海砂超高性能混凝土試驗(yàn)

韋建剛 陳榮 黃偉 卞學(xué)海 麻秀星

摘要：采用未淡化的海砂制備超高性能混凝土（UHPC）和普通混凝土，研究了不同氯離子含量的海砂對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、快速氯離子滲透性以及內(nèi)置鋼筋耐久性的影響，并與普通混凝土進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明，海砂中的氯離子含量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度并不會(huì)產(chǎn)生較大的消極影響；海砂UHPC的臨界孔半徑約為2 nm，與海砂普通混凝土不同，孔隙率隨海砂中氯含量的增加而增加；即使海砂氯離子含量高達(dá)0.636%，海砂UHPC的氯離子滲透性仍可忽略不計(jì)；海砂UHPC中鋼筋在28 d后處于鈍化狀態(tài)并趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：海砂；超高性能混凝土；抗壓強(qiáng)度；孔結(jié)構(gòu)；耐久性

中圖分類號(hào)：TU375????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號(hào)：1000-582X（2024）02-014-08

Experimental study on sea-sand ultra-high performance concrete

WEI Jiangang1，2， CHEN Rong1， HUANG Wei1，3， BIAN Xuehai1， MA Xiuxing3

（1. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350116， P. R. China; 2. College of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， P. R. China; 3. Lets Holding Group Co.， Ltd.， Xiamen 361004， Fujian， P. R. China）

Abstract： In this paper， ultra-high performance concrete（UHPC） and ordinary concrete are prepared using undesalted sea-sand. The impact of sea-sand with varying chloride ion levels on the compressive strength， pore structure and durability of steel embedded in UHPC is investigated and compared with that of conventional concrete. The results show that the chloride ion content in sea-sand does not significantly negatively affect the compressive strength of UHPC. The critical pore radius of UHPC made with sea-sand is approximately 2 nm. Different from sea sand concrete， the porosity of sea-sand UHPC increases with the increase of chlorine content in sea-sand. Even when the chloride ion content in the sea sand is as high as 0.636%， the chloride ion permeability of the sea-sand UHPC remains negligible. The reinforcement in sea-sand UHPC is in a passive state and tends to stabilize after 28 days.

Keywords： sea-sand; ultra-high performance concrete; compressive strength; pore structure; durability

近年來(lái)，大量的重大基礎(chǔ)項(xiàng)目集中在我國(guó)東部沿海城市，但是大部分沿海地區(qū)長(zhǎng)期缺乏河砂資源，利用儲(chǔ)量豐富的海砂資源已成為解決沿海及島嶼地區(qū)建設(shè)用砂短缺問(wèn)題的有效措施。然而，未充分淡化的海砂會(huì)引起鋼筋混凝土銹蝕開(kāi)裂，甚至發(fā)生工程事故，如我國(guó)東部沿海城市發(fā)生的“海砂屋”坍塌事故[1?2]。因此，采用海砂制備普通混凝土前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的淡化處理。傳統(tǒng)的處理方法包括天然灘涂法、海水淡化法、機(jī)械法、混合法、防銹劑法等[3]。由于島嶼環(huán)境條件惡劣，加上淡化技術(shù)復(fù)雜且成本高，無(wú)法滿足快速建設(shè)島嶼基礎(chǔ)設(shè)施的需求。超高性能混凝土（UHPC）是一種新型水泥基工程材料，具有超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性[4?5]；除了內(nèi)部缺乏游離毛細(xì)水外，UHPC具有非常致密的微觀結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的抗?jié)B性能[6?7]，外部的水分、有害離子和氧氣難以滲透到UHPC內(nèi)部。研究表明，UHPC具有優(yōu)異的耐久性，可以有效地應(yīng)用于惡劣的海洋環(huán)境中[8]。這也為直接利用未淡化海砂配制UHPC技術(shù)提供了可行性。文中采用未淡化海砂制備UHPC，研究不同氯離子含量的海砂對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、氯離子快速滲透性及內(nèi)置鋼筋耐久性的影響，制備相應(yīng)的海砂普通混凝土（強(qiáng)度等級(jí)C40）進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)主要原料有：PO 42.5R硅酸鹽水泥（煉石有限公司），硅灰（西寧有限公司0.1～0.2 μm，SiO2≥90%），石英粉（<0.05 mm）和碎石（5～20 mm）。聚羧酸型高效減水劑（福州創(chuàng)業(yè)工程材料有限公司）的減水率為25%。試驗(yàn)用砂包括以下5種：閩江河砂、2種天然海砂（氯離子含量分別為0.035%和0.077%）以及用氯鹽溶液浸泡閩江河砂所制備的2組高濃度模擬海砂（氯離子含量分別為0.328%和0.636%）。砂的性能指標(biāo)如表1所示，砂的粒徑分布如圖1所示。普通混凝土和UHPC的配合比如表2所示。值得注意的是，為消除鋼纖維對(duì)快速氯離子滲透試驗(yàn)的影響，UHPC中不摻入鋼纖維。

