廣東汕尾地區(qū)淡化海砂性能研究

李建濤 陳 航 耿志華

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

海砂經(jīng)開(kāi)采淡化后可應(yīng)用于混凝土中的骨料成分，混凝土骨料按顆粒的直徑可劃分為細(xì)骨料與粗骨料兩種，直徑＞4.75mm 一般稱(chēng)為粗骨料，其性質(zhì)對(duì)混凝土的力學(xué)指標(biāo)有較大的影響。直徑在0.15mm～4.75mm 一般稱(chēng)為細(xì)骨料，其作用主要是填充粗骨料之間的間隙，增加混凝土的密實(shí)性能，同時(shí)減少粗骨料之間因拌合過(guò)程而產(chǎn)生的摩擦，能改善混凝土的和易性和流動(dòng)能力。

一般開(kāi)采的海砂直徑小于4.75mm，因此在混凝土中主要充當(dāng)細(xì)骨料的成分，俗稱(chēng)砂。而由于混凝土對(duì)細(xì)骨料的各項(xiàng)指標(biāo)有明確要求，因此該文基于廣東汕尾JH21-09區(qū)塊開(kāi)采的海砂進(jìn)行淡化后進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)，從而客觀地評(píng)價(jià)該區(qū)域開(kāi)采出海砂的各項(xiàng)性能指標(biāo)。其主要包括級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、強(qiáng)度以及密度等方面[1]，并與河沙試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。由于試驗(yàn)項(xiàng)目眾多，因此該文僅簡(jiǎn)略描述試驗(yàn)過(guò)程以及相關(guān)的計(jì)算公式，具體試驗(yàn)操作細(xì)則可查找相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)。

1 工程概況

廣東省汕尾JH21-09 區(qū)塊海砂開(kāi)采礦區(qū)位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側(cè)海域，海域面積2.3km2，海域使用方式為海砂開(kāi)采用海，海砂資源儲(chǔ)量4178.1 萬(wàn)m3，可采資源量3531.65 萬(wàn)m3。進(jìn)行淡化處理后，可應(yīng)用于非承重結(jié)構(gòu)的混凝土中。

2 海砂性能試驗(yàn)

2.1 顆粒級(jí)配與細(xì)度模數(shù)試驗(yàn)

細(xì)度模數(shù)表示不同直徑砂混合后的平均直徑大小，細(xì)度模數(shù)過(guò)大混凝土流動(dòng)性降低，細(xì)度模數(shù)過(guò)小混凝土容易出現(xiàn)離析和泌水等現(xiàn)象，所以合理細(xì)度模數(shù)能有效改善混凝土的性能指標(biāo)。顆粒級(jí)配能反應(yīng)不同直徑砂石的混合情況。直徑大小不一的砂粒進(jìn)行搭配能有效填充大直徑砂粒間的空隙，因此合理的顆粒級(jí)配能使混凝土具有更好的密實(shí)度。按相關(guān)規(guī)范[2]利用篩分法進(jìn)行淡化后的海砂與河沙的顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)試驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1.1 試驗(yàn)步驟

將砂粒進(jìn)行烘干后取500g 作為樣品，經(jīng)過(guò)不同網(wǎng)口大小的方孔篩網(wǎng)由大到小依次篩分，并稱(chēng)取各篩網(wǎng)上留下的砂粒質(zhì)量Gi以及篩底的砂粒質(zhì)量Gd。篩網(wǎng)網(wǎng)口大小及砂粒質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 篩網(wǎng)網(wǎng)口大小取值及余砂表

樣品的在篩網(wǎng)上的余砂量應(yīng)不超過(guò)公式（1）計(jì)算得到的質(zhì)量，若超過(guò)則對(duì)余砂進(jìn)行均分，并再次篩分，知道余砂小于公式（1）計(jì)算得到的質(zhì)量，并將對(duì)應(yīng)直徑下的余砂進(jìn)行求和，得到總的余砂量。

