海砂混凝土性能与氯离子迁移规律研究

摘 要：本文以广东汕尾地区的海砂、海水为原材料，制备不同配合比的砂浆，并对砂浆扩展度进行测定，结果表明减水剂掺量减少会导致海砂砂浆流动性能降低，并证明硅灰对海水海砂砂浆的流动性能有积极作用。基于氯离子扩散系数表达式，利用MATLAB建立混凝土随机骨料模型，并导入COMSOL软件中，在不同浓度梯度的混凝土中进行氯离子渗透模拟试验，结果表明时间与相对湿度不同，氯离子的迁移方式与渗透深度也不同。

关键词：海砂；海水；混凝土；氯离子迁移

中图分类号：TU 528" 文献标志码：A

由于建筑业的快速发展，河沙等混凝土原材料的需求与日剧增，但河沙储量有限，再加上频繁开采会给生态环境带来无法修复的影响。据有关专家研究，我国近海海域的海砂储量大概有6.8×1011m3[1]，因此储量丰富的海砂可作为河沙的代替材料。但海砂中的氯离子含量较高，制备成混凝土后容易在短时间内导致钢筋锈蚀，从而降低结构的承载力与耐久性能，这将成为限制海砂广泛应用的重要问题[2]。

本文针对海砂的特点，研究海水制备的海砂混凝土基本性能，并揭示氯离子在海砂混凝土中的迁移特性，从而为海砂混凝土中钢筋的防锈蚀方法提供参考，对海砂进行推广应用。

1 海砂混凝土基本性能研究

以广东汕尾地区的海砂、海水为原材料，其余制备混凝土的材料均在汕尾地区采购。掺入粉煤灰、矿粉、硅灰等胶凝材料制备混凝土与砂浆，并通过试验研究混凝土与砂浆的基本性能。

1.1 砂浆流动性能

与淡水、河沙不同，海水与海砂的成分中含有较多的硫酸盐与氯盐，并且含有少量贝壳等杂质，当制备高强度海砂砂浆时，氯离子会与水泥中的Ca（OH）2反应形成CaCl2，其流动性会产生不利影响[3]。因此为研究海水海砂制备的砂浆流动性能，按表1制备不同配合比的砂浆，并进行砂浆扩展度测定。

测定结果A～D的扩展高度分别为152.5mm、157.4mm、231.8mm、168.1mm。由结果可以看出，不添加胶凝材料的A组扩展高度最低，仅152.5mm，砂浆流动性能较差。而掺加了矿粉与粉煤灰的B组与D组虽然扩展高度有一定提高，但提升幅度较小，而掺加了硅灰的C组扩展高度达到231.8mm，流动性最高且提升幅度明显，说明掺加硅灰能有效改善海砂砂浆的流动性能。

为进一步研究在不同减水剂掺量下硅灰对海砂砂浆的流动性能的影响，将C组分为C1、C2、C3、C4，其中海水、海砂、水泥、硅灰的配合比均为100∶750∶285∶15，C1、C2、C3、C4减水剂分别为3、2.5、1.5、0。按各自配合比进行制备后，对试件进行砂浆扩展度测定。试验结果如图1所示。

试验结果显示C1、C2、C3、C4的扩展高度分别为231.8mm、207.5mm、181.2mm、161mm。由结果可知减水剂掺量减少会导致海砂砂浆流动性能降低，此时扩展高度不断下降，当减水剂掺量为0%时，扩展高度降至161mm，但与未添加硅灰的A组相比，扩展高度依然要高出8.5mm，这也说明硅灰对海水海砂砂浆的流动性能有积极作用。

1.2 海砂混凝土抗压强度

混凝土的抗压强度是衡量混凝土性能的重要指标之一[4]，为研究海水、海砂分别对混凝土抗压强度的不同影响程度，按表2的配合比分别制备海水+未淡化海砂混凝土（USSC）、海水+淡化海砂混凝土（SSC）与淡水+河沙混凝土（RC），并分别测定其养护龄期在3d、7d、28d的抗压强度，结果如图2所示。

由图2（a）可知，当水胶比为0.45时，USSC1与SSC1在3d与7d时的早期抗压强度较高，并且两者差距不大，比RC1的3d与7d时的早期抗压强度高7MPa与14MPa左右。由于海水与海砂中浓度较高的氯离子与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应生成CaCl2物质，因此能促进水泥的水化作用，同时海水与海砂本身含有的CaCl2也进一步缩短了混凝土的硬化时间[5]，使USSC与SSC在3d与7d时的早期抗压强度明显高于RC，这种趋势在图2（b）中也基本一致。

由图2可知，当龄期为28d时，USSC、SSC与RC的抗压强度差别不大，并且USSC的抗压强度在两组试验中均大于SSC与RC，可知由海水+未淡化海砂制备的混凝土强度是满足要求的。

