朱德舉，周琳林，耿健智，劉志健，徐振欽

［1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082；2.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室（湖南大學(xué)），湖南長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗室（湖南大學(xué)），湖南長沙 410082］

隨著工程建設(shè)的高速發(fā)展，對用于制備混凝土的砂石的需求急劇增加.現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，中國砂石產(chǎn)量約占世界砂石產(chǎn)量的35%，預(yù)計2030 年可達(dá)2.5×1010t［1-2］.當(dāng)前，建筑用砂很大一部分還是來自河砂并且受到產(chǎn)地資源和生態(tài)保護(hù)等的限制［3］.因此，迫切需要開發(fā)利用其他的砂資源去替代河砂以解決建筑用砂供應(yīng)短缺問題.我國海砂資源豐富，近海的海砂總量將近6.8×1011m3［4］.因此，利用海砂去完全或部分替代河砂制備混凝土是解決河砂短缺問題的有效手段.與河砂相比，海砂有相似的化學(xué)組成和物理性質(zhì)，最大的差異在于海砂的表面形貌、氯鹽、有機(jī)物和貝殼含量等［5-6］.這些差異會影響混凝土的工作性能［7］、力學(xué)性能［8-11］及耐久性［12-15］，但是通過調(diào)整配合比等手段還是可以用海砂制備出達(dá)到所需強(qiáng)度等級的混凝土.

在淡水和河砂資源短缺的工程建設(shè)中使用海砂，可以考慮利用海砂部分取代河砂.Limeira等［7］研究了在15%～50%取代率下海砂對混凝土物理和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)合理粒徑范圍內(nèi)的海砂在25%～50%取代率下可以獲得與對照組相似的物理和力學(xué)性能；并且摻有海砂的C30 混凝土已運(yùn)用在港口路面［16］.卞立波等［17］發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合砂中海砂的摻量在50%以下時，其強(qiáng)度會隨著海砂摻量的增加而增加；當(dāng)摻量大于50%時，其強(qiáng)度呈下降趨勢.Girish 等［18］發(fā)現(xiàn)海砂與河砂混合可以優(yōu)化細(xì)骨料的級配，摻有30%海砂的混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比對照組略高.海砂取代率為40%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度能提升13.4%和6.46%［19］.然而Deepak［20］研究表明混凝土的強(qiáng)度會隨海砂取代率的增加而逐漸降低，應(yīng)該選擇20%的海砂取代率以保證強(qiáng)度.

上述研究成果對海砂取代率的選擇有一定的借鑒性，但存在地域的局限性并且大多關(guān)注早齡期力學(xué)性能（7 d 和28 d）.為了進(jìn)一步研究海砂取代率對混凝土性能的影響，本文考慮地域因素，以山東膠州、福建漳州、廣西欽州三地原狀海砂為研究對象，對比研究與河砂混合后物理性質(zhì)差異以及不同海砂取代率對混凝土工作性能和不同齡期力學(xué)性能的影響，最后確定了海砂取代率的合適范圍.

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

水泥采用南方牌PO 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥的化學(xué)組成見表1；粗骨料采用本地石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 624 kg/m3，壓碎值為9.6%；拌合用水為本地自來水；減水劑為西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑，性能指標(biāo)見表2；使用的細(xì)骨料包括：長沙當(dāng)?shù)睾由埃≧S）、三地淺海地區(qū)原狀海砂［山東膠州海砂（SDS）、福建漳州海砂（FJS）和廣西欽州海砂（GXS）］.按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）［21］，對它們的物理及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，結(jié)果見表3.

表1 水泥的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of cement %

表2 減水劑性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of water reducer

1.2 測試方案與試件制備

1.2.1 混合砂的性能測試

海砂的取代率為15%、25%、35%和50%，三種不同地域的海砂能夠與本地河砂組合成12 種混合砂.在后文中，SDS-15%代表混合砂由15%的山東膠州海砂和85%的河砂組成，其余樣品的命名類似.根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）［21］對上述混合砂的表觀密度、堆積密度、壓碎值、粒徑分布和細(xì)度模數(shù)進(jìn)行測試.

