海水海砂再生混凝土的基本力学性能

肖建庄，张　鹏，张青天，沈　军，李　岩，周　颖(. 同济大学土木工程学院，上海　0009； . 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海　0804)

0　引　言

2016年世界范围内混凝土的产量达到250亿t[1]，如此巨大的消耗量必然会导致淡水、河砂以及天然粗骨料资源短缺的问题。国外早已开始利用海水、海砂资源解决建筑资源短缺问题，英国最早开始将海砂作为建筑用砂[1]，2011年海砂已占日本生产预拌混凝土使用的7 000余万t细骨料的12.2%(854万t)。海水、海砂中含有较多氯盐，会影响水泥的水化过程，且腐蚀钢筋，另外海砂中还有较多贝壳，对混凝土的强度、工作性能和耐久性等都有影响[2-6]。对于单独使用海水或海砂作为原材料，大部分学者认为海水或海砂混凝土的早期强度有所增长[6]，28 d强度相差不大，Girish等[7]发现海砂混凝土的28 d强度较普通混凝土低。此外，Cagatay[8]对土耳其1998年和1999年地震毁坏建筑取样分析发现，海砂混凝土的长期抗压强度低于普通混凝土。海砂混凝土的弹性模量与普通混凝土相似[6,9]，其抗折强度略优于普通混凝土[6]。另一方面，海水海砂混凝土耐久性能较普通混凝土低[10-12]。

2015年中国建筑废物产生量超过35亿t，而综合利用率却低于5%。将建筑废物破碎加工成再生粗骨料并运用到混凝土生产中，被视为解决建筑废物处理难题的重要途径[13]。再生粗骨料具有孔隙率较大、吸水率较高、表面残留水泥砂浆等特点[13]，再生混凝土在力学性能、耐久性能等方面与普通混凝土不同[13-17]，研究表明：再生混凝土的28 d抗压强度可以达到一般的标准；再生混凝土早期和后期强度增长速度均比普通混凝土慢；当再生粗骨料替代率增大时混凝土的抗压强度降低；水胶比和替代率对再生混凝土抗拉强度影响很大。

同时使用海水、海砂以及再生粗骨料制备混凝土，既能解决目前资源短缺问题，又能消纳建筑废物，是实现混凝土可持续性的一种途径。Etxeberria等[18]将海水与高炉矿渣水泥以及再生粗骨料组合使用，研究表明：海水提高了混凝土的早期抗压强度，但海水再生混凝土的28 d强度与普通混凝土相当。同时海水再生混凝土的凝结时间有所缩短，其干缩也有所减小。Selicato等[19]使用海水以及被氯离子污染的再生粗骨料浇筑混凝土，发现再生粗骨料对混凝土力学性能的影响大于海水。目前将再生粗骨料同海水、海砂组合制备混凝土的研究尚少，其力学性能影响机理仍有不明之处。

基于沿海地区及海岛建设的工程背景，以及就地取材的需求，直接采用原状海砂和海水，对沿海地区以及海岛工程建设有极大的意义。本文利用海水、原状海砂以及再生粗骨料制备了不同类型的C20～C50混凝土，研究海水海砂再生混凝土的工作性能、立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量等基本力学性能，探讨海水、海砂和再生粗骨料综合运用的可行性。

1　试验方案

1.1　材料性能

细骨料中天然河砂为中砂，细度模数为2.5；原状海砂选用福建海砂，细度模数为2.24，氯离子含量(质量分数，下同)为0.087%，贝壳含量为2.31%。粗骨料中，天然粗骨料为石灰岩碎石，粒径为5～25 mm；再生粗骨料按《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)评定为Ⅱ类再生粗骨料，粒径范围为5～20 mm，吸水率为4.8%，压碎指标为18%。采用聚羧酸系高效减水剂，减水率为15%；采用等级为32.5，42.5，52.5R的普通硅酸盐水泥；拌合水中淡水采用上海市自来水，海水根据ASTM D1141-98标准配制而成。

1.2　混凝土配制

混凝土的配合比见表1。4种类型混凝土中普通混凝土(NAC)采用淡水、河砂、天然粗骨料，再生混凝土(RAC)采用淡水、河砂、再生粗骨料，海水海砂混凝土(SNAC)采用海水、原状海砂、天然粗骨料，海水海砂再生混凝土(SRAC)采用海水、原状海砂、再生粗骨料，再生粗骨料和海水、海砂替代率均为100%。共浇筑240个150 mm×150 mm×150 mm立方体和96个150 mm×150 mm×300 mm棱柱体试件。由于再生粗骨料的吸水率较高,再生混凝土和海水海砂再生混凝土相应增加附加水对其进行补偿，普通混凝土和海水海砂混凝土则无需附加水。