1.2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

試件成型：將骨料、水泥、硅灰按照配合比稱量，依次倒入攪拌機(jī)中，干拌3～4 min；隨后將減水劑與水一同混合并倒入攪拌機(jī)中，攪拌4 min；最后，將攪拌完成的UHPC拌合物澆注在試模中。

試件養(yǎng)護(hù)：為了與UHPC養(yǎng)護(hù)條件一致，普通混凝土和UHPC試件均在24 h脫模后進(jìn)行90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)，3 d后放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室直至測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方法

1）立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在齡期7 d和28 d時(shí)，對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為1.5 kN/s，平均值基于3%試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。

2）孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。在AutoPore Master-60型全自動(dòng)壓汞儀上采用壓汞孔隙率測(cè)定法（MIP）進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析，加壓能力為350 MPa。到28 d時(shí)，使用精密切割機(jī)從立方體上切下尺寸為3 mm的小塊樣品。其中，用于MIP測(cè)試的普通混凝土樣品中的粗骨料已被剔除。樣品浸入乙醇至少7 d停止水化，并在烘箱中用50 ℃干燥3 d。

3）快速氯離子滲透試驗(yàn)。滲透性能測(cè)試試件采用直徑100 mm，高度50 mm的圓柱體，在20 ℃下密封固化。主要實(shí)驗(yàn)步驟參考美國(guó)ASTM C1202-12標(biāo)準(zhǔn)[9]。陰極及陽(yáng)極電解液分別為3%質(zhì)量溶度的NaCl溶液和0.3 mol/L NaOH溶液，通電時(shí)間為6 h。

4）鋼筋電化學(xué)測(cè)試。線性極化法是一種評(píng)價(jià)普混凝土中鋼筋銹蝕快速且有效的方法，試驗(yàn)采用該方法比較普通混凝土和UHPC中鋼筋銹蝕行為[13]。如圖2所示，將普通碳鋼棒和不銹鋼棒（8 mm×120 mm）埋入尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的混凝土試塊中。飽和CuSO4溶液作為參比電極與工作電極和輔助電極相連，鋼筋暴露部分用環(huán)氧樹(shù)脂密封。在蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后開(kāi)始測(cè)試并記錄鋼筋的腐蝕電流密度以評(píng)估其銹蝕程度，如圖3所示。

圖3中Ecorr為腐蝕電位；lgic為腐蝕電流密度Icorr的對(duì)數(shù)值；ba和bc分別代表鋼筋極化時(shí)陽(yáng)極和陰極的Tafel斜率，根據(jù)Stern-Geary方程計(jì)算Icorr，如式（1）所示[10]：

I_corr=（2.303（b_a+b_c）R_p）/（b_a b_c ） ， （1）

式中，Icoor為鋼筋的腐蝕電流密度，μA/ cm2; ba為陽(yáng)極Tafel斜率，mV; bc為是陰極Tafel斜率，mV; Rp為極化電阻，即依靠電化學(xué)工作站測(cè)得的微電壓和電流之比，Ω/ cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