1.2.2 混凝土配合比和制備流程

不同類型混凝土均采用如表4 所示的配合比.在后文中用OC、SD、FJ 和GX 分別代表普通混凝土、摻有山東膠州海砂、福建漳州海砂和廣西欽州海砂的混凝土.SD-15%代表摻有15%山東膠州海砂的混凝土，其余樣品的命名類似.

表4 C40混凝土的配合比Tab.4 Proportion of C40 concrete

所有混凝土的材料選取和制備流程均嚴(yán)格按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）［21］和《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）［22］進(jìn)行，盡可能避免由此帶來的試驗誤差對力學(xué)試驗結(jié)果的影響.此外，所有試件澆筑完后均放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室［溫度為（20±2）℃，相對濕度≥95%］養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定的齡期后進(jìn)行力學(xué)性能測試.

1.2.3 混凝土力學(xué)性能測試

如表5 所示，根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）［23］以及文獻(xiàn)［5，24］測試不同類型混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力彈性模量.由于采用的試件尺寸均為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，除了靜力彈性模量外，立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗結(jié)果均換算成標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸強(qiáng)度，尺寸換算系數(shù)分別為0.95、0.95和0.85［5，23］.

表5 混凝土的力學(xué)性能試驗Tab.5 Mechanical properties test of concrete

2 結(jié)果與討論

2.1 砂性能測試

2.1.1 密度和壓碎值

各類混合砂樣的堆積密度、表觀密度以及壓碎值的測試結(jié)果見表6.對照表3，混合砂的堆積密度隨海砂取代率的增加變化不大.在高取代率下，相比于RS，摻有SDS 的混合砂略高一些，而分別摻有FJS和GXS 的混合砂有所降低，主要原因在于SDS 的堆積密度略高于RS 而其余兩種砂與之相反.此外，由于SDS 和GXS 的表觀密度大于RS 而FJS 與之相反，所以摻有SDS 和GXS 的混合砂的表觀密度高于RS并隨著取代率的增加而增加，摻有FJS的混合砂則與之相反.另外，RS、SDS和GXS的壓碎值差異不大，所以混合砂隨海砂取代率的變化也不大.而FJS 明顯高于三者，因此在高取代率下，摻有FJS 的混合砂的壓碎值高于河砂.

表6 混合砂的物理性質(zhì)Tab.6 Physical properties of mixed sand samples

2.1.2 顆粒級配及細(xì)度模數(shù)

如圖1 和表7 所示，各混合砂樣的粒徑分布（圖中通過率為質(zhì)量通過率）和細(xì)度模數(shù)均隨海砂摻量而變化，均介于河砂與海砂之間.其次，所有混合砂的級配均連續(xù)，符合JGJ 52—2006［21］對于混凝土用細(xì)骨料的規(guī)定，屬于Ⅱ區(qū)中砂.另外，海砂的摻入優(yōu)化了河砂的粒徑分布，彌補(bǔ)了河砂某一粒徑含量不足的缺陷.Limeira 等［7］和Girish 等［18］的試驗中也有類似的發(fā)現(xiàn).

圖1 各類砂樣的粒徑分布曲線Fig.1 Grain size distribution curves of various types of sand samples

表7 各類砂樣的細(xì)度模數(shù)Tab.7 Fineness modulus of various types of sand samples

2.2 混凝土的工作性能

混凝土的工作性能采用坍落度來表征.圖2 展示了C40 普通混凝土與所有摻有海砂的混凝土的坍落度測試結(jié)果.

