海水混凝土的工作性和物理性能試驗研究

李星高

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

混凝土是全球最常用的建筑材料，其生產(chǎn)在全球每年消耗超過20億t淡水；這大約是全球工業(yè)用水需求的9%[1]?？紤]到全球淡水逐漸匱乏以及海水淡化對環(huán)境的負(fù)面影響，海水代替淡水成為混凝土攪拌水變的很有意義。然而，目前人們普遍認(rèn)為海水不適合用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因為海水中的氯化物含量高，會促進(jìn)鋼筋的腐蝕[2]。

在20世紀(jì)，許多結(jié)構(gòu)都成功地使用海水混凝土建造[3]。這可以看作是利用海水生產(chǎn)混凝土的潛在證據(jù)。鋼筋的腐蝕問題可以通過在非鋼筋混凝土應(yīng)用中使用海水來解決，也可以使用非腐蝕性材料，如纖維增強(qiáng)聚合物來加固混凝土結(jié)構(gòu)。除了重量輕、強(qiáng)度高外，纖維增強(qiáng)聚合物混凝土還具有抗腐蝕能力，因此，在海水暴露條件下，纖維增強(qiáng)聚合物混凝土具有優(yōu)異的耐久性。此外，對纖維增強(qiáng)聚合物混凝土的經(jīng)濟(jì)研究表明，長期成本的節(jié)約可以彌補(bǔ)纖維增強(qiáng)聚合物混凝土相對較高的初始成本[4]。

雖然在混凝土中使用海水似乎是可行的，但仍需要確定海水混凝土的工作性、硬化后的力學(xué)性能和耐久性。有關(guān)海水混凝土的報道在一定程度上是相互矛盾的。雖然大多數(shù)研究得出的結(jié)論是對混凝土強(qiáng)度有輕微的負(fù)面影響，但也有一些研究表明并非如此[5]。使用海水代替淡水進(jìn)行制備混凝土對抗壓強(qiáng)度的確切影響可能取決于海水成分、水泥的化學(xué)成分、混凝土混合物的比例和養(yǎng)護(hù)條件。然而，在接受海水混凝土在土木工程中的應(yīng)用之前，還需要進(jìn)一步的研究，以便在這方面制定完善的設(shè)計規(guī)定，從而最大限度地利用海水進(jìn)行混凝土的生產(chǎn)[6-7]。因此，本文對在混凝土混合物中使用海水的效果進(jìn)行了廣泛的實驗研究。對淡水混凝土和海水混凝土的拌合物坍落度、混凝土固化后的密度和力學(xué)性能、混凝土固化后的滲透特性進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。

1 材料與方法

1.1 材料

配制了2種混凝土混合物：M1是用淡水?dāng)嚢柚苽涞某Ｒ?guī)混凝土，作為對照組；M2是用海水?dāng)嚢柚苽涞暮Ｋ炷?。海水在東南沿海地區(qū)泵入一個便攜式水箱，之后被輸送到混凝土工廠，經(jīng)過織物過濾，儲存在化學(xué)罐中，用于混凝土制備。對海水和淡水進(jìn)行了化學(xué)分析，包括氯化物、硫酸鹽、堿度、總?cè)芙夤腆w和pH值(25℃)的測定，總結(jié)了2種水的化學(xué)分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，2種水的堿度測量都在可接受的范圍內(nèi)。然而，海水中的硫酸鹽、氯化物和溶解性固體明顯高于常規(guī)淡水且超過了允許限值。

本研究采用P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，為了使海水混凝土耐久性更好，采用高爐礦渣替代部分水泥，礦渣的替代率為65%，礦渣的細(xì)度為451m2/kg，普通硅酸鹽水泥細(xì)度為335m2/kg。選用比重為2.68，細(xì)度模數(shù)為2.72，表觀密度為2760kg/m3的砂作為細(xì)骨料；選用比重為2.64，最大粒徑為18.5mm的適當(dāng)級配碎石作為粗骨料。添加了一種商用高效減水劑。根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，2組混凝土的配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.2 測試和觀察方法

1.2.1混凝土拌合物的性能

對2種混凝土混合料的拌合物性能進(jìn)行了測定和比較。通過測試坍落度來衡量混凝土拌合物的工作性。并測量了凝結(jié)硬化后的密度、空氣含量以及相應(yīng)砂漿的初始凝固時間。

1.2.2硬化混凝土的力學(xué)特性

按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，制備尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體用于抗壓強(qiáng)度試驗。制備直徑150mm×高300mm的圓柱形試件用于劈裂抗拉強(qiáng)度試驗?？紤]以下2種養(yǎng)護(hù)條件：

