海砂混凝土性能與氯離子遷移規(guī)律研究

摘 要：本文以廣東汕尾地區(qū)的海砂、海水為原材料，制備不同配合比的砂漿，并對砂漿擴展度進行測定，結果表明減水劑摻量減少會導致海砂砂漿流動性能降低，并證明硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。基于氯離子擴散系數表達式，利用MATLAB建立混凝土隨機骨料模型，并導入COMSOL軟件中，在不同濃度梯度的混凝土中進行氯離子滲透模擬試驗，結果表明時間與相對濕度不同，氯離子的遷移方式與滲透深度也不同。

關鍵詞：海砂；海水；混凝土；氯離子遷移

中圖分類號：TU 528" 文獻標志碼：A

由于建筑業(yè)的快速發(fā)展，河沙等混凝土原材料的需求與日劇增，但河沙儲量有限，再加上頻繁開采會給生態(tài)環(huán)境帶來無法修復的影響。據有關專家研究，我國近海海域的海砂儲量大概有6.8×1011m3[1]，因此儲量豐富的海砂可作為河沙的代替材料。但海砂中的氯離子含量較高，制備成混凝土后容易在短時間內導致鋼筋銹蝕，從而降低結構的承載力與耐久性能，這將成為限制海砂廣泛應用的重要問題[2]。

本文針對海砂的特點，研究海水制備的海砂混凝土基本性能，并揭示氯離子在海砂混凝土中的遷移特性，從而為海砂混凝土中鋼筋的防銹蝕方法提供參考，對海砂進行推廣應用。

1 海砂混凝土基本性能研究

以廣東汕尾地區(qū)的海砂、海水為原材料，其余制備混凝土的材料均在汕尾地區(qū)采購。摻入粉煤灰、礦粉、硅灰等膠凝材料制備混凝土與砂漿，并通過試驗研究混凝土與砂漿的基本性能。

1.1 砂漿流動性能

與淡水、河沙不同，海水與海砂的成分中含有較多的硫酸鹽與氯鹽，并且含有少量貝殼等雜質，當制備高強度海砂砂漿時，氯離子會與水泥中的Ca（OH）2反應形成CaCl2，其流動性會產生不利影響[3]。因此為研究海水海砂制備的砂漿流動性能，按表1制備不同配合比的砂漿，并進行砂漿擴展度測定。

測定結果A～D的擴展高度分別為152.5mm、157.4mm、231.8mm、168.1mm。由結果可以看出，不添加膠凝材料的A組擴展高度最低，僅152.5mm，砂漿流動性能較差。而摻加了礦粉與粉煤灰的B組與D組雖然擴展高度有一定提高，但提升幅度較小，而摻加了硅灰的C組擴展高度達到231.8mm，流動性最高且提升幅度明顯，說明摻加硅灰能有效改善海砂砂漿的流動性能。

為進一步研究在不同減水劑摻量下硅灰對海砂砂漿的流動性能的影響，將C組分為C1、C2、C3、C4，其中海水、海砂、水泥、硅灰的配合比均為100∶750∶285∶15，C1、C2、C3、C4減水劑分別為3、2.5、1.5、0。按各自配合比進行制備后，對試件進行砂漿擴展度測定。試驗結果如圖1所示。

試驗結果顯示C1、C2、C3、C4的擴展高度分別為231.8mm、207.5mm、181.2mm、161mm。由結果可知減水劑摻量減少會導致海砂砂漿流動性能降低，此時擴展高度不斷下降，當減水劑摻量為0%時，擴展高度降至161mm，但與未添加硅灰的A組相比，擴展高度依然要高出8.5mm，這也說明硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。

1.2 海砂混凝土抗壓強度

混凝土的抗壓強度是衡量混凝土性能的重要指標之一[4]，為研究海水、海砂分別對混凝土抗壓強度的不同影響程度，按表2的配合比分別制備海水+未淡化海砂混凝土（USSC）、海水+淡化海砂混凝土（SSC）與淡水+河沙混凝土（RC），并分別測定其養(yǎng)護齡期在3d、7d、28d的抗壓強度，結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，當水膠比為0.45時，USSC1與SSC1在3d與7d時的早期抗壓強度較高，并且兩者差距不大，比RC1的3d與7d時的早期抗壓強度高7MPa與14MPa左右。由于海水與海砂中濃度較高的氯離子與水泥水化產物Ca（OH）2發(fā)生反應生成CaCl2物質，因此能促進水泥的水化作用，同時海水與海砂本身含有的CaCl2也進一步縮短了混凝土的硬化時間[5]，使USSC與SSC在3d與7d時的早期抗壓強度明顯高于RC，這種趨勢在圖2（b）中也基本一致。

由圖2可知，當齡期為28d時，USSC、SSC與RC的抗壓強度差別不大，并且USSC的抗壓強度在兩組試驗中均大于SSC與RC，可知由海水+未淡化海砂制備的混凝土強度是滿足要求的。

