海水海砂对水泥基材料的性能影响分析

2023-03-16林培轩胡苗

中国建筑金属结构 2023年1期

林培轩，胡苗

（浙江安防职业技术学院,浙江温州 325016）

0 引言

传统的混凝土制作中，需要的河砂、淡水比较多，且随着我国多地河道泥沙资源枯竭、淡水资源紧张问题加剧，这种混凝土生产应用模式已经和现阶段的工程建设需要不相适应了，研究新型混凝土成为必要。目前海洋资源开发利用率不断提升，相对河砂来看，海砂含泥量更低，级配较高，可以作为河砂的替代原料进行混凝土生产。我国的海岸线资源丰富，这也意味着我国的海砂资源丰富，将海砂、海水应用到建筑工程中，可以有效解决现阶段我国淡水和河砂资源紧缺的问题。当然，海水海砂中也存在很多的氯盐及其他有害物质，这些物质也会对海水海砂水泥基材料性能产生不利影响，导致其力学性能不稳定，最终会导致其结构安全受到影响。要促进海水海砂在新型混凝土制备中的有效应用，必须排除不良因素影响。

1 海水海砂混凝土研究进程

目前，环太平洋地区海水海砂在混凝土建筑工程中已经实现了应用。不过就海水海砂对于建筑工程的影响研究相对不足。针对一些环岛国家，学者们进行了关于海砂混凝土的相关研究。伍镇凯[1]等人在海砂混凝土整体养护的研究中发现，海砂混凝土在浇筑中，其强度增速非常快，尤其是在混凝土浇筑的早期，这种强度增速更为突出，相关研究表明通过海砂制作混凝土可以满足工程结构强度要求，能够应用到工程建设中。

在众多研究实践中，美国对于海砂混凝土研究最早，二战后，美国在西太平洋的多个岛屿中开展了基于海砂的混凝土制备研究，并尝试在一些大型的桥梁、机场、道路建设中应用这类新型混凝土，并展开了对于海砂混凝土强度、抗拉性以及耐久性等指标的实验探究。研究指出，海砂混凝土耐久性的影响因素包含三方面，一是海砂中的成分研究，重点突出氯离子及其在混凝土中应用的价值；一是探究预制钢筋混凝土保护层厚度；一是对混凝土建筑结构裂缝问题进行分析。部分学者对太平洋的海砂混凝土建筑物开展的实地调研中发现，海砂混凝土的整体强度和结构性能稳定性能够满足建筑工程的基本需要。

李彪宗[2]等人在对比试验研究中得出，使用海水制作混凝土，得到的混凝土在前期具有很好的抗压强度，这种抗压强度要比一般河砂混凝土更高，不过到后期，海水混凝土的这一性能有一定的下降趋势，甚至要比河砂混凝土更低。在正常温度环境中，海水混凝土前后期强度要比河砂混凝土低。

达波[3]在实验分析中对于国内的部分岛屿省份进行了海砂混凝土研究分析，提出海砂混凝土存在表皮剥落、钢筋腐蚀、内部钢筋外露、混凝土胀裂、结构坍塌等。研究指出促进海砂混凝土抗渗性能提升，做好混凝土结构外层保护，提升其密实性，可以有效阻止无机盐进入结构内部，从而实现混凝土强度和使用耐久性提升。余强[4]在对我国部分岛礁海砂建筑工程的实验分析中，针对混凝土建筑的一些突出问题开展案例研究，指出海水中因为含有大量无机盐离子，所以对于建筑结构会产生一定腐蚀性。在长时间高温环境下，受到海浪冲刷的区域混凝土破损严重，常常出现结构强度降低、开裂等问题。

廖桥[5]等人使用海水海砂来制备水泥基材料，研究将河砂混凝土和海水海砂混凝土进行对比，发现两者最大的不同是海水海砂混凝土中包含有大量的无机盐离子，这是导致水泥钙化的最主要原因，严重影响混凝土的结构性能，降低混凝土的致密性以及抗压性，进而造成水泥的强度降低，相关建筑体的抗渗性能也被削弱。

综上所述，探索和海洋复杂环境以及环境建筑材料相适应的建筑材料应用技术是十分必要的，通过开发海水、海砂资源异常丰富，可以弥补河砂资源枯竭的问题，以此为原料制作混凝土，进行工程建设，对于相关建筑工程成本控制和工作效率提升都有积极作用，还能在一定程度上提升建筑结构稳定性和耐久性。

