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海水海砂混凝土力学性能研究

【摘要】大规模岛礁建设需要大量的砂石和水资源,开发和利用海水海砂制备混凝土至关重要。本文综述了海水海砂混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度、受压应力-应变关系、以及延性与耗能特性等力学性能,对比分析了海水海砂混凝土与河水河砂混凝土在力学性能方面的差异,为海水海砂混凝土的工程应用提供帮助。

【关键词】海水海砂混凝土;河水河砂混凝土;力学性能

引言

在经济与科技飞速发展的今天,人们对于建筑的需求量越来越大,要求也越来越高,地球上的各类资源消耗也在逐渐增加。传统混凝土耗材严重,已经难以满足如今的工程需求,因此发展新型混凝土材料意义重大。随着海洋资源的开发利用,蓬勃兴起的岛礁建设需要消耗大量的砂石,但在岛屿、礁滩上缺乏进行建设的淡水和骨料。与河砂相比,海砂含泥量较低、级配良好,可取代河砂作为混凝土细骨料[1]。我国拥有1.8万公里的海岸线,有着丰富的海砂资源。据不完全统计,我国现已探明近海建筑砂矿床27处,资源储量大且主要分布在水深10m以内,岸距小于10km的近岸海域,开采条件良好[2]。海砂的开采和应用在较大程度上能够减缓建筑用砂紧缺的问题,并且配合海水拌合混凝土也可以节约宝贵的淡水资源。然而海水海砂中存在大量氯盐等有害物质,会影响混凝土力学性能,进而影响结构安全性,导致这类资源的开发利用尚处于发展初期。为了推广海水海砂混凝土的安全使用,文本综述了海水海砂混凝土力学性能的研究成果,探讨海水海砂混凝土工程应用的可行性,希望为海水海砂混凝土的推广应用提供支持。

1抗压强度

混凝土的抗压强度决定了混凝土的强度等级,对于混凝土在工程中的应用至关重要。因此,在用海水海砂混凝土代替河水河砂混凝土使用时,抗压强度的变化是必须要考虑的因素,国内外的许多学者针对海水海砂混凝土的抗压强度做了大量的研究。研究表明[3-5]海水和海砂可以加快水泥水化,从而提高混凝土的早期抗压强度。这是由于海水、海砂中的氯离子与水泥水解后的Ca(OH)2反应生成CaCl2,加速水泥的早期水化[4];另外相对于淡水,C-S-H凝胶在海水的水泥浆中结构更加致密,这也有利于海水拌和的混凝土早期抗压强度的提高[6]。而实邢丽等[7]研究认为海水、海砂中的盐结晶和贝壳可能会抑制水泥的水化,并发现海水海砂混凝土的早期抗压强度相对于普通素混凝土降低约20%。秦斌[8]则研究认为海水和海砂中的盐分以及海砂的砂质对混凝土的抗压强度影响不大,在相同配合比下海水海砂混凝土和普通混凝土抗压强度高度接近。另外鲁于等[9]研究了水泥品种和掺合料对海水海砂珊瑚混凝土力学性能的影响,发现相对于掺入粉煤灰、粒化高炉矿渣和聚丙烯纤维,用普通硅酸盐水泥和添加了高掺量钢纤维所制备的海水海砂珊瑚混凝土强度明显提高,提高幅度约为10%~20%。在合理的配合比下,海水海砂混凝土具有优越的抗压性能,在不考虑钢筋腐蚀的情况下可以替代河水河砂混凝土在建筑中的使用。

2抗拉强度

关于海水海砂混凝土的抗拉强度,一些研究表明海水海砂对混凝土抗拉强度有负面影响[10-12],而也有研究表明海水海砂有助于提升混凝土的抗拉强度[13-14]。秦斌[8]研究发现海水海砂混凝土劈拉强度仅比同等级普通混凝土提高约2.3%,并且随着混凝土强度等级的提高,海水海砂混凝土劈拉强度提升幅度减小。而苏红艳等[15]研究发现海水海砂混凝土的劈裂抗拉强度略低于普通混凝土,与同等级混凝土相比降低幅度为4%~12%,并且掺入钢纤维可以提高其劈裂抗拉强度。结果上的差异可能由于各地区海水和海砂品质的不同,但偏差不大。

