海砂混凝土轴压力学特性试验研究

张悦，常师苑，田晓宁，孙磊

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

1 引言

我国每年大规模的基础设施等工程建设需要消耗大量的建筑用砂，同时国家对生态环境保护愈发重视，严厉打击非法采砂等违法行为，这导致我国许多地方尤其是沿海城市出现了河砂（江砂）短缺和滥用海砂的现象。海砂作为建筑用砂一方面可以有效地缓解河砂短缺的局面，同时避免过度采砂导致的生态破坏问题；另一方面由于海砂携带有大量的盐分会，对钢筋混凝土的力学性能及耐久性产生不利影响，如钢筋腐蚀、混凝土膨胀开裂等。科学合理地开发和利用海砂资源，缓解河（江）砂资源压力，避免滥用海砂导致的“海砂屋”等工程事故，逐渐成为人们关注的热点问题。目前学界和工程界关于天然河（江）砂混凝土力学性能以及耐久性等方面的研究已取得了较为丰硕的研究成果，并用于指导工程实践。然而关于海砂对混凝土强度的影响规律尚未取得较为一致的结论，也在一定程度上限制了海砂混凝土进一步的开发利用。基于此，本文在借鉴前人研究的基础上，通过人工模拟海砂的方法，进一步开展了一系列的海砂混凝土与普通河沙混凝土抗压强度的对比试验研究，综合考虑水灰比以及养护龄期等试验参数的影响，旨在为促进海砂资源的开发利用、新建海砂混凝土结构的设计以及已建海砂混凝土结构的维护加固提供一定的参考。

2 试验设计

海砂的含盐量与所处海域、海水浓度以及本身级配等因素有关且存在较大差异，因此，参照刘军和刑锋等提出的利用河砂模拟海砂的试验方法，配制人工模拟海砂用于制备混凝土。通过反复试配最终控制模拟海砂的氯离子含量为0.07%。天然河砂取自淮河，粗骨料统一采用粒径为5mm～20 mm级配连续的碎石，试验拌合水统一采用普通自来水。本试验结合海砂混凝土应用技术规范及普通混凝土配合比设计规程，并参考文献[9]进行试验配合比设计，选取水灰比（W/C）分别为0.4、0.45及0.5，养护龄期分别为7d、28d以及90d。本试验采用直径150mm，高度300mm的圆柱体试样，参照ASTM标准试验方法，利用NYL3000B型压力试验机进行抗压强度测试，抗压强度取三个标准试件测试结果的平均值。

3 试验结果分析

3.1 不同养护龄期下混凝土的抗压强度

图1给出了水灰比（W/C）分别为0.4、0.45以及0.5时，海砂混凝土以其对应的普通混凝土的抗压强度随着养护龄期增加的变化曲线。通过图中的变化曲线可以看出，不管是海砂混凝土还是普通混凝土，其在不同水灰比下的抗压强度均随着养护龄期的增加而提高，但其增长速率逐渐降低。养护龄期从7d至28d的强度增幅明显大于龄期从28d至60d的强度增幅，说明当养护龄期超过一定的天数后，混凝土的抗压强度将逐渐趋于恒定。此外，从图1还可以看出，在给定的水灰比条件下，海砂混凝土的抗压强度略高于相应的普通混凝土。海砂混凝土在养护7d时的抗压强度相对于普通混凝土分别提高了约5%（W/C=0.4）、8.1%（W/C=0.45）和11.2%（W/C=0.5）。海砂混凝土在养护28d时的抗压强度相对于普通混凝土分别提高了约1%（W/C=0.4）、3.4%（W/C=0.45）和5.8%（W/C=0.5）。海砂混凝土在养护60d时的抗压强度相对于普通混凝土分别提高了约1%（W/C=0.4）、2.8%（W/C=0.45）和5.7%（W/C=0.5）。上述对比结果说明海砂混凝土的早期强度增长较快，后期确定增长缓慢，与天然海砂的试验结果一致。

图1 不同水灰比下混凝土抗压强度随龄期的变化曲线

3.2 不同水灰比下混凝土的抗压强度

为了便于分析水灰比对海砂混凝土以及普通混凝土抗压强度的影响，图2进一步给出了养护龄期分别为7d、28d以及60d时，海砂混凝土以其对应的普通混凝土的抗压强度随着水灰比（W/C）增大的变化曲线。可见混凝土的抗压强度与水灰比的大小密切相关，在养护龄期相同的条件下，海砂混凝土抗压强度随水灰比的增大逐渐降低，与普通混凝土的抗压强度相比除了量值稍大之外，变化规律基本一致。通过图2并结合图1中对不同养护龄期下，随着水灰比的增加，海砂混凝土抗压强度相对于普通混凝土抗压强度的增幅可以看出，在保持养护龄期相同的条件下，水灰比越小，海砂混凝土的抗压强度相对于普通混凝土的抗压强度增幅越大。

图2 不同养护龄期下混凝土抗压强度随水灰比的变化曲线

4 结论

综合上述试抗压强度试验结果可以看出，不管是海砂混凝土还是普通混凝土，水灰比和养护龄期都是影响其抗压强度的关键因素。混凝土在较小的水灰比和较大的养护龄期条件下总是呈现较大的抗压强度。此外，海砂混凝土的抗压强度普遍高于相应的普通混凝土的抗压强度，说明海砂可以在一定程度上激发混凝土的水化反应，进而提高其抗压强度。如果单纯以抗压强度作为评价指标，不考虑海砂携带的氯离子和硫酸根离子等腐蚀性离子对混凝土内部钢筋的侵蚀效应，在天然河砂资源日益枯竭的形势下，可以采用海砂混凝土用于海岸或岛礁等区域的素混凝土结构工程的建设。