海砂颗粒形态评价与海拌混凝土性能研究

卢予奇，赵羽习

(浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

随着中国经济的崛起，基础工程大量兴建，我国混凝土产量长期居于世界首位，淡水与河砂资源飞速消耗、日渐匮乏。为实现可持续绿色发展，寻找替代性的水源、砂源已经迫在眉睫。所幸，我国海岸线绵长、陆架宽阔、岛屿众多，海洋中蕴藏着极为丰富的资源，在海洋强国的战略发展背景下，海洋空间的开发利用将进入新的高潮。若能将海水用作混凝土拌合用水，将海砂用作混凝土细骨料，不但可以缓解资源紧缺的局面，沿海建设就地取材还能减少远距离运输原材料所耗费的人力物力，可谓一举两得。

然而海水、海砂通常含有氯盐、硫酸盐、贝壳等多种有害杂质[1-2]，会给混凝土流变性能、力学性能、耐久性能等带来诸多不利影响，应用在结构构件当中还会加速钢筋脱钝，有可能引发重大安全事故。例如福建泉州1993年通车的惠安辋川大桥因钢筋锈蚀严重，桥面板与护栏破损，2000年被迫停用；广东深圳鹿丹事件中海砂屋竣工后不到十年就千疮百孔，拆除重建费高达7亿人民币。为了使海水、海砂能够被更合理地资源化利用，须从混凝土材料性能层面入手，逐步上升至结构全寿命设计层面，展开系统研究，探索之路任重道远。

仅就材料层面而言，国内外现有的试验资料还远远无法形成完整的理论体系。一方面，具有可比性的数据积累不足，各项耐久性能指标的相关试验成果尤为稀缺。另一方面，不同研究所得到的结论经常相互矛盾。例如Wegian[3]测得海水混凝土28 d后抗压、抗折及劈裂抗拉强度均低于淡水混凝土；而Li等[4]却认为海水能提高混凝土抗压强度，掺加5%偏高岭土甚至可使增幅高达50%。这类矛盾主要源于混凝土的原材料、配合比、养护条件、试验条件等千差万别，而人们对海水、海砂物理化学特性的认识还不够透彻。鉴于上述情况，专门利用图像处理技术评价了海砂与河砂的颗粒形态特征，并借助对比试验归纳了天然海水与商品海砂单独使用或复合使用对混凝土抗压强度、碳化深度等性能指标的影响规律。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用细骨料为商品海砂与商品河砂，遵照GB/T 14684—2011《建筑用砂》所述筛分法可得，海砂为细度模数1.68的细砂，河砂为细度模数3.03的中砂。各号筛累计筛余率如图1所示，海砂粒径大于1.18 mm的颗粒多为贝壳碎屑，比例极低，大于0.600 mm的颗粒仅占7.8%，级配显然不理想。

另外，试验所用粗骨料为产自浙江德清的连续粒级天然碎石，公称粒径为5～16 mm；水泥为钱潮牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥；淡水为洁净的自来水。海水则取自浙江宁波北仑港，pH为7.17，各种阴阳离子浓度如表1所示，氯离子质量分数高达1.5%。

1.2 颗粒形态评价方案

首先，进行细骨料颗粒图像的采集。该过程步骤简单，将筛分后各粒径范围的河砂与海砂分别装袋，每袋中随机抽取若干颗粒样本，铺撒于背景纸上，用分辨率合适的仪器拍摄成图(如图2)。对于粒径在0.600～9.500 mm范围内的试样，自带光源的普通数码相机已足够辨清颗粒边界；粒径0.150～0.600 mm的试样则使用上海光学仪器厂生产的显微镜将试样放大，再利用UCMOS05100KPA显微镜CCD数字摄像头拍照；粒径小于0.150 mm的颗粒过于微小且分计筛余量不足10%，因受操作难度及仪器分辨率的限制，不予考虑。操作过程中应尽量保证颗粒不相互接触，且每种粒径范围的样本容量在100以上。

采样完成后利用Photoshop CS6软件将散乱的细骨料颗粒排列成10×10的方阵。为了便于后续测量过程中准确识别颗粒边界，宜先将方阵图黑白二值化。

图2 细骨料颗粒图像的采集与处理(以300～600 mm河砂颗粒为例)Fig. 2 Collection and processing of the images of fine aggregate particles (taking 300～600 mm river sand particles as an example)

其次，利用ImageJ软件对以下颗粒样本平面投影轮廓的几何参数进行量化统计：面积A与周长P；最适椭圆的长轴长XLmax与短轴长XLmin；最小外接凸多边形的面积Ac。其中最适椭圆是指与投影轮廓具有相同中心与二阶矩的椭圆，最小外接凸多边形是指能覆盖投影轮廓且各内角均不大于平角的最小多边形，颗粒样本的几何参数示意如图3所示。

图3 颗粒样本的几何参数示意Fig. 3 Schematic diagram of geometric parameters of the particle sample

