林培軒，胡苗

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 溫州 325016）

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土制作中，需要的河砂、淡水比較多，且隨著我國(guó)多地河道泥沙資源枯竭、淡水資源緊張問題加劇，這種混凝土生產(chǎn)應(yīng)用模式已經(jīng)和現(xiàn)階段的工程建設(shè)需要不相適應(yīng)了，研究新型混凝土成為必要。目前海洋資源開發(fā)利用率不斷提升，相對(duì)河砂來看，海砂含泥量更低，級(jí)配較高，可以作為河砂的替代原料進(jìn)行混凝土生產(chǎn)。我國(guó)的海岸線資源豐富，這也意味著我國(guó)的海砂資源豐富，將海砂、海水應(yīng)用到建筑工程中，可以有效解決現(xiàn)階段我國(guó)淡水和河砂資源緊缺的問題。當(dāng)然，海水海砂中也存在很多的氯鹽及其他有害物質(zhì)，這些物質(zhì)也會(huì)對(duì)海水海砂水泥基材料性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致其力學(xué)性能不穩(wěn)定，最終會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)安全受到影響。要促進(jìn)海水海砂在新型混凝土制備中的有效應(yīng)用，必須排除不良因素影響。

1 海水海砂混凝土研究進(jìn)程

目前，環(huán)太平洋地區(qū)海水海砂在混凝土建筑工程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。不過就海水海砂對(duì)于建筑工程的影響研究相對(duì)不足。針對(duì)一些環(huán)島國(guó)家，學(xué)者們進(jìn)行了關(guān)于海砂混凝土的相關(guān)研究。伍鎮(zhèn)凱[1]等人在海砂混凝土整體養(yǎng)護(hù)的研究中發(fā)現(xiàn)，海砂混凝土在澆筑中，其強(qiáng)度增速非?？?，尤其是在混凝土澆筑的早期，這種強(qiáng)度增速更為突出，相關(guān)研究表明通過海砂制作混凝土可以滿足工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，能夠應(yīng)用到工程建設(shè)中。

在眾多研究實(shí)踐中，美國(guó)對(duì)于海砂混凝土研究最早，二戰(zhàn)后，美國(guó)在西太平洋的多個(gè)島嶼中開展了基于海砂的混凝土制備研究，并嘗試在一些大型的橋梁、機(jī)場(chǎng)、道路建設(shè)中應(yīng)用這類新型混凝土，并展開了對(duì)于海砂混凝土強(qiáng)度、抗拉性以及耐久性等指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)探究。研究指出，海砂混凝土耐久性的影響因素包含三方面，一是海砂中的成分研究，重點(diǎn)突出氯離子及其在混凝土中應(yīng)用的價(jià)值；一是探究預(yù)制鋼筋混凝土保護(hù)層厚度；一是對(duì)混凝土建筑結(jié)構(gòu)裂縫問題進(jìn)行分析。部分學(xué)者對(duì)太平洋的海砂混凝土建筑物開展的實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，海砂混凝土的整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性能夠滿足建筑工程的基本需要。

李彪宗[2]等人在對(duì)比試驗(yàn)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壓強(qiáng)度，這種抗壓強(qiáng)度要比一般河砂混凝土更高，不過到后期，海水混凝土的這一性能有一定的下降趨勢(shì)，甚至要比河砂混凝土更低。在正常溫度環(huán)境中，海水混凝土前后期強(qiáng)度要比河砂混凝土低。

達(dá)波[3]在實(shí)驗(yàn)分析中對(duì)于國(guó)內(nèi)的部分島嶼省份進(jìn)行了海砂混凝土研究分析，提出海砂混凝土存在表皮剝落、鋼筋腐蝕、內(nèi)部鋼筋外露、混凝土脹裂、結(jié)構(gòu)坍塌等。研究指出促進(jìn)海砂混凝土抗?jié)B性能提升，做好混凝土結(jié)構(gòu)外層保護(hù)，提升其密實(shí)性，可以有效阻止無機(jī)鹽進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度和使用耐久性提升。余強(qiáng)[4]在對(duì)我國(guó)部分島礁海砂建筑工程的實(shí)驗(yàn)分析中，針對(duì)混凝土建筑的一些突出問題開展案例研究，指出海水中因?yàn)楹写罅繜o機(jī)鹽離子，所以對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定腐蝕性。在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下，受到海浪沖刷的區(qū)域混凝土破損嚴(yán)重，常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、開裂等問題。