表1　混凝土配合比Tab.1　Mix Proportions of Concretes

1.3　试块制作和试验方法

试块的制作均采用机械搅拌，对新拌混凝土按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)的测试方法进行混凝土坍落度试验。24 h拆模后，将试块放入蒸汽养护室，在规范规定的标准条件下养护至试验龄期。按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2016)分别进行立方体抗压试验、劈裂抗拉试验、轴心抗压试验、弹性模量试验(图1)。

图1　混凝土基本力学性能试验Fig.1　Basic Mechanical Property Tests of Concrete

2　试验结果与讨论

2.1　工作性能

所有海水海砂再生新拌混凝土均能正常浇筑和成型，且具有良好的黏聚性。各混凝土的坍落度如图2所示。由图2(a)可知，C40和C50海水海砂再生混凝土能达到坍落度(220±20) mm的范围，利用海水、海砂和再生粗骨料能配制满足坍落度设计要求且工作性能良好的混凝土。

图2　各混凝土坍落度比较Fig.2　Comparisons of Slumps of Concretes

由图2(b)可知：再生混凝土的的坍落度比普通混凝土降低15%～25%，这是由于再生粗骨料的表面经常附着硬化砂浆等碎屑颗粒，往往不及天然粗骨料表面光滑，从而导致流动性下降；海水海砂再生混凝土的坍落度比普通混凝土降低10%左右，C40和C50强度等级的坍落度比再生混凝土分别提高5%和33%，海砂中含有一定的贝壳，而片状的贝壳会在一定程度上降低混凝土的流动性，另一方面，海砂颗粒的表面比天然河砂圆滑，且粒径较小，导致包裹海砂的水泥浆体有较多残留，可提高混凝土的流动性，因此，海水海砂再生混凝土的流动性受海砂性能和再生粗骨料性能共同控制，本文试验中的海水海砂混凝土流动性与普通混凝土相近，C40和C50优于普通混凝土，可见海水、海砂对混凝土流动性有利；此外，掺入海水、海砂能够降低再生粗骨料对混凝土流动性的不利影响，对混凝土工作性能起到提升作用，再生粗骨料对于海水海砂再生混凝土工作性能的影响程度大于海水、海砂。

2.2　立方体抗压强度

海水海砂再生混凝土的破坏形态呈现为正倒相连的四角锥，与普通混凝土类似，压力机的垫板通过接触面上的摩擦力来约束混凝土试块上下面的横向变形，形成“套箍作用”，导致试块中部先出现裂缝且裂缝向内发展较多。

图3　混凝土立方体抗压强度Fig.3　Cube Compressive Strength of Concrete

图3中再生混凝土比普通混凝土强度普遍降低10%～25%，这是由于再生粗骨料孔隙率较大，表面残留水泥砂浆且来源复杂，从而降低了混凝土抗压强度。海水、海砂与再生粗骨料的组合使用能够降低再生粗骨料强度不足的不利影响，海水海砂再生混凝土的强度普遍比再生混凝土提升10%～20%。海水、海砂中的盐类物质能有效改善再生粗骨料内部尤其是界面过渡区的孔隙结构，通过加强再生粗骨料密实度来达到强化效果，所以海水、海砂中盐类物质对于再生粗骨料起到了改良性能的作用。

图4为混凝土抗压强度随龄期的变化曲线，海水海砂再生混凝土抗压强度随龄期发展规律与其他种类混凝土基本相同，其抗压强度发展较慢，但高于海水海砂混凝土。这是由于再生粗骨料在拌合过程中吸收的多余水分会随着水泥水化的进行释放出来，使得混凝土在较长时间内保持湿度，形成“内养护”作用，从而能促进混凝土抗压强度的发展。再生粗骨料与海水、海砂的组合使用能提高海水海砂再生混凝土的强度发展速度。

图4　混凝土立方体抗压强度随龄期变化曲线Fig.4　Variation Curves of Cube Compressive Strength of Concrete with Age