2 氯離子遷移規(guī)律研究

2.1 氯離子在砼中的傳輸機理

氯離子在混凝土中進行遷移傳輸的過程本質上是微觀離子或分子在砼孔隙中溶液的運動軌跡。當混凝土處于飽和狀態(tài)時，氯離子的遷移形式為濃度梯度擴散，當混凝土處于非飽和狀態(tài)時，氯離子的遷移形式為滲透、擴散與毛細吸附的復合作用，此時氯離子擴散效率低，其擴散系數也相應改變。在相對濕度影響下，計算氯離子擴散系數如公式（1）所示。當考慮毛細吸附的時間效應時，計算氯離子擴散系數如公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：Dh、Dc分別為相對濕度在H、Hc時氯離子的擴散系數；HR、Hc分別為砼的相對濕度與臨界相對濕度；Hc一般取值為0.75；DRH（t）為t時刻的砼里氯離子擴散系數；DRH=100%（t0）為t0時刻相對濕度在100%時砼里氯離子擴散系數；t0為毛細吸附時間，為1h。

2.2 氯離子滲透模擬

在混凝土成型后，其內部并非致密而是存在大量微觀上的孔隙空間，而氯離子會通過孔隙水的流動進行遷移運輸，因此遷移的時間與相對濕度均會對氯離子的遷移運輸產生影響。當相對濕度較大時，氯離子的傳輸方式主要為自由擴散。當相對濕度較小時，氯離子的傳輸方式主要為毛細吸附。

假定在混凝土的表面5mm處與環(huán)境進行水分傳輸，以公式（1）作為氯離子遷移模型，在混凝土內部將公式（2）作為氯離子遷移模型。采用MATLAB建立了混凝土的二位骨料隨機模型，其尺寸為100mm×100mm，骨料組成級配為5～20mm，周圍區(qū)域為砂漿，并在骨料與砂漿之間設置70μm的區(qū)域，將其作為界面區(qū)。利用插件將MATLAB里的隨機骨料模型導入COMSOL軟件中，對不同濃度梯度的混凝土氯離子進行滲透模擬試驗。

2.3 時間對氯離子滲透影響

在COMSOL軟件中，以公式（1）為模型的混凝土表面5mm處的相對濕度為0.75，以公式（2）為模型的混凝土內部的相對濕度為0.95，以海水+淡化海砂混凝土（SSC）與淡水+河沙混凝土（RC）為模型，對結合時間為100d與1年的氯離子進行滲透模擬。

試驗結果表明，當結合時間為100d時，氯離子由高濃度的SSC向低濃度的RC進行遷移，但僅滲透到RC的表層。當SSC與RC結合時間到達1年后，氯離子進一步向RC中滲透，并滲透到了RC內部30mm左右，但此時RC表層氯離子含量最高僅為0.075%，不會造成鋼筋嚴重銹蝕。

2.4 濕度對氯離子滲透影響

溫濕度變化對混凝土氯離子傳輸研究表明[6]，相對濕度不同，氯離子擴散的方式也不同。因此在其他條件不變的情況下，將SSC表層的濕度環(huán)境設置為25%～95%，共4個梯度的濕度，并對100d時的結合模型進行氯離子滲透模擬，其結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在結合時間為100d的條件下，隨著SSC表層的濕度下降，更多氯離子從SSC滲透到RC中，且氯離子主要富集在RC的粗骨料表層，這是因為粗骨料內部致密阻斷了水分的傳輸路徑，從而使粗骨料周圍的氯離子產生富集。同時隨著SSC表層的濕度下降，氯離子在RC表層的濃度降低，但滲透深度增加，滲透深度達到38mm左右。

3 結論

本文對廣東汕尾地區(qū)的海砂混凝土性能與氯離子遷移規(guī)律進行深入研究，根據研究情況得出以下結論。1）減水劑摻量減少會導致海砂砂漿流動性能的降低，同時摻入硅灰對海水海砂砂漿的流動性能有積極作用。2）USSC與SSC在3d與7d的早期抗壓強度明顯高于RC，28d時的海水+未淡化海砂制備的混凝土強度是滿足要求的。3）當SSC與RC結合時間到達1年后，氯離子進一步向RC中滲透，并滲透到了RC內部30mm左右，但此時RC表層氯離子含量最高僅為0.075%，不會造成鋼筋的嚴重銹蝕。4）隨著SSC表層的濕度下降，更多氯離子從SSC滲透到RC中，且氯離子主要富集在RC的粗骨料表層。同時隨著SSC表層的濕度下降，氯離子在RC表層的濃度降低，但滲透深度增加，滲透深度達到38mm左右。

參考文獻

[1]樂興，梅世龍，王石磊.白云巖石粉混凝土力學性能試驗研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2023，40（6）：94-100.

[2]劉哲，牟雨龍，胡慶，等.海砂混凝土工程優(yōu)化應用技術研究[J].混凝土世界，2023（9）：64-67.

[3]王瓊，楊倫慶.廣東海砂資源開發(fā)利用問題與對策[J].中國資源綜合利用，2021，39（6）：73-76.

[4]陶濤.淡化海砂水泥砂漿氯離子結合性能研究[D].湘潭：湖南科技大學，2018.

[5]熊衛(wèi)鋒，楊曉峰，段文鋒，等.可溶性氯鹽對摻不同結構聚羧酸減水劑水泥漿體流變性的影響[J].新型建筑材料，2011，38（11）：90-93.

[6]趙蕊，金祖權，曹杰榮，等.海洋環(huán)境中溫濕度變化對混凝土氯離子傳輸研究[J].海洋工程，2018，36（1）：99-106.