式中：Gr為某一篩網(wǎng)上的余砂量，g；d為方孔篩網(wǎng)的邊長(zhǎng)，mm；A為篩網(wǎng)的面積，mm2。

得到余砂量后，應(yīng)計(jì)算各篩網(wǎng)上的余砂量占樣本砂總重的比值百分?jǐn)?shù)ai，其計(jì)算如公式（2）所示。

然后計(jì)算各對(duì)應(yīng)篩網(wǎng)及比該篩網(wǎng)粗的所有篩網(wǎng)余砂的ai之和Ai，記為累計(jì)篩余百分率。并按公式（3）計(jì)算砂粒的細(xì)度模數(shù)Mx。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)公式（2）、公式（3），對(duì)淡化海砂及河沙的顆粒級(jí)配與細(xì)度模數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 篩分試驗(yàn)結(jié)果表

由表2 可以看出，汕尾09 區(qū)塊的海砂經(jīng)淡化后細(xì)度模數(shù)略大于河沙，砂種類(lèi)均屬于中砂偏細(xì)，兩者無(wú)明顯差別。由規(guī)范[3]知淡化海砂的級(jí)配在Ⅱ區(qū)，可以用于配置C30～C60 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，海砂的顆粒級(jí)配及細(xì)度模數(shù)良好，滿(mǎn)足制備混凝土的要求。

2.2 密度試驗(yàn)

為在配置混凝土?xí)r明確材料的用量以及確定材料的堆放體積時(shí)需要確定材料的堆積與表觀密度。表觀密度是材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，俗稱(chēng)容重，而堆積密度是在粉狀、粒狀或纖維狀態(tài)下松散堆積的單位體積的質(zhì)量。表觀密度的試驗(yàn)采用容量瓶法，堆積密度的測(cè)定采用容量筒法。

2.2.1 試驗(yàn)步驟

表觀密度計(jì)算按以下步驟進(jìn)行：1）制備淡化海砂與河沙的飽和面干樣品m3，質(zhì)量為300g。為減少水分的蒸發(fā)及顆粒的損失，制作完后迅速放置進(jìn)容量瓶?jī)?nèi)，并在瓶中加水至刻度線(xiàn)到500mL 處，并對(duì)瓶身水分進(jìn)行擦拭，記錄此時(shí)的質(zhì)量為m2。2）將之前制作的試樣置于烘箱中進(jìn)行干燥，溫度設(shè)為100℃～110℃，干燥完成并冷卻到室溫后記錄此時(shí)干燥后的質(zhì)量為m0。3）另取相同規(guī)格的容量瓶，洗凈后加入水至刻度線(xiàn)到500mL 處，并對(duì)瓶身水分進(jìn)行擦拭，記錄此時(shí)的質(zhì)量為m1。4）按公式（4）、公式（5）進(jìn)行淡化海砂和河沙的表觀密度ρa(bǔ)和表觀相對(duì)密度γa。

式中：ρw為水在4℃時(shí)的表觀密度，g/cm3。

堆積密度計(jì)算按以下步驟進(jìn)行：1）使用淺底容器稱(chēng)取質(zhì)量為5kg 的試樣，將試樣放置在烘箱中進(jìn)行干燥，溫度設(shè)為100℃～110℃，干燥完成并冷卻到室溫后分成質(zhì)量相等的兩份試樣。2）將溫度在15℃～25℃的水在量筒中裝滿(mǎn)筒容器，并使玻璃板沿銅扣緩慢滑移緊貼水面，使兩者間無(wú)空隙產(chǎn)生，對(duì)瓶身水分進(jìn)行擦拭后進(jìn)行稱(chēng)量并用公式（6）計(jì)算出量筒容積V。

式中：m0為量筒容器的總質(zhì)量，g。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)密度試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)聯(lián)立式（4）～式（7），淡化海砂及河沙的表觀密度與堆積密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 密度試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可以看出，汕尾09 區(qū)塊的淡化海砂堆積密度略高于河沙，表觀密度略低于河沙。造成差異的原因與砂粒的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配有關(guān)系，但兩者均滿(mǎn)足規(guī)范[4]要求中堆積密度不低于1400kg/m3的要求。