廖橋[5]等人使用海水海砂來制備水泥基材料，研究將河砂混凝土和海水海砂混凝土進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者最大的不同是海水海砂混凝土中包含有大量的無機(jī)鹽離子，這是導(dǎo)致水泥鈣化的最主要原因，嚴(yán)重影響混凝土的結(jié)構(gòu)性能，降低混凝土的致密性以及抗壓性，進(jìn)而造成水泥的強(qiáng)度降低，相關(guān)建筑體的抗?jié)B性能也被削弱。

綜上所述，探索和海洋復(fù)雜環(huán)境以及環(huán)境建筑材料相適應(yīng)的建筑材料應(yīng)用技術(shù)是十分必要的，通過開發(fā)海水、海砂資源異常豐富，可以彌補(bǔ)河砂資源枯竭的問題，以此為原料制作混凝土，進(jìn)行工程建設(shè)，對(duì)于相關(guān)建筑工程成本控制和工作效率提升都有積極作用，還能在一定程度上提升建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。

2 海水海砂對(duì)水泥基材料性能影響

2.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)影響其使用性能，也會(huì)影響相關(guān)工程的施工建筑質(zhì)量。通過海水海砂替代河水河砂作為混凝土的配制原料，也需要關(guān)注抗壓強(qiáng)度問題。近年來，我國(guó)部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于海水海砂材料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)這種新型材料在混凝土制備中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)眾多，能夠有效促進(jìn)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度提升。劉軍[6]通過研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是因?yàn)楹ＫＩ爸袩o機(jī)鹽成分眾多，這些成分主要是以氯離子的形式存在，這些物質(zhì)在水泥水解后，會(huì)發(fā)生一定的鈣化現(xiàn)象；而相對(duì)于淡水制備而言，將C-S-H 凝膠應(yīng)用到海水混凝土制備中，能夠大大增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的混凝土致密性，這些操作對(duì)于水泥基材料抗壓強(qiáng)度提升都是有益的。

從研究來看，海水海砂中還包含大量的鹽結(jié)晶和貝殼等物質(zhì)，這些物質(zhì)可以在一定程度上阻止水泥水化進(jìn)程，此時(shí)的海水海砂混凝土早期抗壓強(qiáng)不如一般混凝土，整體抗壓強(qiáng)度下降幅度大，接近20%。如表1，為伍鎮(zhèn)凱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示了在不優(yōu)化配合比、加入相關(guān)添加劑的情況下，海水海砂混凝土早期抗壓強(qiáng)度弱于普通混凝土，但后期差異不大。

表1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（MPa）

此外，梅軍帥[7]等人的研究還發(fā)現(xiàn)，水泥品種以及摻合料兩方面因素也會(huì)對(duì)海水海砂混凝土的力學(xué)性能帶來直接影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過常規(guī)硅酸鹽水泥使用，在混凝土配制中摻入粉煤灰、?；郀t礦渣等物質(zhì)，再加入適量的高摻量鋼纖維制備的海水海砂混凝土強(qiáng)度提升顯著，整體提升幅度約為20%左右。通過對(duì)配比進(jìn)行優(yōu)化，海水海砂混凝土抗壓性能才能實(shí)現(xiàn)提升，不考慮這些物質(zhì)對(duì)于鋼筋材料的腐蝕作用，可以將其推廣應(yīng)用到高性能混凝土制備中。

2.2 抗拉強(qiáng)度

對(duì)于海水海砂混凝土抗拉強(qiáng)度的研究也比較多，學(xué)者們關(guān)注從海水海砂對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的不利影響方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，但是也有部分研究認(rèn)為海水海砂對(duì)于混凝土抗拉強(qiáng)度有積極作用。如表2，周玲珠[8]等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土劈拉強(qiáng)度相對(duì)于同等級(jí)普通混凝土的劈拉強(qiáng)度有一些提升作用，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的持續(xù)增加，海水海砂混凝土劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷下降的態(tài)勢(shì)。該實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于一般的混凝土而言，海水海砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度是不夠的，而相對(duì)于同等級(jí)混凝土，其降低的幅度約為4%～12%，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，通過在混凝土中摻入鋼纖維，可以讓其整體抗拉強(qiáng)度顯著提升。

