不同地域海砂取代率对混凝土力学性能的影响

朱德举，周琳林，耿健智，刘志健，徐振钦

［1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室（湖南大学），湖南长沙 410082；3.建筑安全与节能教育部重点实验室（湖南大学），湖南长沙 410082］

随着工程建设的高速发展，对用于制备混凝土的砂石的需求急剧增加.现有数据表明，中国砂石产量约占世界砂石产量的35%，预计2030 年可达2.5×1010t［1-2］.当前，建筑用砂很大一部分还是来自河砂并且受到产地资源和生态保护等的限制［3］.因此，迫切需要开发利用其他的砂资源去替代河砂以解决建筑用砂供应短缺问题.我国海砂资源丰富，近海的海砂总量将近6.8×1011m3［4］.因此，利用海砂去完全或部分替代河砂制备混凝土是解决河砂短缺问题的有效手段.与河砂相比，海砂有相似的化学组成和物理性质，最大的差异在于海砂的表面形貌、氯盐、有机物和贝壳含量等［5-6］.这些差异会影响混凝土的工作性能［7］、力学性能［8-11］及耐久性［12-15］，但是通过调整配合比等手段还是可以用海砂制备出达到所需强度等级的混凝土.

在淡水和河砂资源短缺的工程建设中使用海砂，可以考虑利用海砂部分取代河砂.Limeira等［7］研究了在15%～50%取代率下海砂对混凝土物理和力学性能的影响，发现合理粒径范围内的海砂在25%～50%取代率下可以获得与对照组相似的物理和力学性能；并且掺有海砂的C30 混凝土已运用在港口路面［16］.卞立波等［17］发现当混合砂中海砂的掺量在50%以下时，其强度会随着海砂掺量的增加而增加；当掺量大于50%时，其强度呈下降趋势.Girish 等［18］发现海砂与河砂混合可以优化细骨料的级配，掺有30%海砂的混凝土的抗压强度和抗折强度比对照组略高.海砂取代率为40%时，混凝土的抗压强度和抗折强度能提升13.4%和6.46%［19］.然而Deepak［20］研究表明混凝土的强度会随海砂取代率的增加而逐渐降低，应该选择20%的海砂取代率以保证强度.

上述研究成果对海砂取代率的选择有一定的借鉴性，但存在地域的局限性并且大多关注早龄期力学性能（7 d 和28 d）.为了进一步研究海砂取代率对混凝土性能的影响，本文考虑地域因素，以山东胶州、福建漳州、广西钦州三地原状海砂为研究对象，对比研究与河砂混合后物理性质差异以及不同海砂取代率对混凝土工作性能和不同龄期力学性能的影响，最后确定了海砂取代率的合适范围.

1 试验材料及方法

1.1 原材料

水泥采用南方牌PO 42.5 普通硅酸盐水泥，水泥的化学组成见表1；粗骨料采用本地石灰岩碎石，粒径为5～20 mm，表观密度为2 624 kg/m3，压碎值为9.6%；拌合用水为本地自来水；减水剂为西卡公司生产的聚羧酸型高效减水剂，性能指标见表2；使用的细骨料包括：长沙当地河砂（RS）、三地浅海地区原状海砂［山东胶州海砂（SDS）、福建漳州海砂（FJS）和广西钦州海砂（GXS）］.按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）［21］，对它们的物理及化学性质进行测定，结果见表3.

表1 水泥的化学组成Tab.1 Chemical composition of cement %

表2 减水剂性能指标Tab.2 Performance index of water reducer

1.2 测试方案与试件制备

1.2.1 混合砂的性能测试

海砂的取代率为15%、25%、35%和50%，三种不同地域的海砂能够与本地河砂组合成12 种混合砂.在后文中，SDS-15%代表混合砂由15%的山东胶州海砂和85%的河砂组成，其余样品的命名类似.根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）［21］对上述混合砂的表观密度、堆积密度、压碎值、粒径分布和细度模数进行测试.

1.2.2 混凝土配合比和制备流程

不同类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 分别代表普通混凝土、掺有山东胶州海砂、福建漳州海砂和广西钦州海砂的混凝土.SD-15%代表掺有15%山东胶州海砂的混凝土，其余样品的命名类似.

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

所有混凝土的材料选取和制备流程均严格按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）［21］和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）［22］进行，尽可能避免由此带来的试验误差对力学试验结果的影响.此外，所有试件浇筑完后均放入标准养护室［温度为（20±2）℃，相对湿度≥95%］养护，达到规定的龄期后进行力学性能测试.