海砂普通混凝土和海砂UHPC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度如圖4所示。可以看出，河砂和海砂1制備的同等級(jí)混凝土無(wú)論是7 d還是28 d抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有差別，而海砂2制備的普通混凝土和UHPC抗壓強(qiáng)度均高于其他組，28 d抗壓強(qiáng)度相比河砂組分別提高了4%和13%。主要原因是河砂和海砂1的粒徑分布相似，而海砂2有更合理的粒徑分布（如圖1所示），合理的骨料級(jí)配有利于實(shí)現(xiàn)更高的抗壓強(qiáng)度[11]。此外，模擬海砂制備的普通混凝土和UHPC 的7 d抗壓強(qiáng)度相比河砂組略有提升（在7%和6%以內(nèi)），試件的抗壓強(qiáng)度隨著海砂中氯離子含量的增加而增加。這主要是由于氯離子加速水泥水化，在文獻(xiàn)[12?13]中也有類似的結(jié)果。然而，在28 d時(shí)氯離子不再起促進(jìn)作用，模擬海砂組的抗壓強(qiáng)度略低于河砂組（在5%和4%以內(nèi)）。Grirish等[14]發(fā)現(xiàn)在水化過(guò)程中形成的CaCl2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰?，失去?qiáng)度，導(dǎo)致混凝土在后期的抗壓強(qiáng)度下降。

2.2 孔結(jié)構(gòu)

圖5對(duì)比了28 d齡期海砂普通混凝土和海砂UHPC的孔結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于臨界孔徑，即孔徑尺寸分布曲線上的最高峰對(duì)應(yīng)的孔徑尺寸范圍，如圖5（a）所示，用天然海砂制備的普通混凝土具有與河砂對(duì)照組相似的孔徑范圍，僅是主峰的峰值減少。而采用模擬海砂制備的普通混凝土的臨界孔徑轉(zhuǎn)變到較小的孔徑范圍（10 nm左右），并且峰值的大小隨著氯含量的增加而降低。與此同時(shí)，海砂1制備的普通混凝土與河砂組相比其孔隙率更高，而海砂2則更低，如圖5（b）所示，這與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。對(duì)于模擬海砂組中的孔隙率顯著降低，主要?dú)w因于Friedel鹽的形成填充了普通混凝土的大孔。由圖5（c）可以看出，所有UHPC的孔徑分布沒(méi)有明顯差異，大多數(shù)臨界孔徑接近于2 nm，這是MIP所能測(cè)試到的最小孔徑；其中，模擬海砂2（氯離子含量最高）制備的UHPC具有最大的臨界孔徑。由圖5（d）可以看出，海砂2制備的UHPC孔隙率最低，這與其抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。與普通混凝土相反，模擬海砂UHPC的孔隙率隨氯化物含量的增加而增加，這可能是由于模擬海砂濃度較高，UHPC的致密微觀結(jié)構(gòu)難以填充更多的晶體鹽，導(dǎo)致UHPC微結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一些細(xì)微的孔隙和裂縫。

2.3 快速氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

圖6為普通混凝土和UHPC的7 d和28 d電通量試驗(yàn)結(jié)果。參考ASTM C1202的標(biāo)準(zhǔn)，將圖中的背景分類為5個(gè)區(qū)域，使其更加直觀地評(píng)價(jià)試件抗氯離子滲透性能。各區(qū)域?qū)?yīng)的滲透等級(jí)分別為高（＞4 000 ℃）、中（2 000～4 000 ℃）、低（1 000～2 000 ℃）、很低（100～1 000 ℃）以及忽略水平（＜100 ℃）。可以看出，除了海砂2組，其余試件的電通量都隨著氯化物含量的增加而增加，這歸因于砂中包含的氯鹽能夠有助于電荷的傳導(dǎo)。圖6（a）可以看出，海砂普通混凝土7 d的氯離子滲透性處于“中等到高”的范圍，雖然，28 d時(shí)電通量有所降低，但除了對(duì)照組的普通混凝土具有低滲透性外，其余試件仍處在“中等到高”水平。

從圖6（b）可以明顯看出，7 d和28 d UHPC的氯離子滲透水平均處在忽略不計(jì)的范圍。即使模擬海砂中的氯離子含量高達(dá)0.636%，其電通量值也低于100 C。除了用海砂2制備的UHPC外，UHPC的孔隙率皆隨著海砂氯離子含量的增加而增加，如圖5（d）所示，然而，電通量反應(yīng)出的UHPC氯離子滲透性仍然處于忽略不計(jì)的滲透的范圍，這主要?dú)w因于UHPC中顯著缺乏自由水[15?16]。

