海水海砂混凝土力学性能研究综述

韩 刚，王学志，辛 明，蔡金娜

海水海砂混凝土力学性能研究综述

韩 刚1，王学志1，辛 明1，蔡金娜2

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.辽宁工业大学工程训练中心，辽宁 锦州 121001）

通过讨论硫酸盐、氯盐对混凝土的腐蚀机理，总结利用海水海砂拌合混凝土的可行性。归纳大量学者对海水、海砂、珊瑚砂混凝土力学性能的研究成果，发现海水海砂混凝土有较好的力学性能，并对下一步研究方向给出了建议。

硫酸盐；氯盐；海水海砂混凝土；力学性能

随着各国的不断发展，基建规模日益扩大，其中混凝土作为建设原料也随之不断增加，作为混凝土细骨料的河砂需求量也不断变大，根据《2015—2020年中国破碎设备行业市场分析与投资战略规划报告》，中国的砂石总产量约占世界砂石资源总产量的1/3，在2014年中国砂石的需求量就已经达到了140×1010t，并且随着需求量的不断提高，预计在2030年可达250×1010t。随着河砂资源的日益枯竭，海砂受到了人们的关注。王圣洁等[1]研究发现，我国近海海砂资源丰富，总资源67.96×1010～68.49×1010m3。我国有丰富的海砂资源，近海地区的建设如何做到就地取材，使资源合理利用，近年来国内外学者进行了大量的研究。其中发达国家例如英、美、加、日等早就大量开采并且利用海砂资源进行建设，日本为最大的海砂出口国家。日本的海砂应用较普遍，其沿海地区43个县有20个县不同程度地使用海砂，其中7个县在建筑中使用的混凝土用砂90%以上都是海砂[2]。另外文献可查海砂较早的应用实例在艾尼尔岛上的建筑中，尽管随时间推移岛内的建筑有着不同程度的破坏，但建筑中的计时房损坏较轻[3]。另外在国内的沿海地区，例如宁波等地区海砂的应用较为普遍和成功。实践证明，分选良好的海砂经过淡化处理后，可以广泛应用于素混凝土工程。

1 海水成分组成及海砂特性

海水的化学成分比较复杂，其中氯盐、硫酸盐含量较高且对混凝土性能影响较大。氯盐包括氯化钠、氯化钙、氯化钾；硫酸盐包括硫酸钠、硫酸镁等[4]。表1为中国沿海各个港口海水化学成分[5]。规范ASTM D1141—98中为人工海水的配制提供依据，见表2[6]。

表1 中国沿海部分港口海水成分表

海港名称海水化学成分百分比/%总盐浓度/(mg·L-1)pH SO42-Mg2+Cl-Ca2+ 大连7.55683.898555.34771.4202287298.5 秦皇岛7.57103.747255.34311.2065313307.9 天津8.18213.800155.36491.5845304207.9 蓬莱7.60273.834755.34501.3472285038.4 烟台8.60583.668753.98321.5269286207 青岛8.26444.975955.0964-290408 连云港7.58623.841135.46211.3157301738

表2 海水化学成分组成 mg/L

组成成分浓度 NaCl24530 MgCl25200 Na2SO44090 CaCl21160 KCl695 NaHCO3201 KBr101 H3BO327 SrCl225 NaF3

海砂为天然砂的一种，与河砂相比颜色比较深，海砂的级配与河砂较为相近，但天然海砂内含有少量贝壳，珊瑚等碎屑[7]。在使用海砂时应考虑其对混凝土性能的影响。另外与河砂相比海砂的氯离子含量较高，而氯离子会加速钢筋的腐蚀，这影响混凝土的强度和耐久性能。因此在使用海砂时应该根据规范严格控制氯离子浓度。

