不同掺量的海砂对管桩混凝土性能影响的研究

刘娟红 凌 洁 梁 俊

（1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2.天津宝丰混凝土桩杆有限公司，天津 300000）

近年来，随着经济的飞速发展，我国每年生产混凝土约20亿m3，加上砂浆及其他用途，每年需要30亿吨以上的建筑用砂。建筑用砂的来源，早期一般以河砂为主。但如此大规模用砂持续了多年后，许多地方已经出现江河砂资源匮乏短缺的情况。尤其在我国沿海的一些地区陆续出现河砂资源短缺的现象后，滥用海砂的现象变得越来越严重。我国的海岸线绵长。具有丰富的海砂资源。然而海砂替代河砂作为建筑用砂具有两面性，一方面能够避免河砂的过度开采导致的环境生态问题，解决河砂资源短缺的现象，另一方面是因为海砂中含有能够腐蚀钢筋的氯离子，滥用海砂就会产生“海砂屋”等类型的严重工程问题[1-2]。

以上事实，使越来越多的国内外学者认识到了海砂混凝土结构耐久性研究的重要性和迫切性，目前相关的研究主要围绕海砂淡化、淡化海砂混凝土的性能、海砂混凝土的应用、钢筋的锈蚀机理及阻锈措施这四个方面展开。而对于海砂混凝土的使用环境及特殊养护机制对混凝土性能的影响研究很少。本文主要研究了海砂部分或者全部取代河砂作为细骨料对管桩混凝土性能的影响。对其和易性、强度、抗氯离子渗透性能、抗钢筋锈蚀能力性能进行了试验分析。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

盾石牌P·O42.5型水泥，主要性能见表1；宝丰管桩厂自行研磨的石英砂粉，SiO2含量大于90%，比表面积为420m2/kg～450m2/kg；II级粉煤灰，主要性能见表2；天津市蓟县碎石，含泥量、针片状颗粒含量、压碎指标符合GB/T14685要求；天然河砂和未脱盐海砂，主要性能指标见表3；天津延顺牌UNF-5高效减水剂，属于多环芳香族磺酸盐系（萘系）减水剂。

1.2 试验方法

本文的研究是具体有不同掺加比例海砂（50%～100%）对管桩混凝土的和易性能、抗氯离子渗透性能和抗钢筋锈蚀性能的影响研究。抗氯离子侵蚀能力试验中，使用混凝土切割机将与管桩同条件下养护28d的混凝土试件切割成100mm×100mm×50mm的试样。采用我国NEL 氯离子扩散系数法对管桩混凝土的抗氯离子渗透性能进行试验。抗钢筋锈蚀性能试验中，将钢筋混凝土试件与管桩同条件养护至龄期后分两组分别置于盐雾环境与自然环境条件下，盐雾试验采用连续喷雾4h，间隔20h为一个周期。

管桩的养护工艺采用普通蒸汽养护和蒸压养护。其中常压蒸汽养护为初始养护阶段。初始养护阶段可分为四个阶段：静停养护阶段、升温阶段（升温速率一般为25℃/h～40℃/h）、恒温阶段（恒温温度一般为70～80℃）和降温阶段。蒸压养护全过程一般为7h～10h，蒸汽压力0.95MPa～1.0MPa，蒸压温度180℃～200℃。

2 试验结果与讨论

2.1 不同海砂掺量对管桩混凝土和易性能的影响

本试验中对和易性的检测采用的是坍落度法。不同海砂掺量的混凝土配合比见表4，不同海砂掺量的混凝土和易性见表5。

由表5中试验结果可知，随着海砂掺量的增加，混凝土的和易性开始下降，当海砂掺量由50%到70%变化时，混凝土的黏聚性和保水性均由良好变为一般，坍落度由45mm降为35mm，此时混凝土和易性仅能满足最基本要求。这是因为，海砂的细度模数高，低于细砂。随着海砂掺量的增加，要达到相同的和易性，需水量就会增加，为了使得混凝土的和易性得到改善同时保证混凝土的强度，实验采用增加减水剂的掺量的方法来试配。海砂掺量由80%到100%变化时，减水剂掺量均由3.5%调整到4.0%，海砂掺量为80%时，混凝土的坍落度由之前的35mm上升到了45mm，黏聚性从一般变为良好，保水性由一般变为优良，试验效果理想。因此，海砂掺量的增加在一定程度上降低了混凝土的和易性，但通过增加减水剂掺量的方法完全可以解决这一问题。

