广东汕尾地区淡化海砂性能研究

李建涛 陈 航 耿志华

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

海砂经开采淡化后可应用于混凝土中的骨料成分，混凝土骨料按颗粒的直径可划分为细骨料与粗骨料两种，直径＞4.75mm 一般称为粗骨料，其性质对混凝土的力学指标有较大的影响。直径在0.15mm～4.75mm 一般称为细骨料，其作用主要是填充粗骨料之间的间隙，增加混凝土的密实性能，同时减少粗骨料之间因拌合过程而产生的摩擦，能改善混凝土的和易性和流动能力。

一般开采的海砂直径小于4.75mm，因此在混凝土中主要充当细骨料的成分，俗称砂。而由于混凝土对细骨料的各项指标有明确要求，因此该文基于广东汕尾JH21-09区块开采的海砂进行淡化后进行各项性能试验，从而客观地评价该区域开采出海砂的各项性能指标。其主要包括级配、细度模数、强度以及密度等方面[1]，并与河沙试验结果进行比对。由于试验项目众多，因此该文仅简略描述试验过程以及相关的计算公式，具体试验操作细则可查找相关规范及文献。

1 工程概况

广东省汕尾JH21-09 区块海砂开采矿区位于汕尾市碣石湾施公寮岛东南侧海域，海域面积2.3km2，海域使用方式为海砂开采用海，海砂资源储量4178.1 万m3，可采资源量3531.65 万m3。进行淡化处理后，可应用于非承重结构的混凝土中。

2 海砂性能试验

2.1 颗粒级配与细度模数试验

细度模数表示不同直径砂混合后的平均直径大小，细度模数过大混凝土流动性降低，细度模数过小混凝土容易出现离析和泌水等现象，所以合理细度模数能有效改善混凝土的性能指标。颗粒级配能反应不同直径砂石的混合情况。直径大小不一的砂粒进行搭配能有效填充大直径砂粒间的空隙，因此合理的颗粒级配能使混凝土具有更好的密实度。按相关规范[2]利用筛分法进行淡化后的海砂与河沙的颗粒级配、细度模数试验，并根据结果进行对比。

2.1.1 试验步骤

将砂粒进行烘干后取500g 作为样品，经过不同网口大小的方孔筛网由大到小依次筛分，并称取各筛网上留下的砂粒质量Gi以及筛底的砂粒质量Gd。筛网网口大小及砂粒质量见表1。

表1 筛网网口大小取值及余砂表

样品的在筛网上的余砂量应不超过公式（1）计算得到的质量，若超过则对余砂进行均分，并再次筛分，知道余砂小于公式（1）计算得到的质量，并将对应直径下的余砂进行求和，得到总的余砂量。

式中：Gr为某一筛网上的余砂量，g；d为方孔筛网的边长，mm；A为筛网的面积，mm2。

得到余砂量后，应计算各筛网上的余砂量占样本砂总重的比值百分数ai，其计算如公式（2）所示。

然后计算各对应筛网及比该筛网粗的所有筛网余砂的ai之和Ai，记为累计筛余百分率。并按公式（3）计算砂粒的细度模数Mx。

2.1.2 试验结果

通过公式（2）、公式（3），对淡化海砂及河沙的颗粒级配与细度模数进行试验，试验结果见表2。

表2 筛分试验结果表

由表2 可以看出，汕尾09 区块的海砂经淡化后细度模数略大于河沙，砂种类均属于中砂偏细，两者无明显差别。由规范[3]知淡化海砂的级配在Ⅱ区，可以用于配置C30～C60 强度等级的混凝土，海砂的颗粒级配及细度模数良好，满足制备混凝土的要求。

2.2 密度试验

为在配置混凝土时明确材料的用量以及确定材料的堆放体积时需要确定材料的堆积与表观密度。表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量，俗称容重，而堆积密度是在粉状、粒状或纤维状态下松散堆积的单位体积的质量。表观密度的试验采用容量瓶法，堆积密度的测定采用容量筒法。