2 海水化学成分对混凝土的影响

海水中含有较高的氯盐和硫酸盐，氯盐和硫酸盐会影响混凝土的力学性能和耐久性能，下面讨论二者对混凝土的影响。

(1)单独硫酸盐对混凝土的影响

金祖权等[8]通过对比混凝土试件在Na2SO4与MgSO4溶液中的浸烘循环实验，发现混凝土在Na2SO4溶液中发生膨胀破坏，破坏过程包括3个阶段：初始劣化阶段、性能改善阶段、性能劣化阶段。混凝土在MgSO4溶液中会产生剥落破坏。并且混凝土的动弹性模量与质量有所变化，实验结果呈现出前期有所下降、中期稳定、后期加速下降的趋势。张光辉[9]比较详细总结了混凝土在不同浓度的Na2SO4与MgSO4溶液中发生的化学反应，发现混凝土在不同浓度的硫酸盐溶液中发生腐蚀的反应机理不同。Raphaël等[10]认为溶液的盐浓度与种类发生变化，混凝土的侵蚀机理也有所不同。混凝土浸泡在Na2SO4溶液中，当SO42-浓度小于1 000 mg/L反应主要生成石膏；当SO42-浓度在1 000～8 000 mg/L反应产物不但有石膏还有钙矾石。在MgSO4溶液中当SO42-浓度小于4 000 mg/L时反应的主要产物为钙矾石；当SO42-浓度在4 000～7 500 mg/L反应产物会同时出现石膏与钙矾石；当SO42-浓度大于7 500 mg/L时镁离子腐蚀占主导地位。混凝土在硫酸盐的影响下会发生腐蚀，腐蚀的产物主要是石膏与钙矾石，随着腐蚀周期的增加，石膏与钙矾石的量不断增加，使得混凝土的强度有所降低。

(2)单独氯盐对混凝土的影响

杨宁等[11]研究发现Cl-对混凝土的腐蚀作用分为2个阶段：当Cl-浓度较低时，Cl-参与水泥的水化，加速水泥的水化反应使混凝土的早期强度有所加强；当Cl-浓度较高时，Cl-对混凝土有腐蚀作用。Cl-先与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaCl2，而CaCl2又与混凝土中的水化铝酸钙反应生成体积更大而强度较低的3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O，这改变了混凝土的内部结构，使得混凝土强度降低。李中华等[12]通过对比不同的盐溶液对混凝土的腐蚀实验，发现对混凝土腐蚀能力较大的为硫酸盐，氯盐对混凝土腐蚀程度影响较小。

(3)硫酸盐与氯盐对混凝土共同影响

梁咏宁等[13]通过浸泡实验，研究了氯盐与硫酸盐对混凝土性能的影响，研究表明，随着溶液中氯盐浓度不断增加会影响硫酸盐对混凝土腐蚀的速率，并且发现溶液中氯盐的浓度越高对硫酸盐腐蚀的延缓作用越大。吴庆等[14]将混凝土试块浸泡在不同浓度的氯盐和硫酸盐的混合溶液中，实验结果表明，混合溶液中的氯离子可以减缓硫酸根离子的扩散能力，从而降低硫酸盐对混凝土的腐蚀。并且发现不同的氯离子浓度对硫酸盐腐蚀作用的减缓能力有所不同，氯离子浓度越高减缓硫酸盐腐蚀能力越强。陈晓斌等[15]将混凝土试块喷淋浸泡硫酸盐和氯盐溶液，模拟混凝土结构在地下受硫酸盐与氯盐侵蚀。分析实验结果表明，在腐蚀初期氯盐和硫酸盐有互相牵制的作用，这使得在腐蚀初期混凝土的抗腐蚀系数变大，随着时间的推移和腐蚀周期的延长，抗腐蚀系数不断减小。刘加平等[16]通过复合硫酸盐-氯盐对水泥材料的影响，研究结果表明，Cl-对SO42-的侵蚀影响分为3个阶段：最初Cl-会抑制SO42-侵入试件内部的传输率，其次Cl-会降低SO42-的固定率，最终Cl-与混凝土反应产生的F盐会减小混凝土内部的孔隙，从而进一步减少SO42-对混凝土的腐蚀。Xu[17]研究了混凝土中不同的SO42-浓度对氯离子的结合能力的影响，实验结果表明，随着溶液中SO42-浓度不断增加，溶液中与混凝土结合的Cl-会有所降低，从而减缓Cl-对混凝土的侵蚀。Geng等[18]研究了氯盐与硫酸盐耦合作用下混凝土腐蚀产物的变化情况。发现F盐与钙矾石的生成和分解关系较密切，腐蚀初期由于Cl-侵入速度较快，进而与混凝土反应生成F盐的速度较快，当反应产物达到一定量时，SO42-会继续进一步与混凝土中的铝酸钙反应生成钙矾石，反应产物会阻碍Cl-侵入，使得Cl-排放到孔隙液中。