表2 抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（MPa）

2.3 抗折強(qiáng)度

海水海砂抗折強(qiáng)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須探索的一方面內(nèi)容。綜合相關(guān)研究成果來看，海水海砂抗折強(qiáng)度要比常規(guī)混凝土低一些。李林[9]的研究指出，海水海砂混凝土抗折強(qiáng)度和溫度之間關(guān)系密切，如表3 所示，通過正常養(yǎng)護(hù)操作，在不同齡期，海水海砂混凝土的抗折強(qiáng)度并不高，比一般的混凝土更低，而通過應(yīng)用熱水養(yǎng)護(hù)海水海砂混凝土，其28d 抗折強(qiáng)度能大幅提升，與普通混凝土抗壓強(qiáng)度差異不大。因此可以看出，通過提高養(yǎng)護(hù)溫度，能夠有效改善海水海砂混凝土抗折強(qiáng)度。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過在制備過程中添加一定量的纖維，可以促進(jìn)混凝土的抗折強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。李瑩[10]在研究中發(fā)現(xiàn)，在制備過程中添加0.3%PVA 纖維的海水海砂混凝土抗折強(qiáng)度提升幅度明顯，但是如果這個(gè)摻量過高，則會(huì)讓海水海砂混凝土抗折強(qiáng)度降低，這可能是因?yàn)槔w維不均勻分散帶來的影響。因此，在施工過程中，應(yīng)該對(duì)于通養(yǎng)護(hù)條件不斷強(qiáng)化管理，并對(duì)纖維產(chǎn)量做好控制，這是目前增強(qiáng)海水海砂混凝土性能的關(guān)鍵步驟。在具體的工程實(shí)踐中，相對(duì)于改善養(yǎng)護(hù)條件，進(jìn)行纖維摻入效果更好。

表3 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（MPa）

2.4 單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

海水海砂混凝土的單軸受壓應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系可以為混凝土結(jié)構(gòu)承載力以及變形提供有效支持。蔣江波[11]在研究中，對(duì)海砂混凝土單軸受壓應(yīng)力——應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行試驗(yàn)，研究海砂取代率對(duì)其影響，發(fā)現(xiàn)總體海砂混凝土應(yīng)力——應(yīng)變曲線和普通混凝土十分類似，不過在一些特征參數(shù)上還是存在差異的。在相同的取代率下，海水海砂混凝土峰值應(yīng)力要比淡水海砂混凝土峰值應(yīng)力高10%～25%，峰值應(yīng)變?cè)黾臃仍?%-10%范圍內(nèi)，海水海砂混凝土峰值應(yīng)變要比淡水河砂混凝土高，該研究還指出海水海砂在水化反應(yīng)中生成的鹽會(huì)將水泥漿孔隙填充，可以降低混凝土形變問題出現(xiàn)概率和程度。研究還得出，在不同海砂種類、拌合以及養(yǎng)護(hù)用水類型進(jìn)行對(duì)比分析中，研究這些因素對(duì)于超高性能海水海砂混凝土應(yīng)力——應(yīng)變曲線帶來的影響，發(fā)現(xiàn)海水海砂在水泥基材料中使用，制備混凝土，能夠讓混凝土的彈性模量不斷降低，其軸向以及環(huán)向峰值能夠因此得到提升。

2.5 延性和耗能

海水海砂以及珊瑚骨料的使用會(huì)導(dǎo)致混凝土的脆性變大，相應(yīng)延性和耗能相對(duì)于河水河砂混凝土高一些。陳宗平[12]等人使用硅酸鹽水泥進(jìn)行混凝土耗能試驗(yàn)，主要包含油耗、電耗、水耗等方面，試驗(yàn)表明各類海水海砂混凝土的每項(xiàng)耗能均比河水河沙混凝土的能耗大，如表4 為不同材料混凝土的平均綜合耗能情況，表明使用不同海砂會(huì)使海水海砂混凝土有不同的綜合耗能情況，但均要略高于淡水河沙混凝土的綜合能耗。

