海水混凝土的工作性和物理性能试验研究

李星高

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

混凝土是全球最常用的建筑材料，其生产在全球每年消耗超过20亿t淡水；这大约是全球工业用水需求的9%[1]。考虑到全球淡水逐渐匮乏以及海水淡化对环境的负面影响，海水代替淡水成为混凝土搅拌水变的很有意义。然而，目前人们普遍认为海水不适合用于钢筋混凝土结构，因为海水中的氯化物含量高，会促进钢筋的腐蚀[2]。

在20世纪，许多结构都成功地使用海水混凝土建造[3]。这可以看作是利用海水生产混凝土的潜在证据。钢筋的腐蚀问题可以通过在非钢筋混凝土应用中使用海水来解决，也可以使用非腐蚀性材料，如纤维增强聚合物来加固混凝土结构。除了重量轻、强度高外，纤维增强聚合物混凝土还具有抗腐蚀能力，因此，在海水暴露条件下，纤维增强聚合物混凝土具有优异的耐久性。此外，对纤维增强聚合物混凝土的经济研究表明，长期成本的节约可以弥补纤维增强聚合物混凝土相对较高的初始成本[4]。

虽然在混凝土中使用海水似乎是可行的，但仍需要确定海水混凝土的工作性、硬化后的力学性能和耐久性。有关海水混凝土的报道在一定程度上是相互矛盾的。虽然大多数研究得出的结论是对混凝土强度有轻微的负面影响，但也有一些研究表明并非如此[5]。使用海水代替淡水进行制备混凝土对抗压强度的确切影响可能取决于海水成分、水泥的化学成分、混凝土混合物的比例和养护条件。然而，在接受海水混凝土在土木工程中的应用之前，还需要进一步的研究，以便在这方面制定完善的设计规定，从而最大限度地利用海水进行混凝土的生产[6-7]。因此，本文对在混凝土混合物中使用海水的效果进行了广泛的实验研究。对淡水混凝土和海水混凝土的拌合物坍落度、混凝土固化后的密度和力学性能、混凝土固化后的渗透特性进行了详细的对比分析。

1 材料与方法

1.1 材料

配制了2种混凝土混合物：M1是用淡水搅拌制备的常规混凝土，作为对照组；M2是用海水搅拌制备的海水混凝土。海水在东南沿海地区泵入一个便携式水箱，之后被输送到混凝土工厂，经过织物过滤，储存在化学罐中，用于混凝土制备。对海水和淡水进行了化学分析，包括氯化物、硫酸盐、碱度、总溶解固体和pH值(25℃)的测定，总结了2种水的化学分析结果见表1。从表1可以看出，2种水的碱度测量都在可接受的范围内。然而，海水中的硫酸盐、氯化物和溶解性固体明显高于常规淡水且超过了允许限值。

本研究采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥，为了使海水混凝土耐久性更好，采用高炉矿渣替代部分水泥，矿渣的替代率为65%，矿渣的细度为451m2/kg，普通硅酸盐水泥细度为335m2/kg。选用比重为2.68，细度模数为2.72，表观密度为2760kg/m3的砂作为细骨料；选用比重为2.64，最大粒径为18.5mm的适当级配碎石作为粗骨料。添加了一种商用高效减水剂。根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，2组混凝土的配合比见表2。

表2 混凝土配合比

1.2 测试和观察方法

1.2.1混凝土拌合物的性能

对2种混凝土混合料的拌合物性能进行了测定和比较。通过测试坍落度来衡量混凝土拌合物的工作性。并测量了凝结硬化后的密度、空气含量以及相应砂浆的初始凝固时间。

1.2.2硬化混凝土的力学特性

按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，制备尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体用于抗压强度试验。制备直径150mm×高300mm的圆柱形试件用于劈裂抗拉强度试验。考虑以下2种养护条件：