表1 盾石P·O 42.5型水泥的主要参数

表2 粉煤灰的主要性能

表3 试验所用砂子主要性能

表4 不同海砂掺量的混凝土配合比（kg/m 3）

2.2 不同海砂掺量对管桩混凝土强度的影响

不同海砂掺量的配合比见表4，不同海砂掺量的混凝土力学性能见表6。

实验结果表明：管桩混凝土的蒸养强度并没有随着海砂掺量的增加呈现出一定的规律性，最低强度为69.3MPa，完全满足管桩脱模强度不低于C40的要求。管桩混凝土的蒸压强度则随着海砂掺量的增加而增加，但变化幅度较小，蒸压强度浮动范围为88.7MPa到91.3MPa，能够满足高强预应力混凝土管桩强度等级要求。由此可见，海砂掺量的变化除了减水剂的用量有一些增加，对强度并无不利影响，从而为大掺量海砂管桩混凝土的应用提供了理论和技术上的支持。

表5 不同海砂掺量的混凝土和易性

表6 不同海砂掺量的混凝土力学性能

2.3 不同海砂掺量对管桩混凝土抗氯离子侵蚀能力影响

不同海砂掺量的混凝土配合比见表4，不同海砂掺量的混凝土氯离子扩散系数变化曲线见表7。

表7 不同海砂掺量混凝土扩散系数表

从表7中可以看出，随着海砂掺量的增加，氯离子扩散系数先减少后增大，掺量在90%左右时达到最小，为144×10-14m2/s；由数据可知，海砂掺量从50%到100%变化范围内，氯离子扩散在159～367×10-14m2/s之间，根据氯离子渗透试验规范可知氯离子抗渗等级均属于中等。从整体上看，海砂掺量的增加对管桩混凝土的抗渗性能影响不大。

2.4 不同海砂掺量对管桩混凝土抗钢筋锈蚀性能影响

不同海砂掺量的混凝土配合比见表4，不同海砂掺量的钢筋锈蚀情况见表8。实验分别测定了各配合比下两组钢筋的初始质量和在不同环境下养护一定龄期后经过除锈处理的钢筋后期质量，通过计算钢筋失重率的方法对钢筋的锈蚀情况进行评价。

由表8得出的钢筋截面面积损失率相对钢筋整体面积来说是一个极其微量的值，不足以形成钢筋失效的原因。而有关研究[3]也表明当钢筋无锈蚀时，其锈蚀失重率为处理钢筋过程的钢筋消耗量，其消耗量基本稳定在0.10%～0.25%之间；锈蚀失重率在0.25%～0.40%的为轻微锈蚀；锈蚀失重率大于0.40%的为钢筋锈蚀。由此可知在自然养护和盐雾养护条件下钢筋均无锈蚀发生，海砂掺量的变化不是影响管桩混凝土钢筋锈蚀的因素。

表8 不同海砂掺量钢筋锈蚀率

结论

（1）海砂掺量的增加在一定程度上降低了混凝土的和易性，但通过增加减水剂掺量的方法完全可以解决这一问题。

（2）海砂掺量的加大除了减水剂的用量有一些增加外，对强度并无不利影响。

（3）随着减水剂掺量的逐渐增加，混凝土的工作性逐步得到改善，减水剂掺量为4%时混凝土整体性能较好。

（4）海砂掺量从50%到100%变化范围内，氯离子渗透系数变化范围为144×10-14m2/s～367×10-14m2/s，均属于中等渗透水平，从整体上看，海砂掺量的增加对管桩混凝土的抗渗性能影响较小。

（5）在自然养护和盐雾养护条件下钢筋均无锈蚀发生，海砂掺量的变化不是影响管桩混凝土钢筋锈蚀的因素。

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