2.3 抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)?；炷恋目拐蹚?qiáng)度通常只有抗壓強(qiáng)度的1/3～1/4 水平，但其抗折能力對(duì)混凝土抗彎能力和抗疲勞能力有較大影響，是部分公路工程，港口海岸工程領(lǐng)域的重要參考指標(biāo)。

因?yàn)樵撛囼?yàn)的目的是研究砂的抗折、抗壓能力，須忽略粗骨料對(duì)強(qiáng)度的影響，所以制備水泥砂漿試塊進(jìn)行三點(diǎn)彎曲抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.3.1 試驗(yàn)步驟

按規(guī)范[5]要求制作水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)試塊40mm×40mm×160mm，水泥砂漿配合比按標(biāo)準(zhǔn)配合比進(jìn)行拌制，見(jiàn)表4。

表4 水泥砂漿配合比

按表4 的配合比制作足量的試件個(gè)數(shù)，試件的質(zhì)量誤差控制在±1g 以?xún)?nèi)。

水泥砂漿拌制完成后應(yīng)進(jìn)行振搗成型操作。使用潤(rùn)滑油涂抹模具并固定在振動(dòng)平臺(tái)上，將拌制好的水泥砂漿分兩次裝入模具中，第一次放入300g 的水泥砂漿，抹平后進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)頻次控制為60 次。再將剩余的水泥砂漿放入模具內(nèi)振動(dòng)60 次，振動(dòng)完成后用工具將模具頂端的砂漿抹平。

試件成型24h 后進(jìn)行脫模，并置于19℃～21℃的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。分別在養(yǎng)護(hù)期的7d、28d 時(shí)間段對(duì)試件的抗折、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，為減少誤差，取3 次試驗(yàn)值的平均值作為最后試驗(yàn)結(jié)果。

三點(diǎn)彎曲抗折試驗(yàn)按規(guī)范要求選擇試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)位移速率選擇0.5mm/min，采用恒定加載的方式，將試件正確放置并進(jìn)行試驗(yàn)后可得到對(duì)應(yīng)的荷載-撓度曲線(xiàn)，并按式（8）可換算出對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度。

式中：fz為抗折強(qiáng)度，MPa；F為荷載破壞值，N；l為支撐點(diǎn)間距；b為試件寬，mm；h為試件高，mm。

試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定采用同型號(hào)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)最大壓力為300kN，最小為0.5kN。進(jìn)行壓力試驗(yàn)后得到荷載-位移曲線(xiàn)，并按試件破壞時(shí)的最大壓力荷載以公式（9）換算出對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。

式中：fc為抗壓強(qiáng)度，MPa；P為荷載破壞值，N；A為受壓截面面積，m2。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

抗折強(qiáng)度為每組3 個(gè)試塊的試驗(yàn)結(jié)果平均值，抗壓強(qiáng)度為每組6 個(gè)試塊的試驗(yàn)結(jié)果平均值。通過(guò)公式（8）、公式（9）進(jìn)行換算后，得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

由表5 可知淡化海砂在抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上均略低于河沙。原因可能是由于淡化海砂在微觀層面上的棱角較河沙光滑，造成淡化海砂與水泥砂漿的結(jié)合程度降低，但在力學(xué)性能上均能滿(mǎn)足混凝土的要求。

2.4 淡化海砂性能總結(jié)

在該文中對(duì)汕尾09 區(qū)塊的淡化海砂與普通河沙在顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、表觀密度、堆積密度、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度方面的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，雖然兩者有微小的差別，但是均滿(mǎn)足混凝土相關(guān)規(guī)范，汕尾09 區(qū)塊的淡化海砂能應(yīng)用于混凝土工程中。

3 海砂混凝土施工注意事項(xiàng)

海砂在建筑施工中具有廣闊前景和優(yōu)勢(shì)。但需要掌握正確的使用方法和技巧，并關(guān)注每個(gè)步驟中的要點(diǎn)，充分利用海砂在混凝土中的特性[6]。海砂混凝土是一種常用于海洋工程中的建筑材料。該文將從材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工前的準(zhǔn)備、施工過(guò)程和養(yǎng)護(hù)等方面詳細(xì)介紹海砂混凝土施工的注意事項(xiàng)。

