关键词：海砂；高性能混凝土；力学性能；耐久性能

引言

我国海砂资源十分丰富，仅广东地区附近海砂总储量就超过12.5亿立方米，同时，随着建筑河砂的短缺，直接导致了部分工地的停工并导致了建筑河砂价格的翻倍增长，建筑河砂的巨大缺口是必须正视的重大资源问题，建筑用砂的开采在相当程度上开始转向海洋，如何有序开发、研究、利用海砂资源作为建筑骨料已经势在必行。海砂混凝土的开发研究，不仅有利于消除河砂的过度开采，保证防洪和城市供水的安全，而且有利于海砂混凝土的健康使用，保障人民群众的生命财产安全；同时，丰富的海砂资源可以得到有序的开发利用，是解决资源枯乏与经济建设需求之间矛盾的良方，海砂混凝土的开发，有利于平息河砂价格的疯长，降低建筑工程造价、造福于人民。

海砂的开发和在混凝土的应用事关社会的可持续发展，是国家急需解决的重大技术问题。伴随着能源、资源的枯竭与短缺，国家已经将海砂资源的开发研究利用列为“十一五”国家科技支撑计划重点项目。目前，广东在海砂和海砂混凝土研究利用开发方面，实践先于理论，没有公开使用海砂混凝应用于工程的报道，但不公开的不合理使用海砂配制混凝土的情况也许早就存在，这使混凝土建筑结构存在着某种隐患，严重威胁着人民的生命财产安全。

海岸带海砂、近岸浅海海砂以粗粒中砂、粗砂为主，含泥量相对较少、颗粒分布均匀、压碎指标小，非常适合制备高性能混凝土，配合掺入粉煤灰、矿粉等矿物材料及高效减水剂，使混凝土拌合物具有良好工作性能的同时还能提高混凝土的耐久性。本试验以珠江口海砂为研究对象，利用其制备海砂高性能混凝土，进行海砂混凝土的研究，并对海砂、天然河砂、高岭土尾砂高性能混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能进行对比分析，并在此基础上成功利用海砂制备了C100超髙强混凝土。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

(1) 水泥：石井牌P.O42.5R级水泥。

(2) 粉煤灰：东莞虎门沙角电厂标准II级灰，45μm筛的筛余为6.40%，需水量比为94%。

(3) 磨细矿渣：S95磨细矿渣粉，广东韶钢嘉羊新型材料有限公司，呈碱性。

(4) 河砂：花都区碳步镇新都砂石厂北江河砂。

(5) 海砂：广州珠江口海砂。 

(6) 尾砂：茂名高岭土尾砂。

(7) 石子：增城石场产5〜10mm瓜米石和大亚湾石场产5~20mm碎石两级粗集料配合成5〜20mm连续级配骨料。

(8) 高效减水剂：广州柯杰外加剂科技有限公司生产的KJ-JS型高效减水剂。

1.2 主要原材料化学成分及物理性能

各主要原材料的化学成分用日本岛津MFX2300型X-荧光测定，比表面积用电动勃氏透气比表面积仪测定。水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰化学成分及物理性能见表1，尾砂、河砂、海砂物理性能见表2。

1.3 试验方法及混凝土配合比

(1) 水泥胶砂强度试验参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行。水泥胶砂试件尺寸为40mmx40mmx160mm，水灰比为0.5，灰砂比为1:3，分别用标准砂、高岭土尾砂、广州北江河砂、珠江口海砂进行胶砂试验，分别测定7、28、56d的抗折强度和抗压强度，胶砂配合比见表3。

(2) 混凝土性能试验。新拌混凝土的工作性能按GB/T50080—2002进行，抗压强度根据GB/T50081—2002要求进行，采用非标准试件100mmx100mmx100mm，结果乘以尺寸换算系数0.95。混凝土成型24h后拆模，然后在养护室标准养护。

(3)混凝土耐久性采用NEL法，将试样制成φ100x50mm的圆柱体试件，放入养护室标准养护28d，试验前试块先在真空下饱盐，然后安装到EJU夹具上测试。同时采用ASTM C1202标准试验方法即电通量法来综合评价海砂混凝土的氯离子渗透性。

(4)混凝土配合比见表4。

2 试验结果与讨论

2.1 细集料砂对水泥胶砂性能的影响

由表5可知，用海砂替代标准砂制备的水泥胶砂流动度比标准砂和天然河砂小很多，这里由于海砂棱角性较多，表面积大，吸收了更多的水分，导致胶凝材料由于水分的缺少而显得黏稠，流动性减小，而且由于棱角较多，加大了颗粒之间的摩擦，降低了彼此之间的滑动能力，圆度越大，棱角越少，流动性越好，最终导致海砂胶砂流动性不如标准砂及天然河砂。

海砂制备胶砂的7d抗折强度不高，但发展迅速，后期抗折强度高于标准砂及河砂，这主要由于粗糙的颗粒与水泥浆黏结力较大，提高抗折强度。海砂水泥胶砂56d抗压强度要略低于标准砂及天然河砂，但其7、28d抗压强度要高于标准砂，说明海砂对早期强度的提髙有促进作用。虽然海砂棱角性大，对抗折强度贡献大，但抗压强度却没有明显的增强，这可能是因为海砂颗粒裂缝多、缺陷多，强度从颗粒处破坏，而不是首先在胶凝材料及界面处产生。