3 海水海砂混凝土力学性能研究

早在20世纪90年代，卢博等[19]利用海水珊瑚砂制作素混凝土，并通过实验发现该混凝土有足够的强度，可用于道路、堤坝等素混凝土工程。陈兆林等[20]通过对海岛工程修补，发现海水拌合珊瑚砂在施工工艺达到的前提下，海砂混凝土各项力学性能可以达到要求，实践证明该混凝土可以用于岛礁损坏的修补和抢修。严明等[21]以实验的方法探究了掺合料对海水海砂混凝土强度的影响，试验结果表明，不同掺合料对混凝土强度影响效果不同，其中矿渣对混凝土后期强度增长趋势影响明显，粉煤灰对混凝土后期强度增长量影响最大。Guo等[22]在研究天然海水海砂混凝土时，发现尽管海水海砂对混凝土强度有一定阻碍，但整体力学性能与普通混凝土相比无较大差异。陈宗平等[23]研究了不同海砂取代率对混凝土的力学性能影响，结果表明，海砂取代率对混凝土力学性能影响不大。李田雨等[24]制作了高性能海水海砂混凝土，发现28 d混凝土抗折、抗压强度与普通混凝土相比有所降低，并发现使用热水养护能提高抗折、抗压强度。肖建庄等[25]设计并制作了海水海砂再生混凝土，研究结果表明，混凝土7 d抗压强度提高13%～52%；38、90、180 d抗压强度分别降低5%、15%、18%。并发现与海水海砂相比，再生骨料对混凝土的力学性能影响更大。郭东等[26]采用海水拌合珊瑚礁砂混凝土，研究结果表明，与普通河砂混凝土相比，海水拌和珊瑚礁砂混凝土早期强度发展较快，但后期增长缓慢，并且抗折与劈裂抗拉强度与普通混凝土相比没有明显差异。但由于珊瑚本身疏松多孔的特性，珊瑚砂混凝土后期的抗压强度与河砂混凝土相比较低。Li等[27]对海水海砂及海水珊瑚砂混凝土进行了实验研究，试验结果表明，与普通混凝土相比，海水海砂及海水珊瑚砂混凝土弹性模量略低，加入粉煤灰与矿渣可改善海水海砂混凝土力学性能。Li等[28]发现在干湿循环的条件下，海水海砂混凝土强度变化较小，在海水海砂混凝土的拌合料中掺入矿渣，发现矿渣能减缓海水海砂混凝土后期强度下降趋势。刘伟等[29]采用河砂、淡化海砂、原状海砂进行对比实验，试验结果表明，与普通河沙混凝土相比，海砂混凝土具有较好的工作性能与力学性能，在不考虑钢筋腐蚀情况下可以使用海砂代替河砂。海砂中的氯盐与少量贝壳对混凝土力学性能影响不大。Limeira等[30]研究发现，海砂基本力学性能与河砂基本一致，原状海砂可以等同于河砂使用。如果与钢筋共同使用钢筋必须做防锈处理。赵文成等[31]以不同地区的海砂为细骨料，制作了混凝土试块，并以干湿循环的方式进行养护，实验结果表明，混凝土28 d抗压强度仍有所上升，而后有所下降。并且添加一定浓度的亚硝酸钙可以提高抗压强度。秦斌[32]制作了3种不同强度的海水海砂混凝土试块，结果发现，与普通混凝土相比海水海砂混凝土有较好的基本力学性能，海水中的盐分与海砂中的砂质对混凝土的抗拉强度与抗压强度基本没有不良影响。苏红艳等[33]制作了海水海砂钢纤维混凝土，通过实验发现，海水海砂钢纤维混凝土的基本力学性能均低于普通河砂混凝土，但随着混凝土强度等级与钢纤维掺量的提高两者差距逐渐减小。

4 结语

论述了海水海砂中的化学成分(硫酸盐、氯盐)对混凝土的影响，总结了国内外学者的研究，发现硫酸盐和氯盐的耦合作用可以减缓混凝土的腐蚀，这是海水海砂可以用到混凝土中的理论基础。国内外许多研究表明，海水海砂可用于混凝土中，并且通过大量实验发现海水海砂混凝土的力学性能略有降低，但加入外掺料(粉煤灰、矿渣、钢纤维等)可以改善混凝土力学性能降低的现象。另外发现海水海砂混凝土的研究在基本力学性能方面较多，但在混凝土的耐久性方面的研究比较单一，在实际工程中混凝土所处的环境往往比较复杂，并且混凝土多以构件的形式存在。所以更应该开展在多因素耦合作用下海水海砂混凝耐久性和构件研究。

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Summary of Research on Mechanical Properties of Marine Sand Concrete

HAN Gang1, WANG Xue-zhi1, XIN Ming1, CAI Jin-na2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China 2.Engineering Training Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

By discussing the corrosion mechanism of sulfate and chlorine salt on concrete, the feasibility of using seawater and sea sand to mix concrete was summarized. A large number of scholars’ research results on the mechanical properties of seawater, marine sand and coral sand concrete are summarized, and it is found that sea water sand has better mechanical properties.

chlorine salt; seawater sea sand concrete; mechanical properties

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.012

TU528.59

A

1674-3261(2021)06-0405-04

2020-08-06

国家自然科学基金项目(51479168)；辽宁省自然科学基金项目(2015020214)

韩 刚(1996-)，男，辽宁绥中人，硕士生。

王学志(1976-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编辑：孙 林