1.2.3 混凝土力学性能测试

如表5 所示，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）［23］以及文献［5，24］测试不同类型混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、静力弹性模量.由于采用的试件尺寸均为非标准尺寸，除了静力弹性模量外，立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度的试验结果均换算成标准试件尺寸强度，尺寸换算系数分别为0.95、0.95和0.85［5，23］.

表5 混凝土的力学性能试验Tab.5 Mechanical properties test of concrete

2 结果与讨论

2.1 砂性能测试

2.1.1 密度和压碎值

各类混合砂样的堆积密度、表观密度以及压碎值的测试结果见表6.对照表3，混合砂的堆积密度随海砂取代率的增加变化不大.在高取代率下，相比于RS，掺有SDS 的混合砂略高一些，而分别掺有FJS和GXS 的混合砂有所降低，主要原因在于SDS 的堆积密度略高于RS 而其余两种砂与之相反.此外，由于SDS 和GXS 的表观密度大于RS 而FJS 与之相反，所以掺有SDS 和GXS 的混合砂的表观密度高于RS并随着取代率的增加而增加，掺有FJS的混合砂则与之相反.另外，RS、SDS和GXS的压碎值差异不大，所以混合砂随海砂取代率的变化也不大.而FJS 明显高于三者，因此在高取代率下，掺有FJS 的混合砂的压碎值高于河砂.

表6 混合砂的物理性质Tab.6 Physical properties of mixed sand samples

2.1.2 颗粒级配及细度模数

如图1 和表7 所示，各混合砂样的粒径分布（图中通过率为质量通过率）和细度模数均随海砂掺量而变化，均介于河砂与海砂之间.其次，所有混合砂的级配均连续，符合JGJ 52—2006［21］对于混凝土用细骨料的规定，属于Ⅱ区中砂.另外，海砂的掺入优化了河砂的粒径分布，弥补了河砂某一粒径含量不足的缺陷.Limeira 等［7］和Girish 等［18］的试验中也有类似的发现.

图1 各类砂样的粒径分布曲线Fig.1 Grain size distribution curves of various types of sand samples

表7 各类砂样的细度模数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来表征.图2 展示了C40 普通混凝土与所有掺有海砂的混凝土的坍落度测试结果.

图2 表明各新拌混凝土坍落度均可达到（200±20）mm，能够满足工程需求.结合表7中各类砂样的细度模数，可以发现随着细度模数的降低，混凝土的坍落度先增加后减小.当细度模数在2.8～2.9 范围内时，掺有海砂的混凝土的坍落度均高于OC（河砂细度模数为2.91，见表3）.这表明海砂取代率较低时，海砂的掺入改善了细骨料级配，使混合砂的细度模数更合理，进一步改善了工作性能.然而，随着海砂替代率的增加，混合砂中细颗粒较多，细度模数将低于合理值，骨料比表面积增大，需要更多的浆体来包裹，此时混凝土坍落度会降低.相比于其他组，FJS-50%组的细度模数最低，相应的混凝土坍落度最低.此外，海砂中的贝壳等物质也会降低混凝土的流动性.由于FJS 和GXS 中贝壳含量高于SDS，因此在高海砂取代率下FJ组和GX组的坍落度均低于SD组.

图2 各类混凝土的坍落度Fig.2 Slump of various types of concrete

2.3 混凝土的力学性能

对不同海砂（SDS、FJS 和GXS）制备的混凝土和OC 进行力学性能测试.不同龄期的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的测试结果如表8所示.

2.3.1 抗压强度

表8和图3表明在大多数情况下，海砂的掺入对混凝土的抗压强度均有不同程度的提高.当养护龄期为7 d 时，掺有不同地域海砂的混凝土较OC 抗压强度的变化幅度介于-5.5%～8.5%，其中当海砂替代率达到35%时，抗压强度达到最大并且相对于OC的平均涨幅在4.8%以上.当养护龄期为28 d 或更长时，SD 组、FJ 组和GX 组的抗压强度也均高于OC.以180 d 为例，掺有不同地域海砂的混凝土较OC 抗压强度的增长幅度介于0.7%～6.4%.海砂提高混凝土抗压强度的原因主要有：

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

图3 不同龄期下各类混凝土的立方体抗压强度Fig.3 Cubic compressive strength of various types of concrete at different curing age

1）根据Donza 等［25］和Limeira 等［7］的研究，海砂对于混凝土抗压强度的贡献一部分来源于海砂本身的强度以及海砂颗粒的表面形貌.如表3 所示，除了FJS 以外，SDS 和GXS 的压碎值小于RS，这表明SDS和GXS 能发挥自身强度优势以提高混凝土的强度.另外，图4 表明三种海砂与河砂颗粒形貌比较相似，但海砂的表面粗糙度较大，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够优化界面过渡区的力学性能，对提升混凝土强度起到了积极作用.