圖2 表明各新拌混凝土坍落度均可達(dá)到（200±20）mm，能夠滿足工程需求.結(jié)合表7中各類砂樣的細(xì)度模數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)度模數(shù)的降低，混凝土的坍落度先增加后減小.當(dāng)細(xì)度模數(shù)在2.8～2.9 范圍內(nèi)時，摻有海砂的混凝土的坍落度均高于OC（河砂細(xì)度模數(shù)為2.91，見表3）.這表明海砂取代率較低時，海砂的摻入改善了細(xì)骨料級配，使混合砂的細(xì)度模數(shù)更合理，進(jìn)一步改善了工作性能.然而，隨著海砂替代率的增加，混合砂中細(xì)顆粒較多，細(xì)度模數(shù)將低于合理值，骨料比表面積增大，需要更多的漿體來包裹，此時混凝土坍落度會降低.相比于其他組，F(xiàn)JS-50%組的細(xì)度模數(shù)最低，相應(yīng)的混凝土坍落度最低.此外，海砂中的貝殼等物質(zhì)也會降低混凝土的流動性.由于FJS 和GXS 中貝殼含量高于SDS，因此在高海砂取代率下FJ組和GX組的坍落度均低于SD組.

圖2 各類混凝土的坍落度Fig.2 Slump of various types of concrete

2.3 混凝土的力學(xué)性能

對不同海砂（SDS、FJS 和GXS）制備的混凝土和OC 進(jìn)行力學(xué)性能測試.不同齡期的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量的測試結(jié)果如表8所示.

2.3.1 抗壓強(qiáng)度

表8和圖3表明在大多數(shù)情況下，海砂的摻入對混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時，摻有不同地域海砂的混凝土較OC 抗壓強(qiáng)度的變化幅度介于-5.5%～8.5%，其中當(dāng)海砂替代率達(dá)到35%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大并且相對于OC的平均漲幅在4.8%以上.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 或更長時，SD 組、FJ 組和GX 組的抗壓強(qiáng)度也均高于OC.以180 d 為例，摻有不同地域海砂的混凝土較OC 抗壓強(qiáng)度的增長幅度介于0.7%～6.4%.海砂提高混凝土抗壓強(qiáng)度的原因主要有：

表8 不同海砂取代率下混凝土的力學(xué)性能Tab.8 Mechanical properties of concrete with different sea sand replacement rates

圖3 不同齡期下各類混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度Fig.3 Cubic compressive strength of various types of concrete at different curing age

1）根據(jù)Donza 等［25］和Limeira 等［7］的研究，海砂對于混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)一部分來源于海砂本身的強(qiáng)度以及海砂顆粒的表面形貌.如表3 所示，除了FJS 以外，SDS 和GXS 的壓碎值小于RS，這表明SDS和GXS 能發(fā)揮自身強(qiáng)度優(yōu)勢以提高混凝土的強(qiáng)度.另外，圖4 表明三種海砂與河砂顆粒形貌比較相似，但海砂的表面粗糙度較大，尤其是SDS 和GXS.Zhao等［3］和Wang 等［10］均指出具有粗糙表面的海砂能夠優(yōu)化界面過渡區(qū)的力學(xué)性能，對提升混凝土強(qiáng)度起到了積極作用.

圖4 不同砂樣的表觀形貌Fig.4 Apparent morphology of different sand samples

2）圖1 已表明海砂可改善混凝土中細(xì)骨料的級配，內(nèi)部空隙得到更好的填充，從而使混凝土更加密實(shí).

3）海砂攜帶的氯離子促進(jìn)了水泥水化，提高混凝土早期強(qiáng)度.生成的Friedel 鹽等產(chǎn)物將填充混凝土內(nèi)部孔隙，對提升混凝土強(qiáng)度也有一定的幫助［17］.

