海水海砂再生混凝土力学性能研究

谢 钢 徐焕林

（广东工业大学土木与交通学院）

我国城市化进程中会产生大量的建筑废料和建筑垃圾，中国仅就2018 年产生了高达17 亿吨的建筑垃圾，且综合利用率不足5%，给我们的污染防治带来了巨大的困扰。将建筑垃圾经过有效处理变为再生骨料，在给我们的环境治理带来很大帮助的同时，还能够很好的保护土地资源，带来较高的经济和社会效益。

目前我国河砂、淡水资源缺乏，同时受限于地理位置，海砂和海水的获取有一定的困难，然而在我国经济较为发达的东部沿海地区的基础建设和建筑需要用到大量建筑原材料[1]。而东部的沿海地区有丰富的海水、海砂资源储备，充分有效地利用海水、海砂资源制备混凝土可以给我们经济和环境方面带来巨大的效益。同时，用再生骨料制作混凝土[2-4]，能够最大化地利用有效的资源。

使用再生骨料和海水海砂制备混凝土能一定程度上实现资源可持续性。Etxeberria[5]等的研究表明：海水一定程度上可提高混凝土的早期抗压强度，但同时28d 强度基本没什么变化。海水海砂混凝土的凝结时间和干缩也有所减小。Selicato[6]等发现对混凝土力学性能的影响上，再生骨料要大于海水的影响。目前将海水海砂与再生混凝土结合在一起的研究仍然不多，其力学性能机理还有很多待研究的地方。

刘伟[7]等认为当不考虑氯离子对钢筋的腐蚀时，原状海砂均也可等同于河砂使用。肖建庄等的研究表明，海水海砂再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度会随着龄期的增长而增长，最后强度趋于稳定；同时与普通混凝土相比，7d 抗压强度有相应的提高，而180d 抗压强度会有略微的降低。同时，海水、海砂混凝土的黏结强度与普通混凝土基本相同[8，9]。Huang[10]等对海砂再生混凝土进行了研究，海砂再生混凝土的抗压强度要比普通混凝土高，海砂的弹性模量增大，峰值应变减小。随着海砂氯含量的增加，海砂再生混凝土的性能下降。

除了上述的强度性能研究外，目前针对海水海砂再生混凝土其他力学指标影响的研究还比较少，因此，本文通过对海水海砂再生混凝土和普通再生混凝土的力学性能进行深入的研究，进一步研究再生骨料取代率对不同强度等级的再生混凝土的基本力学性能，为海水海砂再生混凝土的推广提供依据，有利于沿海地区的建设。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥：为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。

海水：人工海水按照美国ASTM D1141－2003 的规定配制，其化学组成如表1。

表1 人工海水化学成分 （kg/m3）

河砂：普通河砂，表观密度为2.66g/m3，含水率为0.2%，细度模数为2.54。

海砂：惠州巽寮湾海砂，表观密度为2.54g/m3，含水率为0.31%，细度模数为2.7。

天然粗骨料：普通碎石，连续级配，粒径为5mm～35mm，表观密度为1800kg/m3。

表2 混凝土配合比

再生粗骨料：普通再生骨料，连续级配，粒径为5mm～35mm，表观密度为1670kg/m3。

减水剂：采用广州西卡建筑材料公司的高效减水剂，减水率为20%～40%。

1.2 试件制作

本试验混凝土分为12 组进行，相应的混凝土编号如表格所示，其中普通再生混凝土作为对照组（RAC组），再生骨料的取代率为变量，取代的百分比分别为0、50%、100%。混凝土的坍落度应该控制在30mm～80mm之间，使用高效减水剂。最后根据适配结果，确定减水剂掺量为1.3%，具体配合比见表2。每一组混凝土均都需要制备3 个标准立方体试件和3 个标准圆柱体试件，其中三个用于轴压试验，三个用于弹性模量试验。

试块的制作均采用机械搅拌，拌合物采用“HJW-100”型的混凝土搅拌机进行强制拌制，待搅拌完成后，使用标准立方体模具和标准圆柱体模具将试件浇筑成型，自然养护24h 然后拆模，之后洒水养护28d，然后进行圆柱体弹性模量试验和立方体抗压强度试验。见图1、图2。

图1 圆柱体弹性模量试验

图2 立方体抗压强度试验

2 试验结果与分析

2.1 立方体抗压强度

如图3 所示，按照配合比配制的海水海砂再生混凝土具有较高的抗压强度，其中100%取代率的C30 再生混凝土的抗压强度能达到42.6MPa，50%取代率的C30再生混凝土的抗压强度也有40MPa。设计强度为C40 的50%取代率的海水海砂再生混凝土抗压强度能达到50.2MPa，相较于C30 同等取代率的再生混凝土强度提高了19%。抗压强度最高的是0%取代率的C50 海水海砂混凝土，相同设计强度下海水海砂再生混凝土和海水海砂混凝土的强度没有很大差异。通过图可以看出，相同设计强度下海水海砂再生混凝土的抗压强度比普通再生混凝土的抗压强度略低，这是因为：海水、海砂中的和等离子和混凝土的内部物质反应，改变了混凝土内部的水化机理，同时新形成物质会使混凝土自身内部裂缝变大，从而致使混凝土强度的降低。

图3 立方体轴压强度对比

2.2 混凝土轴心抗压强度

轴心抗压强度的实验结果如图4 所示，在混凝土等级不断提高的情况下，再生混凝土的轴心抗压强度也随之提高。其中海水海砂再生混凝土的轴心抗压强度比同强度等级的海水海砂普通混凝土高约5%～10%。而与普通再生混凝土相比，设计强度为C40 海水海砂再生混凝土的轴心抗压强度与普通再生混凝土的轴心抗压强度相差不大。混凝土的强度等级断提高的情况下，混凝土的轴心抗压强度也随之提高。由此可见，海水和海砂对再生混凝土的强度的影响不大，同时由于海水中和等盐类物质改善了再生骨料内部的密实度，所以海水海砂再生混凝土和海水海砂混凝土的轴心抗压强度相差不大。

图4 轴心抗压强度对比

2.3 混凝土弹性模量

由图5 可知不同强度的等级的再生混凝土的弹性模量均低于普通混凝土，而随之混凝土强度等级的提高，相应的弹性模量也随之增加。普通再生混凝土相比海水海砂再生混凝土的弹性模量提高了约6%。出现这样的结果，是因为海水和海砂的盐类物质与促进了水泥的水化反应，从而缩小了再生骨料内部的裂缝，使得再生混凝土内部的构造更加密实，从而使得再生混凝土的弹性模量得到提高。

图5 圆柱体弹性模量对比

3 结论

本实验通过对预制强度为C30～C50 的不同再生骨料取代率的海水海砂再生混凝土和普通再生混凝土试件进行力学性能试验研究，得出了如下的结论：

⑴用海水和海砂配制出来的再生混凝土具有较好的力学性能，可以认为和普通混凝土大致相同。使用海砂作为原材料制备的混凝土能一定程度缓解河砂短缺的形势。

⑵海水海砂再生混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度与海水海砂普通混凝土相比，强度相差不大。

⑶海水海砂普通混凝土相比，海水海砂再生混凝土的弹性模量有略微降低，降低幅度约为6%～10%。