2.2.1 试验步骤

表观密度计算按以下步骤进行：1）制备淡化海砂与河沙的饱和面干样品m3，质量为300g。为减少水分的蒸发及颗粒的损失，制作完后迅速放置进容量瓶内，并在瓶中加水至刻度线到500mL 处，并对瓶身水分进行擦拭，记录此时的质量为m2。2）将之前制作的试样置于烘箱中进行干燥，温度设为100℃～110℃，干燥完成并冷却到室温后记录此时干燥后的质量为m0。3）另取相同规格的容量瓶，洗净后加入水至刻度线到500mL 处，并对瓶身水分进行擦拭，记录此时的质量为m1。4）按公式（4）、公式（5）进行淡化海砂和河沙的表观密度ρa和表观相对密度γa。

式中：ρw为水在4℃时的表观密度，g/cm3。

堆积密度计算按以下步骤进行：1）使用浅底容器称取质量为5kg 的试样，将试样放置在烘箱中进行干燥，温度设为100℃～110℃，干燥完成并冷却到室温后分成质量相等的两份试样。2）将温度在15℃～25℃的水在量筒中装满筒容器，并使玻璃板沿铜扣缓慢滑移紧贴水面，使两者间无空隙产生，对瓶身水分进行擦拭后进行称量并用公式（6）计算出量筒容积V。

式中：m0为量筒容器的总质量，g。

2.2.2 试验结果

通过密度试验得到的数据联立式（4）～式（7），淡化海砂及河沙的表观密度与堆积密度试验结果见表3。

表3 密度试验结果

由表3 可以看出，汕尾09 区块的淡化海砂堆积密度略高于河沙，表观密度略低于河沙。造成差异的原因与砂粒的细度模数和级配有关系，但两者均满足规范[4]要求中堆积密度不低于1400kg/m3的要求。

2.3 抗折、抗压强度试验

在现代混凝土结构中，混凝土抗压强度是一项关键性指标。混凝土的抗折强度通常只有抗压强度的1/3～1/4 水平，但其抗折能力对混凝土抗弯能力和抗疲劳能力有较大影响，是部分公路工程，港口海岸工程领域的重要参考指标。

因为该试验的目的是研究砂的抗折、抗压能力，须忽略粗骨料对强度的影响，所以制备水泥砂浆试块进行三点弯曲抗折强度和抗压强度试验。

2.3.1 试验步骤

按规范[5]要求制作水泥砂浆标准试块40mm×40mm×160mm，水泥砂浆配合比按标准配合比进行拌制，见表4。

表4 水泥砂浆配合比

按表4 的配合比制作足量的试件个数，试件的质量误差控制在±1g 以内。

水泥砂浆拌制完成后应进行振捣成型操作。使用润滑油涂抹模具并固定在振动平台上，将拌制好的水泥砂浆分两次装入模具中，第一次放入300g 的水泥砂浆，抹平后进行振动，振动频次控制为60 次。再将剩余的水泥砂浆放入模具内振动60 次，振动完成后用工具将模具顶端的砂浆抹平。

试件成型24h 后进行脱模，并置于19℃～21℃的养护室内进行养护。分别在养护期的7d、28d 时间段对试件的抗折、抗压强度进行试验，为减少误差，取3 次试验值的平均值作为最后试验结果。

三点弯曲抗折试验按规范要求选择试验机，试验机位移速率选择0.5mm/min，采用恒定加载的方式，将试件正确放置并进行试验后可得到对应的荷载-挠度曲线，并按式（8）可换算出对应的抗折强度。

式中：fz为抗折强度，MPa；F为荷载破坏值，N；l为支撑点间距；b为试件宽，mm；h为试件高，mm。

试件的抗压强度测定采用同型号试验机进行试验，试验机最大压力为300kN，最小为0.5kN。进行压力试验后得到荷载-位移曲线，并按试件破坏时的最大压力荷载以公式（9）换算出对应的抗压强度。

式中：fc为抗压强度，MPa；P为荷载破坏值，N；A为受压截面面积，m2。

2.3.2 试验结果

抗折强度为每组3 个试块的试验结果平均值，抗压强度为每组6 个试块的试验结果平均值。通过公式（8）、公式（9）进行换算后，得到的试验结果见表5。

表5 强度试验结果表

由表5 可知淡化海砂在抗折强度与抗压强度指标上均略低于河沙。原因可能是由于淡化海砂在微观层面上的棱角较河沙光滑，造成淡化海砂与水泥砂浆的结合程度降低，但在力学性能上均能满足混凝土的要求。