表4 不同混凝土平均綜合耗能

周世杰[13]對(duì)改性海水海砂珊瑚混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出，條件不同的情況下，海水海砂混凝土耗能和延性也有很大不同。首先，對(duì)混凝土延性會(huì)產(chǎn)生影響的因素中，水泥種類選擇是關(guān)鍵要素，為了滿足混凝土的性能要求，可以考慮在混凝土制備中使用低堿度硫鋁酸鹽水泥的海水海砂珊瑚混凝土。此外，使用粉煤灰以及高爐礦渣充當(dāng)摻和料加入其中，取代傳統(tǒng)水泥，會(huì)對(duì)海水海砂混凝土延性產(chǎn)生不利影響。而通過在制備中添加一定量的聚丙烯纖維、不銹鋼纖維，可以讓海水海砂混凝土的延性顯著提升。這里高摻量的不銹鋼纖維混凝土延效能感提升比例約為27%。究其原因，是由于亂向分布的纖維可以阻礙混凝土的微裂情況發(fā)生，促進(jìn)材料界面過渡區(qū)性能得以改善，從而有效抑制建筑整體裂縫產(chǎn)生問題發(fā)生概率，最終提升混凝土力學(xué)性能。所以在研究海水海砂混凝土延性的過程中，可以選擇單摻或是復(fù)摻纖維的方法，來提升混凝土性能，促進(jìn)整體混凝土應(yīng)用效益提升。

2.6 耐久性

海砂在混凝土中的應(yīng)用，一方面替代了日益稀缺的河砂資源，可以擴(kuò)大混凝土細(xì)骨料的使用范圍；另一方面，在混凝土中加入海砂也會(huì)帶來一些問題。影響混凝土的某些性能，特別是海砂中的氯離子會(huì)引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)的使用。有科學(xué)家證明，在混凝土中加入不同量的海砂，會(huì)導(dǎo)致鋼筋腐蝕，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。一些科學(xué)家還表明，影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的主要因素是海沙攜帶的氯離子。本試驗(yàn)著重研究了使用不同摻量（從0～576kg/m3）海砂，攜帶不同氯離子含量（0～0.7048kg/m3）后混凝土的強(qiáng)度發(fā)展、碳化性能、抗氯離子擴(kuò)散性能、抗鋼筋銹蝕能力以及采取的阻銹措施。

根據(jù)對(duì)某地下水及土壤中硫酸根離子濃度調(diào)查結(jié)果顯示，烏魯木齊市 40% 以上的地下水，30% 以上的土壤為嚴(yán)重侵蝕等級(jí)環(huán)境，因此，有必要對(duì)主要建筑材料——水泥基材料在鹽浸蝕條件下的耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用聚羧酸高效減水劑，固含量 25%，減水率不小于 35%。砂 ：常用Ⅱ級(jí)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.6。參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》（GB/T749-2008）中“浸泡抗蝕性能試驗(yàn)方法”（K 法），制作尺寸為10mm×10mm×60mm 的水泥膠砂試件。當(dāng)硫酸根離子濃度為1000mg/L 和2500mg/L 的鹽浸蝕條件下，水膠比為 0.45 和0.40的水泥膠砂試件表現(xiàn)出比水膠比為0.35 的膠砂試件更好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

綜合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果來看，海砂混凝土的鋼筋銹蝕失重率隨著海砂摻量的增加和水膠比的增大而增加。此外，相關(guān)研究還表明，阻銹劑的摻入和保護(hù)層厚度的增加，可使海砂混凝土的抗鋼筋銹蝕能力有所改善，能夠有效阻止鋼筋銹蝕加快，發(fā)揮對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。

3 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土與普通河水河砂混凝土在性能方面存在明顯區(qū)別，若配合比合理，改善養(yǎng)護(hù)條件或摻入粉煤灰、不銹鋼纖維等才能，能使海水海砂混凝土能獲得良好的抗壓、抗拉、抗折、延展性、耗能等性能，因此能夠一定程度取代普通混凝土水泥基材料，緩解現(xiàn)階段我國(guó)突出的資源和環(huán)境問題。