(1)淡水固化：24h后拆除試樣，用淡水固化28d，然后暴露于室外環(huán)境中；

(2)海水養(yǎng)護(hù)：將試樣脫模后浸泡在海水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直到測試時間。這種情況下，可以了解海水對海洋中的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

通過3個變量對混凝土進(jìn)行測試，分別是：①混合水(海水/淡水)；②測試齡期(3、7、28、56d)；③養(yǎng)護(hù)條件(海水/淡水)。每個測試點考慮3個試樣。

對混凝土進(jìn)行收縮率試驗。每組混凝土澆鑄3個100mm×100mm×500mm的棱柱。24h后，拆除模具并浸入水中30min，然后進(jìn)行初始長度測量。將混凝土試件儲存在1個具有風(fēng)干條件的房間中。溫度25±2℃，濕度≤50%。在混凝土拌合后第4、7、14、21、28、56d測量混凝土的收縮率。測量過程中，紀(jì)錄混凝土棱柱初始長度(L0)和混凝土棱柱各齡期的的長度(Lt)。在規(guī)定時間(t)內(nèi)混凝土的收縮率(St)計算公式為長度差除以有效長度L，計算公式如下：

(1)

1.2.3硬化混凝土的滲透性能

為了評估硬化混凝土的耐久性，進(jìn)行了以下3項滲透率測試，反映了海水拌合混凝土的質(zhì)量和其抗化學(xué)侵蝕的能力。

(1)快速氯離子滲透性試驗：通過測定混凝土的電導(dǎo)率，快速判斷混凝土的抗氯離子滲透的能力。

(2)氯化物遷移試驗：在該試驗中，能夠測量混凝土對氯化物的抗?jié)B透能力和確定非穩(wěn)態(tài)遷移系數(shù)。這提供了有關(guān)抗氯離子滲透能力的額外信息，可以與快速氯離子滲透性試驗提供的信息進(jìn)行對比分析。

(3)吸水試驗：測定水通過硬化混凝土表面的滲入量?？紤]到混凝土在腐蝕環(huán)境下的性能與其孔隙系統(tǒng)的滲透性密切相關(guān)，該測試非常重要。

快速氯化物滲透試驗使用庫倫法進(jìn)行測試。在測試中，混凝土芯樣的直徑為100mm，厚度為50mm，2端容器中的溶液分別為的氫氧化鈉溶液和氯化鈉溶液，外加電場為60V，然后每隔30min測量1次通過試件的電流值，試驗持續(xù)6h，最后測定通過混凝土試件的總電量，以比較混凝土的抗氯離子滲透能力。

氯化物遷移試驗按照J(rèn)G/T 262—2009《混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀》進(jìn)行。在測試中，通過施加外部電壓迫使外部氯離子遷移到試樣中。一段時間后，軸向劈開試樣，并在劈開的部位噴灑硝酸銀溶液。然后根據(jù)產(chǎn)生的氯化銀沉淀測量氯離子滲透的深度。利用測量結(jié)果，確定試樣的氯化物遷移系數(shù)，作為混凝土的抗化學(xué)侵蝕指標(biāo)。

制作尺寸為150mm×150mm×150mm的混凝土立方體試塊，養(yǎng)護(hù)72h后取出，通過工具鉆取混凝土芯樣，切除上下表面后制備直徑75mm、高75mm的圓柱體芯樣，然后將芯樣放在110℃的烘箱中烘干3d。芯樣在干燥的密閉容器中冷卻1d后測量芯樣的初始重量(W1)，將芯樣浸泡在水中30min。用布擦拭芯樣表面(即飽和表面干燥)，然后再次稱重(W2)。計算吸水率如下：

(2)

2 結(jié)果和討論

2.1 混凝土拌合物的性能

2種混凝土拌合物的坍落度、密度、空氣含量以及相應(yīng)砂漿的初始凝固時間見表3。2種混凝土拌合物的密度基本相同，分別為2416、2443kg/m3。和預(yù)期的相同，因為海水的密度只比淡水大2%～3%，其余的混凝土成分相同。觀察到空氣含量略有差異，分別為1.37%、1.63%。

表3 2種混凝土拌合物的性能

2種混凝土拌合物的坍落度相差很大，分別為612、476mm。如圖1所示，使用海水后，M2的初始坍落降低，比M1的坍落度值低22%。海水的使用也影響了坍落度的保持率，其中M2比M1的坍落度值減小更快。