另外，通過分析不同齡期下SD組、FJ組和GX 組中抗壓強(qiáng)度與海砂替代率的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度隨海砂替代率的增加均呈先增加后降低的趨勢，且都在摻量25%或35%時達(dá)到最高值.造成這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)海砂替代率較低時，海砂對細(xì)骨料級配的優(yōu)化作用對混凝土強(qiáng)度的提升占據(jù)主導(dǎo)地位.然而，隨著海砂替代率的增大，海砂引入的貝殼含量也隨之增加，貝殼的低強(qiáng)度以及與混凝土基體較弱的黏結(jié)力將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低［26-27］.

本文還對比了不同摻量下不同地域海砂混凝土28 d 立方體抗壓強(qiáng)度的變化情況，如圖5 所示.可以發(fā)現(xiàn)，不同地域海砂的摻量為15%、25%、35%和50%時，混凝土強(qiáng)度相差不大，最大強(qiáng)度差分別為0.4 MPa、1.1 MPa、1 MPa 和1.4 MPa.這也進(jìn)一步驗證了海砂對混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的提升主要還是源于海砂對細(xì)集料級配的優(yōu)化作用.不同地域海砂本身的差異對混凝土強(qiáng)度的影響較小，尤其是在低摻量下.此外，不同海砂摻量下GX 組的強(qiáng)度略高于其余兩組，主要原因在于GXS的壓碎值最低，且氯離子含量遠(yuǎn)高于FJS和SDS（詳見表3）.

圖5 SD組、FJ組和GX組的28 d立方體抗壓強(qiáng)度Fig.5 28 d cubic compressive strength of SD group，F(xiàn)J group and GX group

此外，通過表8和圖3還能發(fā)現(xiàn)不同海砂取代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的變化幅度（增加或降低）相比于對照組均不超過10%，并且在長齡期下當(dāng)海砂取代率為50%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度依然高于對照組.這說明從整體上看，海砂取代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不明顯.因此，從工程應(yīng)用角度，海砂取代率在50%范圍內(nèi)都是可行的.

2.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

OC、SD 組、FJ 組和GX 組的混凝土劈裂抗拉測試結(jié)果見表8.由表8 可見，摻有海砂的混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均不小于OC.養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、90 d 和180 d 時，海砂對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的最大提升幅度分別為10.8%、6.6%和4.3%，劈裂抗拉強(qiáng)度的增長幅度隨齡期增長逐漸降低.此外，SD 組、FJ 組和GX組的混凝土不同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度均在海砂取代率為35%時達(dá)到最大值.這個趨勢與抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢一致.

2.3.3 彈性模量

各組混凝土彈性模量的測試結(jié)果如圖6 所示（圖中虛線代表OC 的彈性模量），可以發(fā)現(xiàn)SD 組、FJ組和GX組的混凝土彈性模量與OC相比無明顯的規(guī)律性.海砂對混凝土彈性模量影響較小.當(dāng)取代率為25%～35%時，混凝土的彈性模量略微提高.劉偉等［5］也得到類似的結(jié)果.其原因是混凝土的彈性模量主要依賴于粗骨料的相對體積和硬度，而本研究中采用相同的粗骨料.

圖6 各組混凝土的彈性模量Fig.6 Elastic modulus of various groups of concrete

3 結(jié)論

本文以15%、25%、35%和50%的海砂取代率將山東膠州、福建漳州、廣西欽州三地原狀海砂與河砂混合制備混凝土，系統(tǒng)研究了海砂取代率對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）海砂的摻入不會影響混凝土的工作性能.在選取的三種海砂中，取代率不超過50%時，均能提高混凝土的流動性.

2）海砂的摻入能夠提高混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，并且兩者均隨著海砂取代率的增加呈先增加后降低的趨勢.取代率在25%～35%時抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值.劈裂抗拉強(qiáng)度在取代率為35%時達(dá)到最大值.

3）海砂的摻入對混凝土的彈性模量無明顯影響.取代率為25%～35%時混凝土的彈性模量略高于OC.

4）從工程應(yīng)用角度，混凝土的海砂取代率在50%范圍內(nèi)都是可行的.