淡化海砂混凝土力学性能与工作性能试验研究

肖祁南

（广州大学土木工程学院）

0 引言

随着我国社会经济不断发展，带动了沿海城市的经济发展速度，建筑用砂的需求量不断提升，我国很多地区已出现河砂大幅度减少的问题，甚至在某些地区已无河砂可用，河砂作为不可再生资源已经逐渐无法满足我国巨大的建筑生产需求。同时，一旦河砂开采过度，还会出现河床下降从而造成防洪堤受到破坏，影响生态环境的同时还威胁城市居民的安全。目前我国已在一些地区限制甚至禁止河砂的开采。而与河砂相比，海砂具有细度均匀、含泥量低、颗粒形状好等优势，有研究表明，可将海砂应用在混凝土细骨料内。我国具有广阔的浅海和海岸线，其中含有丰富的海砂资源，对于沿海地区，使用海砂代替河砂能够有效缓解建筑用砂不足的问题，并且海砂有着取用方便、开采环境影响较小、更节能环保的优势。

近年来，国内外学者对海砂混凝土性能进行了各项研究，并取得不错的研究成果。苏卿、陈艾荣等[1]对河砂混凝土和淡化海砂混凝土在硫酸盐腐蚀溶液中浸泡和浸烘的损伤过程进行研究，发现在同等条件下，河砂混凝土的动弹模损失较相同配合比的淡化海砂混凝土更大，淡化海砂相较于河砂有着更好的耐硫酸盐腐蚀能力。王晶、倪博文等[2]使用未淡化海砂配制超高性能混凝土，比较研究不同配合比对于海砂超高性能混凝土的力学性能及工作性能的影响，得到了海砂超高性能混凝土的最优性能配比及养护条件。刘斯凤、孙振平等[3]以海砂作为细骨料制备砂浆研究海砂混凝土中海砂氯离子的含量对其抗氯离子渗透性能的影响，得到不同水胶比对抗氯离子侵蚀的改善作用。黄靓、杨梦等[4]以纤维掺量和再生粗骨料取代率为变化因素，研究了纤维再生海砂混凝土的基本力学性能，并建立了相应的本构关系模型，发现纤维的加入对再生粗骨料海砂混凝土的力学性能有一定的改善作用。

目前国内外文献上，未有学者对淡化处理后的南海海域海砂进行性能研究，且针对淡化海砂混凝土力学性能和工作性能的研究较少。考虑到不同海域海砂存在差异，本试验针对南海海域近岸浅海海砂，采用淡化海砂配制了不同参数的混凝土试件，并获取其性能指标，旨在探讨淡化海砂替代河砂作为混凝土细骨料对混凝土力学性能和工作性能产生的影响[5-8]。

1 实验概况

1.1 实验材料

实验材料中有水泥、粉煤灰、矿粉、粗骨料、水、细骨料、外加剂。其中水泥采用华润牌PII42.5R 级水泥；粉煤灰密度为85㎏/m3；矿粉密度为65㎏/m3；粗骨料为符合国家标准《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）规定的碎石，粒径在10～35mm 之间，级配为标准连续级配；水为实验室自来水；细骨料取自南海东经109°22＇20″、北纬21°27′28″岸砂，密度为825㎏/m3，经过淡化处理后氯离子不大于0.03%；外加剂为聚羧酸减水剂。

1.2 配合比设计与试件制作

本次研究主要以淡化海砂代替河砂制作混凝土试块，配合比以《普通混凝土配合比设计规则》（JGJ55-2011）作为基础；设计强度从C20 到C45 一共设计15 组配合比，每组制作6 个标准混凝土试件。在进行坍落度测定试验后，浇筑入150×150×150mm 的立方体试模内，浇筑完成后于室内静置24h 后脱模，并放入标准养护室在标准条件下养护28d 后进行加载，具体配合比及测试所得抗压强度和坍落度如表1 所示[9]。

表1 不同掺量材料比例

1.3 加载装置和加载方法

试件采用液压式混凝土抗压强度试验机进行抗压强度试验，最大载荷为2000KN。加载过程中采用连续均匀加荷，加载速度为0.5MPa/s。通过持续加荷直到试件被破坏，取6 个试件测量值的平均值计算淡化海砂混凝土试件的标准抗压强度。

2 实验结果和分析

2.1 抗压强度

通过在加载过程中对淡化海砂混凝土试件的破坏过程进行观察发现，淡化海砂骨料混凝土试件的破坏过程与普通混凝土有一定相似度。在加载初级阶段，试件仍然存在弹性阶段，不会出现明显变化，不会产生任何明显裂痕；但随着加载进度不断深入，试件两端会逐渐出现裂缝，然后在试件中部会出现与水平方向呈60°的斜向裂缝；随着荷载的不断增大，中部裂缝不断延伸并向两端发展，同时试件表层混凝土出现脱落；达到峰值荷载后，试件表面出现一条贯穿主裂缝，此时试件发生破坏。通过对试件破坏后断面的细致观察发现，粗骨料与水泥浆基体的界面、水泥浆基体内部以及粗骨料中皆出现了裂缝[9]。

图1 为淡化海砂混凝土的强度与砂率变化趋势图。从图1 可知，在1 到15 号实验组中，试件的抗压强度呈现上升趋势，砂率变化不大，整体略有下降。单从抗压强度来看，15 号配方具有最好的抗压效果，与配合比设计目标基本相符合；从淡化海砂砂率来看，1 到15 号实验组砂率变化不大，总体在0.4～0.45 之间，呈现略微下降趋势。对各个实验组的配方进行对比分析可以看出，淡化海砂配合比与河砂混凝土一样，随着强度的增高，配合比中的砂率总体呈现降低的趋势。

图1 不同组别力学性能和砂率分析图

2.2 坍落度

坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能，影响混凝土坍落度的因素主要有级配变化、含水量、衡器的称量偏差、外加剂的用量以及水泥的温度等。试验采用坍落扩展度法测试淡化海砂混凝土的工作性能。坍落扩展度法适用于坍落度不小于10mm、骨料最大粒径不大于40mm 的混凝土拌合物稠度测定。经过本次试验研究发现，淡化海砂混凝土的坍落度数值与普通河砂混凝土相比无太大变化，淡化海砂用作混凝土细骨料基本不会影响混凝土的工作性能。

在试件坍落度分析图（图2）中可以发现，1 到15 号实验组配合比的坍落度变化不大，总体数值在200 到220 之间，总体浮动仅在10%，基本符合配合比设计目标。由此可以看出，淡化海砂的使用对混凝土的坍落度没有明显影响。

图2 试件坍落度分析图

3 结论

通过上述数据不难看出，淡化海砂混凝土的破坏过程与普通混凝土的破坏过程较为相似，从加载到破坏的过程中，海砂混凝土表面会逐渐出现贯穿式裂缝，并会产生混凝土脱落的现象。同时，使用《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）设计的海砂混凝土配合比实际强度基本符合设计需求；而在坍落度方面，淡化海砂取代河砂对于普通混凝土坍落度的影响并不明显，总体数据浮动仅在10%。试验表明，经过淡化后的海砂能很好地代替河砂，对力学性能和工作性能不会有很大影响。