圖1 2種混凝土拌合物坍落度與時間的關(guān)系

如圖2所示顯示了混凝土拌合物的滲透阻力與時間的關(guān)系。M1和M2的初始凝固時間(滲透阻力為3.5MPa的時間)分別為396、302min。海水的使用減少了初凝時間，比對照組縮短約24%。海水中存在的NaCl與水泥水化形成的Ca(OH)2反應(yīng)形成CaCl2，CaCl2是水泥水化的強(qiáng)促進(jìn)劑。所以海水能夠加速水泥水化，快速水化導(dǎo)致坍落度、坍落度保持率和凝固時間都有所降低。

圖2 2種混凝土拌合物的初凝時間

2.2 硬化混凝土的力學(xué)特性

混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測量結(jié)果見表4。如圖3所示，使用海水?dāng)嚢钑够炷猎缙?3、7d)的抗壓強(qiáng)度略有提高。28d及以后齡期時，海水混凝土的抗壓強(qiáng)度比淡水混凝土低約9%；如圖4所示抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果表明，使用海水?dāng)嚢钑够炷恋目估瓘?qiáng)度在最初的7d略有增加，28d及以后齡期時，海水混凝土的抗拉強(qiáng)度下降約9%～10%。海水混凝土早期強(qiáng)度較高可以歸因于水化過程的加速，從而導(dǎo)致孔隙度降低，因此強(qiáng)度較高，而長期強(qiáng)度的降低可能取決于水泥和海水化學(xué)性質(zhì)，補(bǔ)充膠凝材料的使用，以及所使用的養(yǎng)護(hù)制度。

圖3 混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖4 混凝土的抗拉強(qiáng)度

表4 2種混凝土的力學(xué)性能 單位：MPa

海水養(yǎng)護(hù)使2種混凝土早期抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均略有提高。但在28d齡期及以后，海水養(yǎng)護(hù)對M1的力學(xué)性能有輕微的負(fù)面影響，而對M2的力學(xué)性能幾乎沒有影響，說明海水混凝土在海洋條件下具有良好的性能。

如圖5所示，顯示了每種混凝土的收縮率(%)與時間的關(guān)系。每個測試點取3次測量的平均值。可以看出，在21d后，混凝土收縮率的增加速度降低。在第56d，M2的收縮率略高于M1(在5%以內(nèi))。海水對干收縮率的輕微影響可能是由于孔隙溶液中存在氯化物或在海水混凝土中形成了更細(xì)的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖5 混凝土的收縮率

2.3 硬化混凝土的滲透性能

總結(jié)了氯化物快速滲透、氯化物遷移和吸水率試驗結(jié)果見表5。在28、56d對2組混凝土進(jìn)行測試。每個測試點代表2個樣品的平均值。

如圖6所示，28d齡期M2的測試值大于M1，隨著時間的增加，M1和M2氯離子滲透性測試值減??；56d齡期M1的測試值大于M2，但相差不大。如圖7所示，氯離子遷移試驗的測試值M1均高于M2，隨著時間的增加，M1和M2氯離子遷移試驗的測試值減小。這是由于水泥的持續(xù)水化導(dǎo)致混凝土性能的逐漸改善，測試值逐漸減小。

圖6 快速氯離子滲透性測試結(jié)果

圖7 氯化物遷移試驗測試結(jié)果

圖8所示，不同齡期時，M1的吸水率均高于M2的吸水率，但數(shù)值相差不大，隨著時間的增加，M1和M2的吸水率減小。由圖6—8可以看出，水泥的持續(xù)水化導(dǎo)致混凝土性能得到改善，根據(jù)M1和M2的測試結(jié)果，海水混凝土對硬化混凝土的滲透性影響不大。

圖8 2種混凝土吸水率測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文對海水混凝土的工作性能和物理性能的試驗研究，結(jié)果顯示海水混凝土與淡水混凝土拌合物的密度、和空氣含量相同；坍落度、坍落度保持率和初凝時間顯著降低，坍落度降低22%，初凝時間減少24%；收縮率略高于淡水混凝土，56d齡期時，2種混凝土的收縮率相差不到5%；氯化物快速滲透、氯化物遷移和吸水率試驗測試結(jié)果相差不大，因此，海水混凝土對硬化混凝土的滲透性影響不大；混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最初略有增加，7d齡期后逐漸降低，下降了9%～10%。本文僅對海水用于混凝土拌合物的部分性能參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果具有一定的局限性，海水用于混凝土拌合的可行性仍需要全面深入研究。