再则，在试验采用的细骨料中随机挑选100个颗粒样本，对GB/T15445-2014《粒度分析结果的表述》列举的多项无量纲参数进行统计。发现椭圆率与坚固性之间皮尔逊相关系数仅为-0.001，前者能从宏观层面描述颗粒长宽比例，后者能从细观层面描述颗粒表面起伏形状，而圆度又具有较为丰富的物理意义，故最终择取这三项参数来综合评价细骨料颗粒形态特征。三者取值均在(0,1]范围内波动，具有一定离散度，均可由上述平面投影轮廓几何参数计算而得，现将其具体表达式及物理意义概述如下：

1.3 混凝土基本性能对比试验方案

以海水或淡水为拌合用水，以海砂或河砂为细骨料，两两搭配即可配置4种类型的海拌混凝土或普通混凝土。配合比如表2所示，混凝土类型栏中前一位字母指代拌合用水种类，F即淡水，S即海水；后一位字母指代细骨料种类，R即河砂，S即海砂。

表2 试验混凝土配合比 Tab. 2 Mix proportion of concretes (kg/m3)

待混凝土凝结硬化后，按照下述方案进行各项基本性能的对比试验：

1) 采用RCT法对各类型混凝土56 d龄期时游离氯离子含量进行快速检测。利用冲击钻在100 mm ×100 mm×100 mm的立方体试件上获取少量混凝土粉末，通过0.600 mm规格的方孔筛后，称取4.0 g配以40 mL去离子水，振荡5 min并静置一昼夜，由此将粉末中的游离氯离子提取到水溶液中。此后启用DY2501-B型便携式氯离子含量测定仪，先依次将探头插入0.005%、0.05%与0.5%的标准氯盐溶液内对仪器进行标定，在此基础上测试待测溶液中氯离子浓度，屏幕上会直接显示其占混凝土质量的百分数。

2) 参考GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，浇筑100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，在7 d、28 d、56 d龄期时测试各类型混凝土抗压强度。采用NYL-600型万能试验机获得试件破坏荷载。

3) 参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，浇筑100 mm×100 mm ×500 mm的四棱柱试件，养护28 d后将其5个表面涂覆石蜡，仅留一个侧面裸露在外，置于CCB-70B型碳化试验箱中，分别于3 d、7 d、14 d、28 d将试件取出，用1%的酚酞酒精溶液(含20%蒸馏水)测定各类型混凝土碳化深度。

2 试验结果及分析

2.1 颗粒形态参数的统计分析

基于ImageJ软件对细骨料不同粒径范围样本所构成的10×10方阵二值图的测量数据，可求得3项颗粒形态参数的平均值与标准差。以各粒径范围的分计筛余率为权重，还可计算出各项参数的加权平均值，以此综合考量细骨料颗粒的形态特征。

如表3和表4所示，海砂的各项参数值均随粒径递增，说明砂粒越大，呈针片状的可能性越大，表面的棱角与内凹型曲面也越显著。河砂颗粒各项参数随粒径的增减趋势则不尽相同。粒径大于0.300 mm的各组样本椭圆率及圆度均值都相当接近，分别集中于(0.729,0.741)及(0.890,0.898)区间，明显低于0.150～0.300 mm组别，惟有坚固性参数的变化规律与海砂相似。说明河砂颗粒越大，表面内凹型曲面越显著，但其外形细长程度与表面平滑程度则基本不变，仅0.150～0.300 mm的砂粒表现出更为圆润平滑的特征。

表3 海砂样本各项颗粒形态参数的统计结果Tab. 3 Statistical results of morphological parameters of the sea sand samples

表4 河砂样本各项颗粒形态参数的统计结果Tab. 4 Statistical results of morphological parameters of the river sand samples

对比两种细骨料各项参数的加权平均值发现，河砂的椭圆率、圆度与坚固性仅比海砂高出0.87%、0.35%与1.17%，说明两者总体样本形态特征极为相近，河砂相较而言更偏向于球状，棱角与内凹曲面更不显著。结合参考文献[5-6]所得结论可知，天然海砂与河砂颗粒形态特征并不存在本质区别，这是因为两者自然形成机制非常相似，最初都来源于岩石的风化、搬运、分选与堆积，经水流长期冲刷，所以颗粒一般都较为光滑浑圆。

2.2 混凝土游离氯离子含量检测结果分析

海砂经海水长期冲刷，通常富含氯盐，混凝土中的水泥石又难以完全固化砂粒释放出来的游离氯离子，然而如表5所示，FS型试件游离氯离子含量却极低，与原材料中几乎不含氯元素的FR型试件相当，由此可推知试验采用的商品海砂是经过淡化处理的，从而后续试验中海砂与河砂所拌制的混凝土性能上的差别将主要由贝壳含量、颗粒级配等因素的差异导致。