2 海水海砂对水泥基材料性能影响

2.1 抗压强度

混凝土抗压强度指标影响其使用性能，也会影响相关工程的施工建筑质量。通过海水海砂替代河水河砂作为混凝土的配制原料，也需要关注抗压强度问题。近年来，我国部分学者通过实验研究，对于海水海砂材料抗压强度进行了实验分析，发现这种新型材料在混凝土制备中应用优势众多，能够有效促进混凝土的早期抗压强度提升。刘军[6]通过研究发现出现该现象主要是因为海水海砂中无机盐成分众多，这些成分主要是以氯离子的形式存在，这些物质在水泥水解后，会发生一定的钙化现象；而相对于淡水制备而言，将C-S-H 凝胶应用到海水混凝土制备中，能够大大增强建筑结构的混凝土致密性，这些操作对于水泥基材料抗压强度提升都是有益的。

从研究来看，海水海砂中还包含大量的盐结晶和贝壳等物质，这些物质可以在一定程度上阻止水泥水化进程，此时的海水海砂混凝土早期抗压强不如一般混凝土，整体抗压强度下降幅度大，接近20%。如表1，为伍镇凯的实验数据，显示了在不优化配合比、加入相关添加剂的情况下，海水海砂混凝土早期抗压强度弱于普通混凝土，但后期差异不大。

表1 抗压强度测试结果（MPa）

此外，梅军帅[7]等人的研究还发现，水泥品种以及掺合料两方面因素也会对海水海砂混凝土的力学性能带来直接影响，实验发现，通过常规硅酸盐水泥使用，在混凝土配制中掺入粉煤灰、粒化高炉矿渣等物质，再加入适量的高掺量钢纤维制备的海水海砂混凝土强度提升显著，整体提升幅度约为20%左右。通过对配比进行优化，海水海砂混凝土抗压性能才能实现提升，不考虑这些物质对于钢筋材料的腐蚀作用，可以将其推广应用到高性能混凝土制备中。

2.2 抗拉强度

对于海水海砂混凝土抗拉强度的研究也比较多，学者们关注从海水海砂对混凝土抗拉强度的不利影响方面进行实验分析，但是也有部分研究认为海水海砂对于混凝土抗拉强度有积极作用。如表2，周玲珠[8]等人通过试验发现海水海砂混凝土劈拉强度相对于同等级普通混凝土的劈拉强度有一些提升作用，随着混凝土强度等级的持续增加，海水海砂混凝土劈拉强度呈现不断下降的态势。该实验还发现，相对于一般的混凝土而言，海水海砂混凝土劈裂抗拉强度是不够的，而相对于同等级混凝土，其降低的幅度约为4%～12%，试验还发现，通过在混凝土中掺入钢纤维，可以让其整体抗拉强度显著提升。

表2 抗拉强度测试结果（MPa）

2.3 抗折强度

海水海砂抗折强度也是其水泥基材料的重要性能之一，更是研究海水海砂混凝土中必须探索的一方面内容。综合相关研究成果来看，海水海砂抗折强度要比常规混凝土低一些。李林[9]的研究指出，海水海砂混凝土抗折强度和温度之间关系密切，如表3 所示，通过正常养护操作，在不同龄期，海水海砂混凝土的抗折强度并不高，比一般的混凝土更低，而通过应用热水养护海水海砂混凝土，其28d 抗折强度能大幅提升，与普通混凝土抗压强度差异不大。因此可以看出，通过提高养护温度，能够有效改善海水海砂混凝土抗折强度。此外，研究还发现，通过在制备过程中添加一定量的纤维，可以促进混凝土的抗折强度不断增强。李莹[10]在研究中发现，在制备过程中添加0.3%PVA 纤维的海水海砂混凝土抗折强度提升幅度明显，但是如果这个掺量过高，则会让海水海砂混凝土抗折强度降低，这可能是因为纤维不均匀分散带来的影响。因此，在施工过程中，应该对于通养护条件不断强化管理，并对纤维产量做好控制，这是目前增强海水海砂混凝土性能的关键步骤。在具体的工程实践中，相对于改善养护条件，进行纤维掺入效果更好。