2.4 鋼筋的電化學(xué)測(cè)試

由于難以直接測(cè)量UHPC中分布不連續(xù)的鋼纖維的銹蝕情況，文中僅評(píng)估了UHPC中鋼筋的銹蝕行為。分別在1 d、4 d、7 d、28 d、56 d和80 d通過(guò)線性極化法獲得Tafel極化曲線，其中，1 d和28 d的測(cè)試曲線如圖7所示。可以看出，隨著海砂氯離子含量的增長(zhǎng)，鋼筋的腐蝕電位越低，腐蝕電流密度越高。與海砂普通混凝

土相比，隨著齡期的增長(zhǎng)，海砂UHPC中鋼筋的腐蝕電位（腐蝕電流密度）正向移動(dòng)（降低）的幅值更大，在28 d時(shí)基本處于普通河砂UHPC中鋼筋的鈍化狀態(tài)。這是因?yàn)閁HPC致密的微觀結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部缺乏腐蝕必要的水和氧氣，從而使鋼筋表面陽(yáng)極的腐蝕氧化反應(yīng)和陰極的腐蝕還原反應(yīng)難以進(jìn)行。

圖8為普通混凝土和UHPC中鋼筋腐蝕電流密度隨齡期的變化。將腐蝕速率分為4個(gè)銹蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域評(píng)估鋼筋的耐腐蝕性[17]?？梢钥闯?，普通混凝土和UHPC中的鋼筋腐蝕電流密度隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，隨著氯離子含量的增加而增加。由圖8（a）可以看出，海砂普通混凝土中鋼筋早期的腐蝕電流密度均超過(guò)1 μA/cm2，意味著鋼筋均處于快速銹蝕階段。隨著齡期的增長(zhǎng)，鋼筋銹蝕速率雖有所降低，但仍處于高銹蝕速率范圍。而對(duì)于海砂UHPC，如圖8（b）所示，僅模擬海砂2中鋼筋的早期腐蝕電流密度略高于0.1 μA/cm2，在28 d所有鋼筋均處于鈍化狀態(tài)并在后期趨于平穩(wěn)。值得一提的是，海砂2的氯離子含量雖然較高，但其鋼筋腐蝕電流密度卻低于與海砂1組，這歸因于海砂2試件更低的孔隙氯，更致密的微觀結(jié)構(gòu)所含的氧氣和水分含量相對(duì)更少。總的來(lái)說(shuō)，以海砂作為氯化物來(lái)源，UHPC表現(xiàn)出優(yōu)異的護(hù)筋能力。

3 結(jié)? 論

文中研究了海砂對(duì)UHPC和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、氯離子滲透性能及內(nèi)置鋼筋銹蝕的影響。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1）級(jí)配優(yōu)異的海砂有利于提升混凝土抗壓強(qiáng)度；在不考慮級(jí)配的影響下，海砂UHPC的7 d抗壓強(qiáng)度與普通UHPC相比有所提高（在6%以內(nèi)），但28 d抗壓強(qiáng)度有所下降（在4%以內(nèi)），表明海砂中的氯鹽對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度并不會(huì)產(chǎn)生較大的消極影響。

2）海砂UHPC的臨界孔徑在2 nm左右。海砂普通混凝土的孔隙率隨著氯離子含量增大而減小，而海砂UHPC反之。前者主要是由于Friedel鹽的填充作用，后者則可能是由于UHPC的致密微觀結(jié)構(gòu)難以填充更多的晶體鹽，導(dǎo)致UHPC微結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一些細(xì)微的孔隙。

3）海砂UHPC相比海砂普通混凝土具有更優(yōu)異的抗氯離子滲透性能，滲透性處于忽略不計(jì)水平。由于砂中氯鹽的電荷傳導(dǎo)作用，通過(guò)海砂普通混凝土和海砂UHPC的電通量隨著氯離子含量的增加而增加，抗氯離子滲透性能隨齡期增長(zhǎng)而提高。

4）海砂普通混凝土和海砂UHPC中的鋼筋腐蝕電流密度隨著齡期增長(zhǎng)而降低，隨著氯離子含量的增加而增加。海砂普通混凝土中的鋼筋在120 d內(nèi)均處于快速銹蝕范圍，而海砂UHPC中的鋼筋在28 d后均處于鈍化狀態(tài)，且趨于平穩(wěn)。

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（編輯? 陳移峰）