以海水为原材料的试件游离氯离子含量较高。结合海水化学成分检验结果与混凝土配合比，可估算出SR型与SS型试件中由海水引入混凝土的氯离子总量，从而求得56 d龄期水泥石对海水型氯离子的固化率分别为61.6%与66.4%。根据马红岩等[7]采用硝酸银滴定与硫氰酸钾滴定测得海水混凝土氯离子固化率为68%～71%，Li等[8]采用高性能液体色谱发现56 d龄期海水混凝土氯离子固化率为57%～67%，显然上述测量数据均与文中估算结果较为接近。

表5 各类混凝土游离氯离子含量检测结果Tab. 5 Free chloride ion content of the concretes

2.3 混凝土抗压强度检测结果分析

将检测结果绘制于折线图4中，可发现7 d、28 d、56 d龄期SR型试件抗压强度始终最高，较FR型普通混凝土试件分别高出3.6%、13.3%与16.1%，90 d龄期却不再具有优势，与其余3类试件差距甚微。这可能是因为海水中氯离子与硫酸根离子加快了水化反应速率，促进了弗里德尔盐、钙矾石等矿物生成[9]，它们填充了孔隙，改善了混凝土微观结构，从而有助于早期强度的提升。但随着龄期的增长，水化进程持续推进，海拌混凝土中膨胀性与可浸出性产物逐渐积累，会诱发微裂缝的形成[10]，从而引起混凝土力学性能的劣化。

海砂的使用对淡水混凝土抗压强度影响轻微，对海水混凝土则会在某种程度上产生负面影响。这或许可以归咎于海砂颗粒级配不良，且贝壳含量较高。贝壳碎屑大都呈针片状，与圆润的砂粒不能良好接触并相互填充，从而增加了骨料的空隙率，导致混凝土的致密程度偏低。

国内外文献中多数研究者认为海水有利于早期强度，至于后期强度如何发展则众说纷纭。总体而言，使用海水、海砂拌制混凝土对抗压强度会造成一定影响，但不致于引起显著降低，具体表现因原材料物理化学性能不同而各异。

2.4 混凝土碳化深度检测结果分析

如折线图5所示，碳化深度总体上随时间递增，海水混凝土接近线性增长，淡水混凝土7 d测量值较3 d略小，可能是因为不同龄期检测不同的切断面，而碳化深度沿试件侧棱方向并非均匀分布。

图4 各类混凝土立方体抗压强度随龄期变化规律Fig. 4 Cubic compressive strength of concretes varying along with age

图5 各类型混凝土碳化深度时间变化规律Fig. 5 Carbonation depth of concretes varying along with time

海砂的掺加大幅增强了碳化作用，FS组与SS组28 d碳化深度高达14.6 mm、11.7 mm，较FR组与SR组分别高出143.3%、112.7%。推测是贝壳碎屑与欠佳的颗粒级配起了关键作用，它们降低了混凝土密实度，并使骨料与水泥间界面过渡区变得更加薄弱。

海水的作用机理则较为复杂。一方面试件中富含的氯离子会参与水化反应固化到水泥胶体内，使混凝土孔隙结构更加致密，阻碍了二氧化碳从外界的侵入，延缓了碳化进程[11]；另一方面二氧化碳会使混凝土的pH值有所下降，使弗里德尔盐等水化产物逐渐分解，从而将固化的氯离子重新释放到孔溶液中，恢复游离状态[12]。试验中两个因素交互作用或许达到了动态平衡，从而对碳化深度的影响不显著。

Nagata等[13]、蒋真等[14]认为海拌混凝土碳化性能与普通混凝土相近，邢丽等[15]则认为前者抗碳化性能反较后者更强。然而上述研究者所选用的海水、海砂，其产原地及各项性能指标与文中截然不同，因此不可一概而论。经综合分析能基本确定的是，由原材料引入的氯离子对碳化的影响颇为微弱，但与其他因素共同作用的规律还有待继续探索。

3 结 语

通过检测各类海拌混凝土及其原材料的多项性能指标，得到以下主要结论，为评估海水、海砂用于拌制混凝土的可行性提供了参考依据：

1) 选取椭圆率、圆度、坚固性等3项参数，借助数字图像处理技术在宏观与细观层面评价细骨料的形态特征。结果表明海砂颗粒较河砂略为细长，棱角及内凹曲面也略为显著，但由于两者自然形成机制非常相似，这种差距是极其微小的。

2) 天然海水中富含氯盐与硫酸盐，有助于混凝土早期强度的提升，但强度优势随着龄期的增长将不复存在。试验采用的商品海砂则会在某种程度上对混凝土力学性能产生负面影响。总体而言海拌混凝土在强度上相较于普通混凝土的差异并不显著。

3) 试验采用的商品海砂因颗粒级配不良，贝壳碎屑偏多，降低了混凝土的致密程度，从而使混凝土的抗碳化性能大幅下降。天然海水对碳化的影响则不显著，推测是因为氯离子固化与二氧化碳渗入的交互作用达到了某种动态平衡。