2.2 海砂高性能混凝土工作性能研究

由表6可知，利用海砂制备的C60、C100等级混凝土都表现出较好的工作性能，介于河砂与尾砂之间；海砂C60混凝土的坍落度比天然河砂大10mm，扩展度和倒筒时间与天然河砂混凝土接近；对于C100等级混凝土，海砂混凝土的坍落度和扩展度都较天然河砂差，且这差别比C60等级混凝土大，但其坍落度仍然达到了250mm、扩展度620mm，工作性能良好；尾砂制备的C60、C100等级混凝土工作性能都较天然河砂及海砂差。造成海砂与天然河砂混凝土工作性能区别主要是因为海砂与河砂的颗粒形貌、表面组织不同。海砂表面较为粗糙，棱角多，颗粒表面孔隙多，吸收了更多的水分，混凝土拌合物之间的摩擦加大，混凝土的工作性能有所下降。同时可知，细集料砂的颗粒形貌对混凝土的工作性能影响随着混凝土强度的提高而有逐渐增强的趋势，利用海砂制备低等级高性能混凝土时工作性能与天然河砂差别不大，但制备超高强混凝土时工作性能与天然河砂差距有所增加，说明超高强混凝土对骨料的要求更加严格

2.3 海砂高性能混凝土力学性能研究

表7的抗压强度试验结果表明，C60和C100等级的混凝土各龄期抗压强度中海砂最高，河砂和尾砂稍小，这与集料的圆度大小顺序一致，说明混凝土的抗压强度随着集料圆度变小强度有所提高，集料颗粒越粗糙、棱角越多，集料与水泥浆的黏结力就越强，混凝土的界面过渡区越不容易破坏，加上矿物掺合料的引人，粉煤灰、矿渣粉、硅灰等矿物掺合料是制备髙性能混凝土不可缺少的组分，提高了浆体结构的密实度，使水泥石中的孔结构及界面结构得到极大的改善，水泥石和界面的结构强度增加，不仅减少了Ca(OH)2在浆体中的含量，而且也改善了Ca(OH)2的存在形态，最终使得混凝土的强度得以提高。同时，海砂混凝土的早期强度增长迅速，3、7 d抗压强度增长速率都要高于天然河砂与尾砂混凝土，C60等级天然河砂混凝土3、7 d抗压强度分别为28 d抗压强度的62％和81％，而C100等级海砂混凝土3、7 d抗压强度分别为28 d抗压强度的68％和85％。

2.4 海砂高性能混凝土耐久性能性能研究

采用电通量法和NEL法分别对表4中各编号混凝土试件进行氯离子渗透性评价，测定及评价结果如表8所示。采用电通量法和NEL法评价高性能海砂混凝土的氯离子渗透性，都达到了“很低”甚至“可忽略”的评价标准，两种测试方法具有很好的一致性。混凝土的渗透性和离子扩散性都与其孔体积、尺寸及其连通性密切相关。但从具体数据看，C60等级海砂混凝土各龄期Cl-扩散系数都比天然砂大，这可能是因为海砂较大粒径颗粒比天然河砂有更多的微细连通孔，而水泥或矿物掺合料却未能填充到而存有的细小孔隙导致混凝土密实性比天然河砂混凝土差。混凝土通过电量和扩散系数却差别不大，即混凝土的抗氯离子渗透性差别不大，甚至出现相同的评价等级。随着龄期的增长，混凝土抗氯离子渗透性增长趋势越来越小，与混凝土强度发展趋势一致。

由于C100等级海砂超高强混凝土采用很低的水胶比，混凝土中自由水量减少，混凝土的孔隙率降低，加上内掺矿粉和硅灰，填充混凝土中细小的孔隙，使得混凝土的密实程度得到了很大的提高，混凝土的抗氯离子渗透性能明显得到增强，掺合料在混凝土中发挥了密实填充效应和火山灰效应。超高强混凝土随着养护龄期的增加，混凝土迁移电量和氯离子扩散系数不断降低，说明混凝土的抗氯离子渗透能力增强。7〜28d龄期下降趋势明显，混凝土迁移电量和氯离子扩散系数都较天然河砂及尾砂超高强混凝土低，说明海砂超高强混凝土具有优越的抗氯离子渗透性能。

3 结论

(1) 海砂胶砂的流动性明显小于标准砂及天然河砂胶砂流动性，海砂胶砂后期抗折强度要略高于标准砂及天然河砂胶砂抗折强度，但抗压强度却没有明显的增强，这可能是因为海砂颗粒裂缝多、缺陷多，强度从颗粒处破坏，而不是首先在胶凝材料及界面处产生。

(2) 利用海砂制备的C60、C100等级混凝土都表现出较好的工作性能，介于河砂与尾砂之间；海砂C60混凝土的坍落度比天然河砂大10mm，扩展度和倒筒时间与天然河砂混凝土接近。利用海砂制备低等级高性能混凝土时工作性能与天然河砂差别不大，但制备超高强混凝土时工作性能与天然河砂差距有所增加。

(3) C60和C100等级的混凝土各龄期抗压强度中海砂最高，河砂和尾砂稍小，这与集料的圆度大小顺序一致，同时，海砂混凝土的早期强度增长迅速，3、7d抗压强度增长速率都要高于天然河砂与尾砂混凝土。

(4) 采用电通量法和NEL法评价高性能海砂混凝土的氯离子渗透性，都达到了“很低”甚至“可忽略”的评价标准，两种测试方法具有很好的一致性；C60等级海砂混凝土各龄期C1-扩散系数都比天然砂大，但C100等级海砂混凝土混凝土迁移电量和氯离子扩散系数都较天然河砂及尾砂超高强混凝土低，说明海砂超高强混凝土具有优越的抗氯离子渗透性能。

(5) 通过上述试验研究可以初步认为：利用海砂取代普通河砂作为建筑用砂是安全可行的，并且能够制备性能良好的超高强混凝土。

参考文献

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作者：宁博、欧阳东、温喜廉

编辑：赵虹旭