響效果不同，其中礦渣對混凝土后期強(qiáng)度增長趨勢影響明顯，粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度增長量影響最大。Guo等[22]在研究天然海水海砂混凝土?xí)r，發(fā)現(xiàn)盡管海水海砂對混凝土強(qiáng)度有一定阻礙，但整體力學(xué)性能與普通混凝土相比無較大差異。陳宗平等[23]研究了不同海砂取代率對混凝土的力學(xué)性能影響，結(jié)果表明，海砂取代率對混凝土力學(xué)性能影響不大。李田雨等[24]制作了高性能海水海砂混凝土，發(fā)現(xiàn)28 d混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比有所降低，并發(fā)現(xiàn)使用熱水養(yǎng)護(hù)能提高抗折、抗壓強(qiáng)度。肖建莊等[25]設(shè)計并制作了海水海砂再生混凝土，研究結(jié)果表明，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度提高13%～52%；38、90、180 d抗壓強(qiáng)度分別降低5%、15%、18%。并發(fā)現(xiàn)與海水海砂相比，再生骨料對混凝土的力學(xué)性能影響更大。郭東等[26]采用海水拌合珊瑚礁砂混凝土，研究結(jié)果表明，與普通河砂混凝土相比，海水拌和珊瑚礁砂混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快，但后期增長緩慢，并且抗折與劈裂抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相比沒有明顯差異。但由于珊瑚本身疏松多孔的特性，珊瑚砂混凝土后期的抗壓強(qiáng)度與河砂混凝土相比較低。Li等[27]對海水海砂及海水珊瑚砂混凝土進(jìn)行了實驗研究，試驗結(jié)果表明，與普通混凝土相比，海水海砂及海水珊瑚砂混凝土彈性模量略低，加入粉煤灰與礦渣可改善海水海砂混凝土力學(xué)性能。Li等[28]發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)的條件下，海水海砂混凝土強(qiáng)度變化較小，在海水海砂混凝土的拌合料中摻入礦渣，發(fā)現(xiàn)礦渣能減緩海水海砂混凝土后期強(qiáng)度下降趨勢。劉偉等[29]采用河砂、淡化海砂、原狀海砂進(jìn)行對比實驗，試驗結(jié)果表明，與普通河沙混凝土相比，海砂混凝土具有較好的工作性能與力學(xué)性能，在不考慮鋼筋腐蝕情況下可以使用海砂代替河砂。海砂中的氯鹽與少量貝殼對混凝土力學(xué)性能影響不大。Limeira等[30]研究發(fā)現(xiàn)，海砂基本力學(xué)性能與河砂基本一致，原狀海砂可以等同于河砂使用。如果與鋼筋共同使用鋼筋必須做防銹處理。趙文成等[31]以不同地區(qū)的海砂為細(xì)骨料，制作了混凝土試塊，并以干濕循環(huán)的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，實驗結(jié)果表明，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度仍有所上升，而后有所下降。并且添加一定濃度的亞硝酸鈣可以提高抗壓強(qiáng)度。秦斌[32]制作了3種不同強(qiáng)度的海水海砂混凝土試塊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比海水海砂混凝土有較好的基本力學(xué)性能，海水中的鹽分與海砂中的砂質(zhì)對混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本沒有不良影響。蘇紅艷等[33]制作了海水海砂鋼纖維混凝土，通過實驗發(fā)現(xiàn)，海水海砂鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能均低于普通河砂混凝土，但隨著混凝土強(qiáng)度等級與鋼纖維摻量的提高兩者差距逐漸減小。

4 結(jié)語

論述了海水海砂中的化學(xué)成分(硫酸鹽、氯鹽)對混凝土的影響，總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者的研究，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽和氯鹽的耦合作用可以減緩混凝土的腐蝕，這是海水海砂可以用到混凝土中的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外許多研究表明，海水海砂可用于混凝土中，并且通過大量實驗發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土的力學(xué)性能略有降低，但加入外摻料(粉煤灰、礦渣、鋼纖維等)可以改善混凝土力學(xué)性能降低的現(xiàn)象。另外發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土的研究在基本力學(xué)性能方面較多，但在混凝土的耐久性方面的研究比較單一，在實際工程中混凝土所處的環(huán)境往往比較復(fù)雜，并且混凝土多以構(gòu)件的形式存在。所以更應(yīng)該開展在多因素耦合作用下海水海砂混凝耐久性和構(gòu)件研究。

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Summary of Research on Mechanical Properties of Marine Sand Concrete

HAN Gang1, WANG Xue-zhi1, XIN Ming1, CAI Jin-na2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China 2.Engineering Training Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

By discussing the corrosion mechanism of sulfate and chlorine salt on concrete, the feasibility of using seawater and sea sand to mix concrete was summarized. A large number of scholars’ research results on the mechanical properties of seawater, marine sand and coral sand concrete are summarized, and it is found that sea water sand has better mechanical properties.

chlorine salt; seawater sea sand concrete; mechanical properties

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.012

TU528.59

A

1674-3261(2021)06-0405-04

2020-08-06

國家自然科學(xué)基金項目(51479168)；遼寧省自然科學(xué)基金項目(2015020214)

韓 剛(1996-)，男，遼寧綏中人，碩士生。

王學(xué)志(1976-)，男，遼寧錦州人，教授，博士。

責(zé)任編輯：孫 林