含海砂人工砂在素混凝土中的应用探索研究*

于晓东，武耀华，任雪梅

（1.唐山曹妃甸二十二冶工程技术有限公司，河北 唐山 063200；2.中冶建筑研究总院有限公司 中冶高性能混凝土工程技术中心，北京 100088）

0 前言

随着我国基础设施建设的快速发展，工程总量增长显著，据统计 2018 年全国规模以上企业预拌混凝土总量近 17.96 亿立方米[1]，消耗细骨料近 15 亿吨。随着国家环境保护压力与日俱增，尤其是在沿海地区，河砂资源紧缺，国家许多地区河流干流及支流多条河道已全面开始禁止挖沙作业。而我国近海海砂资源约 3434.3 亿立方米[1]，目前海砂在混凝土中的利用率非常低，仅在宁波、丹山、深圳等地有过使用。因海砂中含有大量氯离子、硫酸盐、贝壳等有害物质，引起钢筋锈蚀，从而影响建筑物的结构安全，使用未经淡化的海砂造成“海砂屋”等一系列问题[2]。因此，各地政府均出台相关政策禁止将未经处理的海砂用于混凝土。但全球也有很多成功应用海砂的例子，日本是世界上利用海砂比较成熟的国家，在阻锈剂的使用上比较成熟，沿海地区混凝土用砂 90% 以上都是海砂[3]。目前，对海砂使用最多的处理方法是对海砂进行淡化处理，添加阻锈剂或使用 FRP筋替代钢筋[4]。秦斌[5-7]等人对淡化海砂混凝土进行了试验性能的研究，认为淡化处理的海砂配制混凝土的基本性能与普通混凝土相近。陈宗平[8-10]等人对海砂混凝土力学性能进行了研究，试验表明海砂能提高混凝土早期强度。

笔者认为，除上述研究路径外，还可在原状海砂应用中探索新路径。本文结合唐山地区尾矿资源丰富的特点，将尾矿砂、机制砂等与原状海砂复合制备成人工砂，探索其在混凝土中的应用途径。本文研究不同海砂掺量人工砂对素混凝土工作性、强度等的影响。

1 试验原材料、试验方法及试验配比

1.1 原材料

胶材：冀东 P·O42.5 级水泥，北疆电厂Ⅱ粉煤灰，曹妃甸石砼 S95 级矿粉。

粗骨料：5～25mm 连续级配碎石。

外加剂：聚羧酸高性能减水剂，天津冶建特种材料有限公司，含固量 8%。

拌和用水：饮用水。

细骨料：三种砂的性能指标见表1，机制砂属于粗砂，尾矿砂属于细砂。海砂采自天津滨海附近海域，海砂属于中砂，经过了简单的处理，贝壳物含量显著下降，氯离子含量为 0.146%，高于建设用砂标准中海砂氯离子含量小于等于 0.06% 的要求。不同比例海砂人工砂中的氯离子含量见表2。

表1 砂的基本性能

表2 不同比例海砂人工砂中氯离子含量

1.2 试验方法

根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，进行配合比设计，海砂掺入比例为：0%、10%、20%、30%、50%、70% 和 100%，不同比例的海砂复合机制砂、尾矿砂进行配比试验，参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验》标准，每个配比制作 4 组 100mm×100mm×100mm 试件，共计 28组。按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》，进行混凝土出机坍落度、1 小时坍落度测定，并观察其流动性、粘聚性、保水性等工作性能；参照 JGJ/T 322—2003《混凝土中氯离子含量检测技术规程》检测混凝土拌合物中水溶性氯离子含量；测定完毕后，制作试件。最后在标准条件下进行养护（养护室温度 (20±2)℃，相对湿度 95%）。在标养 7 天、28 天、56 天后对试件进行抗压试验。对比分析不同比例海砂人工砂混凝土的工作性能、力学性能变化以及水溶性氯离子含量变化。

1.3 试验配比

C30 混凝土的试验配合比及相关性能见表3。

2 结果与分析

2.1 不同海砂掺量混凝土的工作性能

由表3 可知，随着海砂掺入比例的增加，其出机工作性能较不加海砂混凝土逐渐变差，混凝土的出机坍落度逐渐减小，1 小时坍落度损失有所增加，流动性逐渐变差，粘聚性也逐渐变差。分析其原因为，海砂比人工砂的吸水率高、颗粒级配较差，致使其坍落度损失加快。另外，海砂中部分贝壳物的存在，也使混凝土的工作性能变差。

2.2 不同海砂掺量的混凝土力学性能

由图1 可知，混凝土 7 天、28 天、56 天强度均随龄期的增加而增长。海砂掺量在 30% 以下时，海砂人工砂混凝土与普通混凝土强度接近；海砂掺量在 30%以上时，随海砂掺量的增加，海砂人工砂混凝土强度呈现增长的趋势。分析其原因为，海砂掺量在 30% 以下时，海砂人工砂降低了混凝土中总氯离子含量；达到30% 以上后，海砂人工砂混凝土中总氯离子含量显著增加，大量的游离氯离子与水泥水化后的 Ca(OH)2反应生成 CaCl2，CaCl2又进一步与 C3A 反应生成水化氯铝酸钙，即 Friedel 盐，另外，矿物掺合料矿渣、粉煤灰的二次水化产生 Ca(OH)2，又进一步促进了 Friedel 盐的生成，从而提高了海砂人工砂混凝土的强度。

表3 C30 混凝土配合比及性能

2.3 不同海砂掺量的混凝土中水溶性氯离子含量变化

由图2 可知，海砂人工砂混凝土中的水溶性氯离子含量随海砂掺入比例的增加而增加；在海砂掺量 30%以下时，海砂人工砂混凝土中水溶性氯离子增加较为缓慢，在 30% 以上时，拌合物中水溶性氯离子含量增加显著；在海砂掺量达到 100% 时，海砂人工砂混凝土中总的游离氯离子含量为 0.439%，低于 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定的素混凝土拌合物中水溶性氯离子含量最大值 1%。

图1 抗压强度曲线图

图2 海砂人工砂混凝土中水溶性氯离子含量

3 结论

（1）在相同条件下，海砂人工砂混凝土比普通混凝土工作性能下降，坍落度损失较普通混凝土快。

（2）在相同条件下，海砂掺量在 30% 以下时，海砂人工砂混凝土与不加海砂混凝土强度接近；在海砂掺量 30% 以上时，随着海砂掺量的提高，混凝土强度呈增加的趋势。

（3）海砂人工砂混凝土中的水溶性氯离子含量随海砂掺量的提高而增加。海砂经处理后，以不同比例与人工砂混合而制成的混凝土水溶性氯离子含量均低于素混凝土中规定小于 1% 的要求。经处理后的海砂与人工砂混凝土而制成的混凝土可以用于素混凝土的生产使用。