2.3　轴心抗压强度

图5　混凝土轴心抗压强度Fig.5　Axial Compressive Strength of Concrete

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)及ACI 318-02规范中，混凝土的轴心抗压强度fc与立方体抗压强度fcu的比值为常数，见表2。由表2可知，普通混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值为0.73～0.78，与规范GB 50010—2010中计算值的相对误差最大为5.4%，基本符合规范GB 50010—2010的规律。海水海砂再生混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值为0.62～0.89，与规范GB 50010—2010中计算值相比偏差较大，相对误差范围为-18%～20%。对海水海砂再生混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值使用线性关系进行拟合(图6)，拟合度较高。因此，海水海砂再生混凝土有如下关系

fc=0.788 6fcu

(1)

图6　SRAC的fc, fcu关系Fig.6　Relationship Between fc and fcu of SRAC

2.4　劈裂抗拉强度

劈裂试验中试块均为脆性破坏，且破裂线居中；观察试块破坏面，粗骨料破坏以及沿粗骨料砂浆界面破坏均有发生。图7为混凝土的劈裂抗拉强度。

表2　混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度关系Tab.2　Relationship Between Axial and Cube Compressive Strength of Concrete

图7　混凝土劈裂抗拉强度Fig.7　Splitting Tensile Strength of Concrete

2.5　弹性模量

图8　混凝土弹性模量Fig.8　Elastic Modulus of Concrete

混凝土的弹性模量见图8。由图8可知，不同强度等级海水海砂再生混凝土的静力弹性模量介于28.0～37.7 GPa之间，且随着混凝土强度等级的增加，静力弹性模量随之提高，但并未随强度提高而同比例增长。海水海砂再生混凝土静力弹性模量比普通混凝土降低2%～14%，与再生混凝土相比提高8%～16%。一方面，由于再生粗骨料表面附着水泥砂浆以及内部存在微裂缝，使用再生粗骨料会降低混凝土弹性模量，但海砂粒度较细且含有少量贝壳，贝壳的主要成分为CaCO3，使海砂具有较高的密度，其掺入能降低再生粗骨料对弹性模量的不利影响。另一方面，海水、海砂中的盐类物质对再生粗骨料起到改良性能的作用，能减少再生粗骨料内部微裂缝的数量，提高界面过渡区的性能，从而提高混凝土的弹性模量。

对于普通混凝土的弹性模量Ec，在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和ACI 318-02中分别用式(2)，(3)由立方体抗压强度计算，肖建庄[13]提出用式(4)来描述再生混凝土立方体抗压强度与弹性模量之间的换算关系。

(2)

(3)

(4)

由于并未测量同等条件下混凝土立方体抗压强度，而测定了同等条件下的轴心抗压强度和弹性模量，所以结合式(1)将式(2)～(4)中立方体抗压强度换算成轴心抗压强度，并与试验数据进行对比分析，验证海水海砂再生混凝土弹性模量Ec与轴心抗压强度fc之间的关系，结果如图9所示，可见公式(2)～(4)的关系模型偏于保守，与试验数据拟合程度较差。

图9　Ec与fc关系Fig.9　Relationship Between Ec and fc

对于海水海砂混凝土的弹性模量与轴心抗压强度关系，结合式(1)，基于GB 50010—2010和肖建庄[13]建议的公式，提出修正参数a和b，表示为式(5)；基于ACI 318-02的公式，提出修正参数c和d，表示为式(6)。

(5)

(6)

对数据进行拟合，结果如图10所示，其中a=2.1，b=24.0，c=13 358.2，d=0.27，因此，修正后的弹性模量与轴心抗压强度关系可分别表示为式(7)，(8)，此时式(7)，(8)与试验数据拟合程度较好，判定系数R2均大于0.9。

(7)

(8)

图10　SRAC的fc与Ec关系Fig.10　Relationship Between Ec and fc of SRAC

3　结语

(1)利用海水、原状海砂和再生粗骨料能配制坍落度达到(220±20) mm范围且工作性能良好的混凝土，C40和C50海水海砂再生混凝土坍落度比一般再生混凝土分别提高5%和33%。

(2)海水、原状海砂和再生粗骨料可同时运用于配制C20～C50之间不同强度等级的混凝土。海水海砂再生混凝土的立方体压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度随着养护龄期延长而增加，且长期强度趋于稳定；与普通混凝土相比，7 d抗压强度提高13%～52%，180 d抗压强度降低18%～29%。

(3)海水海砂再生混凝土的静力弹性模量比普通混凝土略有降低，降低幅度为2%～14%。

(4)再生粗骨料对混凝土力学性能、工作性能的影响均大于海水、海砂。

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