图4 不同砂样的表观形貌Fig.4 Apparent morphology of different sand samples

2）图1 已表明海砂可改善混凝土中细骨料的级配，内部空隙得到更好的填充，从而使混凝土更加密实.

3）海砂携带的氯离子促进了水泥水化，提高混凝土早期强度.生成的Friedel 盐等产物将填充混凝土内部孔隙，对提升混凝土强度也有一定的帮助［17］.

另外，通过分析不同龄期下SD组、FJ组和GX 组中抗压强度与海砂替代率的变化趋势，发现混凝土强度随海砂替代率的增加均呈先增加后降低的趋势，且都在掺量25%或35%时达到最高值.造成这一现象的原因可能是当海砂替代率较低时，海砂对细骨料级配的优化作用对混凝土强度的提升占据主导地位.然而，随着海砂替代率的增大，海砂引入的贝壳含量也随之增加，贝壳的低强度以及与混凝土基体较弱的黏结力将导致混凝土强度降低［26-27］.

本文还对比了不同掺量下不同地域海砂混凝土28 d 立方体抗压强度的变化情况，如图5 所示.可以发现，不同地域海砂的掺量为15%、25%、35%和50%时，混凝土强度相差不大，最大强度差分别为0.4 MPa、1.1 MPa、1 MPa 和1.4 MPa.这也进一步验证了海砂对混凝土立方体抗压强度的提升主要还是源于海砂对细集料级配的优化作用.不同地域海砂本身的差异对混凝土强度的影响较小，尤其是在低掺量下.此外，不同海砂掺量下GX 组的强度略高于其余两组，主要原因在于GXS的压碎值最低，且氯离子含量远高于FJS和SDS（详见表3）.

图5 SD组、FJ组和GX组的28 d立方体抗压强度Fig.5 28 d cubic compressive strength of SD group，FJ group and GX group

此外，通过表8和图3还能发现不同海砂取代率对混凝土抗压强度的变化幅度（增加或降低）相比于对照组均不超过10%，并且在长龄期下当海砂取代率为50%时，混凝土的抗压强度依然高于对照组.这说明从整体上看，海砂取代率对混凝土抗压强度的影响并不明显.因此，从工程应用角度，海砂取代率在50%范围内都是可行的.

2.3.2 劈裂抗拉强度

OC、SD 组、FJ 组和GX 组的混凝土劈裂抗拉测试结果见表8.由表8 可见，掺有海砂的混凝土的劈裂抗拉强度均不小于OC.养护龄期为28 d、90 d 和180 d 时，海砂对混凝土劈裂抗拉强度的最大提升幅度分别为10.8%、6.6%和4.3%，劈裂抗拉强度的增长幅度随龄期增长逐渐降低.此外，SD 组、FJ 组和GX组的混凝土不同龄期劈裂抗拉强度均在海砂取代率为35%时达到最大值.这个趋势与抗压强度的发展趋势一致.

2.3.3 弹性模量

各组混凝土弹性模量的测试结果如图6 所示（图中虚线代表OC 的弹性模量），可以发现SD 组、FJ组和GX组的混凝土弹性模量与OC相比无明显的规律性.海砂对混凝土弹性模量影响较小.当取代率为25%～35%时，混凝土的弹性模量略微提高.刘伟等［5］也得到类似的结果.其原因是混凝土的弹性模量主要依赖于粗骨料的相对体积和硬度，而本研究中采用相同的粗骨料.

图6 各组混凝土的弹性模量Fig.6 Elastic modulus of various groups of concrete

3 结论

本文以15%、25%、35%和50%的海砂取代率将山东胶州、福建漳州、广西钦州三地原状海砂与河砂混合制备混凝土，系统研究了海砂取代率对混凝土工作性能和力学性能的影响，主要结论如下：

1）海砂的掺入不会影响混凝土的工作性能.在选取的三种海砂中，取代率不超过50%时，均能提高混凝土的流动性.

2）海砂的掺入能够提高混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度，并且两者均随着海砂取代率的增加呈先增加后降低的趋势.取代率在25%～35%时抗压强度均达到最大值.劈裂抗拉强度在取代率为35%时达到最大值.

3）海砂的掺入对混凝土的弹性模量无明显影响.取代率为25%～35%时混凝土的弹性模量略高于OC.

4）从工程应用角度，混凝土的海砂取代率在50%范围内都是可行的.