(1)淡水固化：24h后拆除试样，用淡水固化28d，然后暴露于室外环境中；

(2)海水养护：将试样脱模后浸泡在海水中进行养护，直到测试时间。这种情况下，可以了解海水对海洋中的混凝土结构产生的影响。

通过3个变量对混凝土进行测试，分别是：①混合水(海水/淡水)；②测试龄期(3、7、28、56d)；③养护条件(海水/淡水)。每个测试点考虑3个试样。

对混凝土进行收缩率试验。每组混凝土浇铸3个100mm×100mm×500mm的棱柱。24h后，拆除模具并浸入水中30min，然后进行初始长度测量。将混凝土试件储存在1个具有风干条件的房间中。温度25±2℃，湿度≤50%。在混凝土拌合后第4、7、14、21、28、56d测量混凝土的收缩率。测量过程中，纪录混凝土棱柱初始长度(L0)和混凝土棱柱各龄期的的长度(Lt)。在规定时间(t)内混凝土的收缩率(St)计算公式为长度差除以有效长度L，计算公式如下：

(1)

1.2.3硬化混凝土的渗透性能

为了评估硬化混凝土的耐久性，进行了以下3项渗透率测试，反映了海水拌合混凝土的质量和其抗化学侵蚀的能力。

(1)快速氯离子渗透性试验：通过测定混凝土的电导率，快速判断混凝土的抗氯离子渗透的能力。

(2)氯化物迁移试验：在该试验中，能够测量混凝土对氯化物的抗渗透能力和确定非稳态迁移系数。这提供了有关抗氯离子渗透能力的额外信息，可以与快速氯离子渗透性试验提供的信息进行对比分析。

(3)吸水试验：测定水通过硬化混凝土表面的渗入量。考虑到混凝土在腐蚀环境下的性能与其孔隙系统的渗透性密切相关，该测试非常重要。

快速氯化物渗透试验使用库伦法进行测试。在测试中，混凝土芯样的直径为100mm，厚度为50mm，2端容器中的溶液分别为的氢氧化钠溶液和氯化钠溶液，外加电场为60V，然后每隔30min测量1次通过试件的电流值，试验持续6h，最后测定通过混凝土试件的总电量，以比较混凝土的抗氯离子渗透能力。

氯化物迁移试验按照JG/T 262—2009《混凝土氯离子扩散系数测定仪》进行。在测试中，通过施加外部电压迫使外部氯离子迁移到试样中。一段时间后，轴向劈开试样，并在劈开的部位喷洒硝酸银溶液。然后根据产生的氯化银沉淀测量氯离子渗透的深度。利用测量结果，确定试样的氯化物迁移系数，作为混凝土的抗化学侵蚀指标。

制作尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试块，养护72h后取出，通过工具钻取混凝土芯样，切除上下表面后制备直径75mm、高75mm的圆柱体芯样，然后将芯样放在110℃的烘箱中烘干3d。芯样在干燥的密闭容器中冷却1d后测量芯样的初始重量(W1)，将芯样浸泡在水中30min。用布擦拭芯样表面(即饱和表面干燥)，然后再次称重(W2)。计算吸水率如下：

(2)

2 结果和讨论

2.1 混凝土拌合物的性能

2种混凝土拌合物的坍落度、密度、空气含量以及相应砂浆的初始凝固时间见表3。2种混凝土拌合物的密度基本相同，分别为2416、2443kg/m3。和预期的相同，因为海水的密度只比淡水大2%～3%，其余的混凝土成分相同。观察到空气含量略有差异，分别为1.37%、1.63%。

表3 2种混凝土拌合物的性能

2种混凝土拌合物的坍落度相差很大，分别为612、476mm。如图1所示，使用海水后，M2的初始坍落降低，比M1的坍落度值低22%。海水的使用也影响了坍落度的保持率，其中M2比M1的坍落度值减小更快。