3.1 材料選擇

水泥應(yīng)選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的普通硅酸鹽水泥或海水混凝土專(zhuān)用水泥。與傳統(tǒng)河岸砂的不同之處在于，海砂在抵達(dá)建筑現(xiàn)場(chǎng)時(shí)需要進(jìn)行更徹底的清洗。對(duì)制備高強(qiáng)度混凝土來(lái)說(shuō)也是如此。應(yīng)選用顆粒形態(tài)良好、含鹽量低的海砂，并進(jìn)行清洗和篩分處理。骨料應(yīng)選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)骨料，控制其含水率和含泥量。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

當(dāng)制備混凝土?xí)r，正確地掌握加水量非常重要。如果加水過(guò)多會(huì)使混凝土變得黏稠難以施工；而加水不足會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部氣泡太多影響強(qiáng)度。因此，在調(diào)整混凝土配合比時(shí)，需要結(jié)合海砂的性質(zhì)，確定合適的加水量。

水灰比應(yīng)根據(jù)材料性質(zhì)和施工要求確定適當(dāng)?shù)乃冶龋话悴淮笥?.5。海砂含量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定適當(dāng)?shù)暮Ｉ昂?，一般不超過(guò)50%。骨料粒徑應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度要求和施工方式確定適當(dāng)?shù)墓橇狭健?/p>

加入其他混合材料時(shí)，需要考慮它們與海砂之間的相容性。由于其粒徑分布范圍廣泛，在加入混合材料后，海砂對(duì)整個(gè)混凝土體系的影響較小。但是在加入水泥等膠凝材料時(shí)，需要注意材料的粉末含量是否能夠滿(mǎn)足制備要求。

3.3 施工過(guò)程控制

將海砂、水泥、骨料按配合比加入攪拌機(jī)中進(jìn)行混合，控制混合時(shí)間和速度。混合好后的海砂混凝土通過(guò)輸送泵輸送到澆注機(jī)中，然后通過(guò)澆注機(jī)進(jìn)行均勻澆注。在澆注完成后，應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行振搗壓實(shí)，確保其密實(shí)度和強(qiáng)度。

施工人員應(yīng)具備一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能，并經(jīng)過(guò)相關(guān)培訓(xùn)和考核，確保其安全和可靠性。在海砂混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)注意控制環(huán)境溫度和混凝土溫度，避免出現(xiàn)凍融、開(kāi)裂等問(wèn)題。應(yīng)根據(jù)混凝土的性質(zhì)和施工要求確定合適的施工速度，避免出現(xiàn)澆注不均勻、振搗不到位等問(wèn)題。在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)安全防護(hù)措施，如佩戴安全帽、防護(hù)眼鏡、手套等，避免發(fā)生意外傷害的情況。

混凝土澆注后需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，以保證其強(qiáng)度和耐久性。在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)注意防止海砂混凝土出現(xiàn)干裂現(xiàn)象，可采用噴水或覆蓋濕布等方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。根據(jù)混凝土強(qiáng)度、環(huán)境溫度和濕度等因素確定適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)時(shí)間，并進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制。在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行處理，如打磨、涂刷防水材料等，以提高其耐久性和使用壽命。

4 結(jié)論

該文對(duì)汕尾09 區(qū)塊的淡化海砂與普通河沙的物理性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，與相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)簡(jiǎn)要說(shuō)明了海砂混凝土的施工注意事項(xiàng)，結(jié)論如下：1）海砂經(jīng)淡化后細(xì)度模數(shù)略大于河沙，淡化海砂的級(jí)配在Ⅱ區(qū)，可以用于配置C30～C60 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，海砂的顆粒級(jí)配及細(xì)度模數(shù)良好，滿(mǎn)足制備混凝土的要求。2）淡化海砂堆積密度略高于河沙，表觀密度略低于河沙，但兩者均滿(mǎn)足規(guī)范要求中堆積密度不小于1400kg/m3的要求。3）淡化海砂在抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上均略低于河沙，但在力學(xué)性能上均能滿(mǎn)足混凝土的要求。