2.4 淡化海砂性能总结

在该文中对汕尾09 区块的淡化海砂与普通河沙在颗粒级配、细度模数、表观密度、堆积密度、抗折强度和抗压强度方面的指标进行对比，虽然两者有微小的差别，但是均满足混凝土相关规范，汕尾09 区块的淡化海砂能应用于混凝土工程中。

3 海砂混凝土施工注意事项

海砂在建筑施工中具有广阔前景和优势。但需要掌握正确的使用方法和技巧，并关注每个步骤中的要点，充分利用海砂在混凝土中的特性[6]。海砂混凝土是一种常用于海洋工程中的建筑材料。该文将从材料选择、配合比设计、施工前的准备、施工过程和养护等方面详细介绍海砂混凝土施工的注意事项。

3.1 材料选择

水泥应选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥或海水混凝土专用水泥。与传统河岸砂的不同之处在于，海砂在抵达建筑现场时需要进行更彻底的清洗。对制备高强度混凝土来说也是如此。应选用颗粒形态良好、含盐量低的海砂，并进行清洗和筛分处理。骨料应选用符合国家标准的优质骨料，控制其含水率和含泥量。

3.2 配合比设计

当制备混凝土时，正确地掌握加水量非常重要。如果加水过多会使混凝土变得黏稠难以施工；而加水不足会导致混凝土内部气泡太多影响强度。因此，在调整混凝土配合比时，需要结合海砂的性质，确定合适的加水量。

水灰比应根据材料性质和施工要求确定适当的水灰比，一般不大于0.5。海砂含量应根据实际情况确定适当的海砂含量，一般不超过50%。骨料粒径应根据混凝土强度要求和施工方式确定适当的骨料粒径。

加入其他混合材料时，需要考虑它们与海砂之间的相容性。由于其粒径分布范围广泛，在加入混合材料后，海砂对整个混凝土体系的影响较小。但是在加入水泥等胶凝材料时，需要注意材料的粉末含量是否能够满足制备要求。

3.3 施工过程控制

将海砂、水泥、骨料按配合比加入搅拌机中进行混合，控制混合时间和速度。混合好后的海砂混凝土通过输送泵输送到浇注机中，然后通过浇注机进行均匀浇注。在浇注完成后，应立即对其进行振捣压实，确保其密实度和强度。

施工人员应具备一定的专业知识和技能，并经过相关培训和考核，确保其安全和可靠性。在海砂混凝土施工过程中，应注意控制环境温度和混凝土温度，避免出现冻融、开裂等问题。应根据混凝土的性质和施工要求确定合适的施工速度，避免出现浇注不均匀、振捣不到位等问题。在施工过程中应加强安全防护措施，如佩戴安全帽、防护眼镜、手套等，避免发生意外伤害的情况。

混凝土浇注后需要进行养护处理，以保证其强度和耐久性。在养护过程中应注意防止海砂混凝土出现干裂现象，可采用喷水或覆盖湿布等方式进行养护。根据混凝土强度、环境温度和湿度等因素确定适当的养护时间，并进行有效的监测和控制。在养护结束后，应对其进行处理，如打磨、涂刷防水材料等，以提高其耐久性和使用寿命。

4 结论

该文对汕尾09 区块的淡化海砂与普通河沙的物理性能进行了对比试验，与相关规范的要求进行了对比，同时简要说明了海砂混凝土的施工注意事项，结论如下：1）海砂经淡化后细度模数略大于河沙，淡化海砂的级配在Ⅱ区，可以用于配置C30～C60 强度等级的混凝土，海砂的颗粒级配及细度模数良好，满足制备混凝土的要求。2）淡化海砂堆积密度略高于河沙，表观密度略低于河沙，但两者均满足规范要求中堆积密度不小于1400kg/m3的要求。3）淡化海砂在抗折强度与抗压强度指标上均略低于河沙，但在力学性能上均能满足混凝土的要求。