图1 2种混凝土拌合物坍落度与时间的关系

如图2所示显示了混凝土拌合物的渗透阻力与时间的关系。M1和M2的初始凝固时间(渗透阻力为3.5MPa的时间)分别为396、302min。海水的使用减少了初凝时间，比对照组缩短约24%。海水中存在的NaCl与水泥水化形成的Ca(OH)2反应形成CaCl2，CaCl2是水泥水化的强促进剂。所以海水能够加速水泥水化，快速水化导致坍落度、坍落度保持率和凝固时间都有所降低。

图2 2种混凝土拌合物的初凝时间

2.2 硬化混凝土的力学特性

混凝土试件的抗压强度和抗拉强度测量结果见表4。如图3所示，使用海水搅拌会使混凝土早期(3、7d)的抗压强度略有提高。28d及以后龄期时，海水混凝土的抗压强度比淡水混凝土低约9%；如图4所示抗拉强度测试结果表明，使用海水搅拌会使混凝土的抗拉强度在最初的7d略有增加，28d及以后龄期时，海水混凝土的抗拉强度下降约9%～10%。海水混凝土早期强度较高可以归因于水化过程的加速，从而导致孔隙度降低，因此强度较高，而长期强度的降低可能取决于水泥和海水化学性质，补充胶凝材料的使用，以及所使用的养护制度。

图3 混凝土的抗压强度

图4 混凝土的抗拉强度

表4 2种混凝土的力学性能 单位：MPa

海水养护使2种混凝土早期抗拉强度和抗压强度均略有提高。但在28d龄期及以后，海水养护对M1的力学性能有轻微的负面影响，而对M2的力学性能几乎没有影响，说明海水混凝土在海洋条件下具有良好的性能。

如图5所示，显示了每种混凝土的收缩率(%)与时间的关系。每个测试点取3次测量的平均值。可以看出，在21d后，混凝土收缩率的增加速度降低。在第56d，M2的收缩率略高于M1(在5%以内)。海水对干收缩率的轻微影响可能是由于孔隙溶液中存在氯化物或在海水混凝土中形成了更细的孔隙结构。

图5 混凝土的收缩率

2.3 硬化混凝土的渗透性能

总结了氯化物快速渗透、氯化物迁移和吸水率试验结果见表5。在28、56d对2组混凝土进行测试。每个测试点代表2个样品的平均值。

如图6所示，28d龄期M2的测试值大于M1，随着时间的增加，M1和M2氯离子渗透性测试值减小；56d龄期M1的测试值大于M2，但相差不大。如图7所示，氯离子迁移试验的测试值M1均高于M2，随着时间的增加，M1和M2氯离子迁移试验的测试值减小。这是由于水泥的持续水化导致混凝土性能的逐渐改善，测试值逐渐减小。

图6 快速氯离子渗透性测试结果

图7 氯化物迁移试验测试结果

图8所示，不同龄期时，M1的吸水率均高于M2的吸水率，但数值相差不大，随着时间的增加，M1和M2的吸水率减小。由图6—8可以看出，水泥的持续水化导致混凝土性能得到改善，根据M1和M2的测试结果，海水混凝土对硬化混凝土的渗透性影响不大。

图8 2种混凝土吸水率测试结果

3 结论

本文对海水混凝土的工作性能和物理性能的试验研究，结果显示海水混凝土与淡水混凝土拌合物的密度、和空气含量相同；坍落度、坍落度保持率和初凝时间显著降低，坍落度降低22%，初凝时间减少24%；收缩率略高于淡水混凝土，56d龄期时，2种混凝土的收缩率相差不到5%；氯化物快速渗透、氯化物迁移和吸水率试验测试结果相差不大，因此，海水混凝土对硬化混凝土的渗透性影响不大；混凝土的抗压强度和抗拉强度最初略有增加，7d龄期后逐渐降低，下降了9%～10%。本文仅对海水用于混凝土拌合物的部分性能参数进行分析，结果具有一定的局限性，海水用于混凝土拌合的可行性仍需要全面深入研究。