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《材料科學與工程學報》2015年第五期

1引言

隨著我國海洋經濟發展戰略的實施與推進，與日俱增的建筑用砂需求及日益枯竭的河砂資源加上運輸成本限制等原因，在沿海地區及海島建設中如何就地、高效地利用海砂資源的必要性與重要性日顯。我國海砂資源豐富，淺海海砂存量據估算約近1．6萬億噸，且具有分選好、分布集中等優點，適合大規模工業化開采。但因海砂中的貝殼影響了混凝土的和易性與強度，而氯鹽則不僅影響了水泥的水化過程，更破壞了混凝土中鋼筋的鈍化膜而加速其銹蝕以致危及建筑的耐久性，此外海砂中的諸如含有硫酸鹽等因素使其在混凝土工程建筑中的應用受限。海砂引入混凝土的內摻型氯鹽，相較與外滲性氯鹽存在著相對均布、水化結合率高、鋼筋銹蝕面積廣等特點，對混凝土建筑耐久性的影響更大。早期工程中海砂的濫用，也曾造成嚴重的建筑質量問題，尤其是大大減弱了工程建筑的抗震性，如在土耳其1998和1999的兩次地震中，部分坍塌建筑混凝土因使用未淡化海砂而使其平均抗壓強度降至約為河砂混凝土的38％。然而，海砂的合理使用，同樣也有不少成功的案例，如英國的Bristol隧道、日本的Muroran港防波堤，還有我國的三山島金礦以及山東煙臺碼頭的鋼筋混凝土工程，均經數十年的長期服役后還保持了設計耐久性。以上正反案例表明，海砂的濫用會破壞混凝土建筑的強度與耐久性，但同時也可被合理地資源化利用。本文針對內摻型富氯海砂混凝土以及我國東部沿海地區、海島建筑用砂的資源特點，研究了摻合料與耐蝕劑對海砂混凝土的適用性，并探討了內摻型富氯海砂混凝土的可行性。

2實驗材料與方法

2．1實驗原料膠凝材料：杭州富陽錢潮水泥有限公司42．5復合硅酸鹽水泥、浙江合力新型建材有限公司HL－330C摻合料、杭州海盾新材料科技有限公司HL－E180海工專用耐蝕劑；粗骨料：采自建德石灰巖機制碎石，粒徑5～35mm，級配良好；細骨料：采自舟山、福建、臺州地區不同氯含量海砂、河砂；減水劑：選用浙江五龍化工股份有限公司的聚羧酸高效減水劑，減水率15％；拌合用水為杭州市政管網自來水。水泥、耐蝕劑及試驗用砂指標如表1、2、3所示。

2．2實驗過程配制強度等級為C30的混凝土，主要分為素混凝土、摻入30％摻合料以及摻入18％耐蝕劑三組配方（皆為前期試驗推薦摻量），具體拌制物料配合比見表4。其中ZH、ZM、ZL分別為采自舟山地區的高、中、低氯露天堆放的天然海砂并采用NaCl調整三者的氯含量階差以便比照，FD為采自福建地區的人工淡化海砂，TS和TR分別為采自臺州地區的天然海砂和河砂。每組配方分別制成標準混凝土試塊，并置于標準養護室中養護待測。試驗方案包括坍落度、抗壓性能、抗氯離子滲透性能以及內置鐵片銹蝕情況等，以探究摻合料以及耐蝕劑對不同氯鹽濃度海砂混凝土的適用性。分別按照GB／T50080－2002、GB／T50081－2002、GB／T50082－2009標準對混凝土試塊進行坍落度、抗壓性能及抗氯離子滲透試驗，抗氯離子滲透試驗同時符合港工JTJ275－2000、美國ASTMC1202標準。

3結果與討論

新拌制混凝土坍落度、養護后試塊的抗壓強度以及抗氯離子滲透強度測試結果如表5所列，單項數據比照如圖1～5所示。由圖1所見，試塊的坍落度隨砂中氯含量的降低而顯著增大，以此可知砂中的氯離子可加速水泥水化與混凝土硬化的進程，使混凝土呈現早強現象而影響其工作性。此外，摻合料與耐蝕劑的加入，可在一定程度上抑制氯離子對水泥水化與混凝土硬化的促進作用，改善新拌制混凝土的和易性；天然海砂中夾雜形狀不一的貝殼碎末，因其針片狀結構可能導致混凝土的拌制回旋阻力增大并降低了骨料間的流動性，從而也含不同程度地影響混凝土的和易性。綜合圖2～4中試塊的抗壓強度測試結果可見，砂中氯含量大小基本不影響混凝土的抗壓強度，雖然曾經以NaCl或CaCl2為基本成分的混凝土早強劑可能不利于混凝土的強度，但海砂中內摻型氯離子與早強劑中外加型氯離子可能對水泥的水化結合與混凝土的硬化的影響方式和機制不盡相同，Chandrakeerthy、劉偉等人的研究結果也證實了原狀（Unwashed）海砂不影響混凝土的強度。此外，摻合料與耐蝕劑的加入，基本不影響混凝土的抗壓強度。

但緣于天然海砂中夾雜的貝殼碎末因其片瓣狀的結構，使得混凝土內部產生少量的薄弱界面，從而不利于混凝土抗壓強度的維持，因此在相應建設用砂標準中（如GB／T14684－2011）對貝殼含量作了限量規定。同時也有研究表明，只有當海砂中的貝殼含量達到一定的比例時，才可能會對混凝土的抗壓強度造成影響，甚至適當低比例的貝殼含量還有助于其抗壓強度的提升，因此也有一些標準則不對海砂中的貝殼含量作出限定（如英標BSEN12620－2013）。因本試驗用砂中的貝殼含量差距較大，故未能直觀表明貝殼含量與混凝土抗壓強度的線性關系。圖5為混凝土試塊養護28天后的抗氯離子滲透性能測試結果，由圖可見河砂混凝土試塊因氯含量低而具有較低的電通量，說明其抗氯離子滲透能力強于海砂混凝土試塊。摻合料和耐蝕劑的加入，顯著減少了試塊的電通量，明顯改善了混凝土的抗氯離子滲透性能，而且對河砂同樣有效。因混凝土的多孔結構導致其強度、抗滲、抗凍性以及耐蝕性等都受其孔隙率和孔徑大小、分布等影響，孔隙率越低、小孔越多其抗離子滲透性能越高。本實驗選用的摻合料與耐蝕劑中所含的粉煤灰因其獨特的“微珠”結構，有效地填塞了混凝土漿體中毛細孔的通道并使大孔細化，從而降低了外部離子在其內部的擴散速率。此外，18％摻量的耐蝕劑與30％摻量的摻合料提升混凝土試塊抗氯離子滲透性能的能效相近，且對海砂中氯含量較高的試塊的改善相對更為明顯。

4結論

天然海砂因其較高的氯含量和夾雜細碎貝殼等特點，在工程應用中受到了一定的限制，其氯含量高低影響了混凝土的流動性但基本不影響混凝土的抗壓強度，混凝土的坍落度隨砂中氯含量的增大而顯著減小。一定摻量的摻合料與耐蝕劑的加入，在基本不影響混凝土抗壓強度的前提下，可一定程度上改善其工作性，并可顯著改善混凝土的抗氯離子滲透性能，從而增強其海洋環境下的耐久性。18％摻量的耐蝕劑與30％摻量的摻合料對提升混凝土抗氯離子滲透性能的能效相近。

作者：陳良輔 邵威宏 張啟龍 單位：浙江大學材料科學與工程學院 浙江大學舟山海洋研究中心 浙江加州國際納米技術研究院 浙江大學建筑工程學院