2 氯离子迁移规律研究

2.1 氯离子在砼中的传输机理

氯离子在混凝土中进行迁移传输的过程本质上是微观离子或分子在砼孔隙中溶液的运动轨迹。当混凝土处于饱和状态时，氯离子的迁移形式为浓度梯度扩散，当混凝土处于非饱和状态时，氯离子的迁移形式为渗透、扩散与毛细吸附的复合作用，此时氯离子扩散效率低，其扩散系数也相应改变。在相对湿度影响下，计算氯离子扩散系数如公式（1）所示。当考虑毛细吸附的时间效应时，计算氯离子扩散系数如公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：Dh、Dc分别为相对湿度在H、Hc时氯离子的扩散系数；HR、Hc分别为砼的相对湿度与临界相对湿度；Hc一般取值为0.75；DRH（t）为t时刻的砼里氯离子扩散系数；DRH=100%（t0）为t0时刻相对湿度在100%时砼里氯离子扩散系数；t0为毛细吸附时间，为1h。

2.2 氯离子渗透模拟

在混凝土成型后，其内部并非致密而是存在大量微观上的孔隙空间，而氯离子会通过孔隙水的流动进行迁移运输，因此迁移的时间与相对湿度均会对氯离子的迁移运输产生影响。当相对湿度较大时，氯离子的传输方式主要为自由扩散。当相对湿度较小时，氯离子的传输方式主要为毛细吸附。

假定在混凝土的表面5mm处与环境进行水分传输，以公式（1）作为氯离子迁移模型，在混凝土内部将公式（2）作为氯离子迁移模型。采用MATLAB建立了混凝土的二位骨料随机模型，其尺寸为100mm×100mm，骨料组成级配为5～20mm，周围区域为砂浆，并在骨料与砂浆之间设置70μm的区域，将其作为界面区。利用插件将MATLAB里的随机骨料模型导入COMSOL软件中，对不同浓度梯度的混凝土氯离子进行渗透模拟试验。

2.3 时间对氯离子渗透影响

在COMSOL软件中，以公式（1）为模型的混凝土表面5mm处的相对湿度为0.75，以公式（2）为模型的混凝土内部的相对湿度为0.95，以海水+淡化海砂混凝土（SSC）与淡水+河沙混凝土（RC）为模型，对结合时间为100d与1年的氯离子进行渗透模拟。

试验结果表明，当结合时间为100d时，氯离子由高浓度的SSC向低浓度的RC进行迁移，但仅渗透到RC的表层。当SSC与RC结合时间到达1年后，氯离子进一步向RC中渗透，并渗透到了RC内部30mm左右，但此时RC表层氯离子含量最高仅为0.075%，不会造成钢筋严重锈蚀。

2.4 湿度对氯离子渗透影响

温湿度变化对混凝土氯离子传输研究表明[6]，相对湿度不同，氯离子扩散的方式也不同。因此在其他条件不变的情况下，将SSC表层的湿度环境设置为25%～95%，共4个梯度的湿度，并对100d时的结合模型进行氯离子渗透模拟，其结果如图3所示。

由图3可以看出，在结合时间为100d的条件下，随着SSC表层的湿度下降，更多氯离子从SSC渗透到RC中，且氯离子主要富集在RC的粗骨料表层，这是因为粗骨料内部致密阻断了水分的传输路径，从而使粗骨料周围的氯离子产生富集。同时随着SSC表层的湿度下降，氯离子在RC表层的浓度降低，但渗透深度增加，渗透深度达到38mm左右。

3 结论

本文对广东汕尾地区的海砂混凝土性能与氯离子迁移规律进行深入研究，根据研究情况得出以下结论。1）减水剂掺量减少会导致海砂砂浆流动性能的降低，同时掺入硅灰对海水海砂砂浆的流动性能有积极作用。2）USSC与SSC在3d与7d的早期抗压强度明显高于RC，28d时的海水+未淡化海砂制备的混凝土强度是满足要求的。3）当SSC与RC结合时间到达1年后，氯离子进一步向RC中渗透，并渗透到了RC内部30mm左右，但此时RC表层氯离子含量最高仅为0.075%，不会造成钢筋的严重锈蚀。4）随着SSC表层的湿度下降，更多氯离子从SSC渗透到RC中，且氯离子主要富集在RC的粗骨料表层。同时随着SSC表层的湿度下降，氯离子在RC表层的浓度降低，但渗透深度增加，渗透深度达到38mm左右。

参考文献

[1]乐兴，梅世龙，王石磊.白云岩石粉混凝土力学性能试验研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2023，40（6）：94-100.

[2]刘哲，牟雨龙，胡庆，等.海砂混凝土工程优化应用技术研究[J].混凝土世界，2023（9）：64-67.

[3]王琼，杨伦庆.广东海砂资源开发利用问题与对策[J].中国资源综合利用，2021，39（6）：73-76.

[4]陶涛.淡化海砂水泥砂浆氯离子结合性能研究[D].湘潭：湖南科技大学，2018.

[5]熊卫锋，杨晓峰，段文锋，等.可溶性氯盐对掺不同结构聚羧酸减水剂水泥浆体流变性的影响[J].新型建筑材料，2011，38（11）：90-93.

[6]赵蕊，金祖权，曹杰荣，等.海洋环境中温湿度变化对混凝土氯离子传输研究[J].海洋工程，2018，36（1）：99-106.