表3 抗折强度测试结果（MPa）

2.4 单轴受压应力—应变关系

海水海砂混凝土的单轴受压应力——应变关系可以为混凝土结构承载力以及变形提供有效支持。蒋江波[11]在研究中，对海砂混凝土单轴受压应力——应变全曲线进行试验，研究海砂取代率对其影响，发现总体海砂混凝土应力——应变曲线和普通混凝土十分类似，不过在一些特征参数上还是存在差异的。在相同的取代率下，海水海砂混凝土峰值应力要比淡水海砂混凝土峰值应力高10%～25%，峰值应变增加幅度在6%-10%范围内，海水海砂混凝土峰值应变要比淡水河砂混凝土高，该研究还指出海水海砂在水化反应中生成的盐会将水泥浆孔隙填充，可以降低混凝土形变问题出现概率和程度。研究还得出，在不同海砂种类、拌合以及养护用水类型进行对比分析中，研究这些因素对于超高性能海水海砂混凝土应力——应变曲线带来的影响，发现海水海砂在水泥基材料中使用，制备混凝土，能够让混凝土的弹性模量不断降低，其轴向以及环向峰值能够因此得到提升。

2.5 延性和耗能

海水海砂以及珊瑚骨料的使用会导致混凝土的脆性变大，相应延性和耗能相对于河水河砂混凝土高一些。陈宗平[12]等人使用硅酸盐水泥进行混凝土耗能试验，主要包含油耗、电耗、水耗等方面，试验表明各类海水海砂混凝土的每项耗能均比河水河沙混凝土的能耗大，如表4 为不同材料混凝土的平均综合耗能情况，表明使用不同海砂会使海水海砂混凝土有不同的综合耗能情况，但均要略高于淡水河沙混凝土的综合能耗。

表4 不同混凝土平均综合耗能

周世杰[13]对改性海水海砂珊瑚混凝土进行了实验研究，得出，条件不同的情况下，海水海砂混凝土耗能和延性也有很大不同。首先，对混凝土延性会产生影响的因素中，水泥种类选择是关键要素，为了满足混凝土的性能要求，可以考虑在混凝土制备中使用低碱度硫铝酸盐水泥的海水海砂珊瑚混凝土。此外，使用粉煤灰以及高炉矿渣充当掺和料加入其中，取代传统水泥，会对海水海砂混凝土延性产生不利影响。而通过在制备中添加一定量的聚丙烯纤维、不锈钢纤维，可以让海水海砂混凝土的延性显著提升。这里高掺量的不锈钢纤维混凝土延效能感提升比例约为27%。究其原因，是由于乱向分布的纤维可以阻碍混凝土的微裂情况发生，促进材料界面过渡区性能得以改善，从而有效抑制建筑整体裂缝产生问题发生概率，最终提升混凝土力学性能。所以在研究海水海砂混凝土延性的过程中，可以选择单掺或是复掺纤维的方法，来提升混凝土性能，促进整体混凝土应用效益提升。

2.6 耐久性

海砂在混凝土中的应用，一方面替代了日益稀缺的河砂资源，可以扩大混凝土细骨料的使用范围；另一方面，在混凝土中加入海砂也会带来一些问题。影响混凝土的某些性能，特别是海砂中的氯离子会引起钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀，从而影响结构的使用。有科学家证明，在混凝土中加入不同量的海砂，会导致钢筋腐蚀，破坏混凝土结构，降低混凝土结构的耐久性。一些科学家还表明，影响混凝土结构使用寿命的主要因素是海沙携带的氯离子。本试验着重研究了使用不同掺量（从0～576kg/m3）海砂，携带不同氯离子含量（0～0.7048kg/m3）后混凝土的强度发展、碳化性能、抗氯离子扩散性能、抗钢筋锈蚀能力以及采取的阻锈措施。

根据对某地下水及土壤中硫酸根离子浓度调查结果显示，乌鲁木齐市 40% 以上的地下水，30% 以上的土壤为严重侵蚀等级环境，因此，有必要对主要建筑材料——水泥基材料在盐浸蚀条件下的耐久性能进行系统研究。采用聚羧酸高效减水剂，固含量 25%，减水率不小于 35%。砂：常用Ⅱ级中砂，细度模数 2.6。参照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》（GB/T749-2008）中“浸泡抗蚀性能试验方法”（K 法），制作尺寸为10mm×10mm×60mm 的水泥胶砂试件。当硫酸根离子浓度为1000mg/L 和2500mg/L 的盐浸蚀条件下，水胶比为 0.45 和0.40的水泥胶砂试件表现出比水胶比为0.35 的胶砂试件更好的抗硫酸盐侵蚀性能。

综合相关实验研究结果来看，海砂混凝土的钢筋锈蚀失重率随着海砂掺量的增加和水胶比的增大而增加。此外，相关研究还表明，阻锈剂的掺入和保护层厚度的增加，可使海砂混凝土的抗钢筋锈蚀能力有所改善，能够有效阻止钢筋锈蚀加快，发挥对钢筋的保护作用。