富氯海砂混凝土的应用范文

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《材料科学与工程学报》2015年第五期

1引言

随着我国海洋经济发展战略的实施与推进，与日俱增的建筑用砂需求及日益枯竭的河砂资源加上运输成本限制等原因，在沿海地区及海岛建设中如何就地、高效地利用海砂资源的必要性与重要性日显。我国海砂资源丰富，浅海海砂存量据估算约近1．6万亿吨，且具有分选好、分布集中等优点，适合大规模工业化开采。但因海砂中的贝壳影响了混凝土的和易性与强度，而氯盐则不仅影响了水泥的水化过程，更破坏了混凝土中钢筋的钝化膜而加速其锈蚀以致危及建筑的耐久性，此外海砂中的诸如含有硫酸盐等因素使其在混凝土工程建筑中的应用受限。海砂引入混凝土的内掺型氯盐，相较与外渗性氯盐存在着相对均布、水化结合率高、钢筋锈蚀面积广等特点，对混凝土建筑耐久性的影响更大。早期工程中海砂的滥用，也曾造成严重的建筑质量问题，尤其是大大减弱了工程建筑的抗震性，如在土耳其1998和1999的两次地震中，部分坍塌建筑混凝土因使用未淡化海砂而使其平均抗压强度降至约为河砂混凝土的38％。然而，海砂的合理使用，同样也有不少成功的案例，如英国的Bristol隧道、日本的Muroran港防波堤，还有我国的三山岛金矿以及山东烟台码头的钢筋混凝土工程，均经数十年的长期服役后还保持了设计耐久性。以上正反案例表明，海砂的滥用会破坏混凝土建筑的强度与耐久性，但同时也可被合理地资源化利用。本文针对内掺型富氯海砂混凝土以及我国东部沿海地区、海岛建筑用砂的资源特点，研究了掺合料与耐蚀剂对海砂混凝土的适用性，并探讨了内掺型富氯海砂混凝土的可行性。

2实验材料与方法

2．1实验原料胶凝材料：杭州富阳钱潮水泥有限公司42．5复合硅酸盐水泥、浙江合力新型建材有限公司HL－330C掺合料、杭州海盾新材料科技有限公司HL－E180海工专用耐蚀剂；粗骨料：采自建德石灰岩机制碎石，粒径5～35mm，级配良好；细骨料：采自舟山、福建、台州地区不同氯含量海砂、河砂；减水剂：选用浙江五龙化工股份有限公司的聚羧酸高效减水剂，减水率15％；拌合用水为杭州市政管网自来水。水泥、耐蚀剂及试验用砂指标如表1、2、3所示。

2．2实验过程配制强度等级为C30的混凝土，主要分为素混凝土、掺入30％掺合料以及掺入18％耐蚀剂三组配方（皆为前期试验推荐掺量），具体拌制物料配合比见表4。其中ZH、ZM、ZL分别为采自舟山地区的高、中、低氯露天堆放的天然海砂并采用NaCl调整三者的氯含量阶差以便比照，FD为采自福建地区的人工淡化海砂，TS和TR分别为采自台州地区的天然海砂和河砂。每组配方分别制成标准混凝土试块，并置于标准养护室中养护待测。试验方案包括坍落度、抗压性能、抗氯离子渗透性能以及内置铁片锈蚀情况等，以探究掺合料以及耐蚀剂对不同氯盐浓度海砂混凝土的适用性。分别按照GB／T50080－2002、GB／T50081－2002、GB／T50082－2009标准对混凝土试块进行坍落度、抗压性能及抗氯离子渗透试验，抗氯离子渗透试验同时符合港工JTJ275－2000、美国ASTMC1202标准。

3结果与讨论

新拌制混凝土坍落度、养护后试块的抗压强度以及抗氯离子渗透强度测试结果如表5所列，单项数据比照如图1～5所示。由图1所见，试块的坍落度随砂中氯含量的降低而显著增大，以此可知砂中的氯离子可加速水泥水化与混凝土硬化的进程，使混凝土呈现早强现象而影响其工作性。此外，掺合料与耐蚀剂的加入，可在一定程度上抑制氯离子对水泥水化与混凝土硬化的促进作用，改善新拌制混凝土的和易性；天然海砂中夹杂形状不一的贝壳碎末，因其针片状结构可能导致混凝土的拌制回旋阻力增大并降低了骨料间的流动性，从而也含不同程度地影响混凝土的和易性。综合图2～4中试块的抗压强度测试结果可见，砂中氯含量大小基本不影响混凝土的抗压强度，虽然曾经以NaCl或CaCl2为基本成分的混凝土早强剂可能不利于混凝土的强度，但海砂中内掺型氯离子与早强剂中外加型氯离子可能对水泥的水化结合与混凝土的硬化的影响方式和机制不尽相同，Chandrakeerthy、刘伟等人的研究结果也证实了原状（Unwashed）海砂不影响混凝土的强度。此外，掺合料与耐蚀剂的加入，基本不影响混凝土的抗压强度。

但缘于天然海砂中夹杂的贝壳碎末因其片瓣状的结构，使得混凝土内部产生少量的薄弱界面，从而不利于混凝土抗压强度的维持，因此在相应建设用砂标准中（如GB／T14684－2011）对贝壳含量作了限量规定。同时也有研究表明，只有当海砂中的贝壳含量达到一定的比例时，才可能会对混凝土的抗压强度造成影响，甚至适当低比例的贝壳含量还有助于其抗压强度的提升，因此也有一些标准则不对海砂中的贝壳含量作出限定（如英标BSEN12620－2013）。因本试验用砂中的贝壳含量差距较大，故未能直观表明贝壳含量与混凝土抗压强度的线性关系。图5为混凝土试块养护28天后的抗氯离子渗透性能测试结果，由图可见河砂混凝土试块因氯含量低而具有较低的电通量，说明其抗氯离子渗透能力强于海砂混凝土试块。掺合料和耐蚀剂的加入，显著减少了试块的电通量，明显改善了混凝土的抗氯离子渗透性能，而且对河砂同样有效。因混凝土的多孔结构导致其强度、抗渗、抗冻性以及耐蚀性等都受其孔隙率和孔径大小、分布等影响，孔隙率越低、小孔越多其抗离子渗透性能越高。本实验选用的掺合料与耐蚀剂中所含的粉煤灰因其独特的“微珠”结构，有效地填塞了混凝土浆体中毛细孔的通道并使大孔细化，从而降低了外部离子在其内部的扩散速率。此外，18％掺量的耐蚀剂与30％掺量的掺合料提升混凝土试块抗氯离子渗透性能的能效相近，且对海砂中氯含量较高的试块的改善相对更为明显。

4结论

天然海砂因其较高的氯含量和夹杂细碎贝壳等特点，在工程应用中受到了一定的限制，其氯含量高低影响了混凝土的流动性但基本不影响混凝土的抗压强度，混凝土的坍落度随砂中氯含量的增大而显著减小。一定掺量的掺合料与耐蚀剂的加入，在基本不影响混凝土抗压强度的前提下，可一定程度上改善其工作性，并可显著改善混凝土的抗氯离子渗透性能，从而增强其海洋环境下的耐久性。18％掺量的耐蚀剂与30％掺量的掺合料对提升混凝土抗氯离子渗透性能的能效相近。

作者：陈良辅 邵威宏 张启龙 单位：浙江大学材料科学与工程学院 浙江大学舟山海洋研究中心 浙江加州国际纳米技术研究院 浙江大学建筑工程学院