3抗折强度

针对海水海砂混凝土的抗折强度,许多学者研究表明其抗折强度低于常规混凝土[12,16,17],或与常规混凝土相近[18-19]。李田雨[4]等研究发现海水海砂混凝土的抗折强度与温度有关,在同等养护条件下,海水海砂混凝土28d抗折强度比普通混凝土低25.4%,而通过热水养护海水海砂混凝土28d抗折强度提高23.1%,提高养护温度可以有改善海水海砂混凝土抗折强度降低的问题。掺入纤维也可以提升抗折强度,Vafaei等[20]研究发现相对于普通混凝土,掺入0.3%PVA纤维的海水海砂混凝土抗折强度提升了12%,但纤维掺量较高(即纤维体积分数为0.5%)的海水海砂混凝土,其抗折强度有所降低,这可能由于纤维的不均匀分散造成。改善养护条件和掺入纤维都有助于提高海水海砂混凝土抗折强度,但在实际施工中掺入纤维更加便捷有效。

4单轴受压应力-应变关系

海水海砂混凝土的单轴受压应力-应变关系能够为混凝土结构的承载力和变形提供参考。陈宗平等[21]通过海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验探究了海砂取代率对其影响,总体上海砂混凝土应力-应变曲线与普通混凝土类似,而特征参数不同。同一取代率下,海水海砂混凝土峰值应力高于淡水海砂混凝土峰值应力约11%~26%,峰值应变增加约6%~11%。周登飞[22]研究后也得出相似结论,但在峰值应力上意见相左,研究得出海水海砂混凝土的峰值应变低于普通混凝土,并认为海水、海砂在水化反应中生成的盐会填充水泥浆的孔隙,降低混凝土的可变形性。Teng等[23]人研究了海砂种类、拌合及养护用水的类型对超高性能海水海砂混凝土的应力-应变曲线的影响,研究表明海水、海砂的使用会降低混凝土的弹性模量,而轴向和环向峰值应变有所提高。

5延性与耗能

有研究认为受海水、海砂和珊瑚粗骨料因素[24-26]的影响,混凝土脆性较大,延性与耗能能力较普通混凝土有明显降低[27-29]。而陈宗平等[21]研究认为淡水海砂混凝土的耗能性能仅略大于海水海砂混凝土,不同海砂取代率下,海水海砂混凝土的耗能均值相对于淡水海砂混凝土在0.939~1.016之间波动。鲁于等[9]在对改性海水海砂珊瑚混凝土进行研究时,发现不同因素条件对海水海砂珊瑚混凝土的耗能延性大不相同。水泥类型会影响试件的延性,相对于普通硅酸盐水泥,采用低碱度硫铝酸盐水泥的海水海砂珊瑚混凝土延性提高了9%;选用粉煤灰和高炉矿渣等矿物掺合料取代水泥时,会降低海水海砂珊瑚混凝土的延性;而掺入适量的不锈钢纤维和聚丙烯纤都有助于提高海水海砂混凝土延性,其中高掺量的不锈钢纤维混凝土的延性提高了26.5%。乱向分布的纤维阻碍了混凝土中微裂纹开展,改善了材料的界面过渡区,阻滞了宏观裂缝的产生,进而提高混凝土力学性能。因而在考虑提高海水海砂混凝土延性时,可选用单掺或复掺纤维的方式,而对于矿物掺合料的应用上,应严格控制其应用领域。

6总结与展望

根据对上述文献的研究分析,可以得出以下结论:⑴与河水河砂混凝土相比,海水海砂中的盐类与砂质等成分对海水海砂混凝土的抗压强度有一定的影响。在合理的配合比下,海水海砂混凝土具有优越的抗压性能,可代替普通混凝土。⑵海水海砂成分差异会对混凝土抗拉强度产生积极或者消极的影响,但影响程度不大。⑶海水海砂混凝土抗折强度低于或接近普通混凝土,可以通过改善养护条件以及掺加纤维来提高。⑷海砂混凝土应力-应变曲线与普通混凝土类似,而特征参数不同,这可能是由于海水、海砂中氯盐作用的结果。⑸海水海砂混凝土延性低于河水河砂混凝土,在实际工程中使用可掺加纤维及矿物掺和料来增加其延性。目前,对海水海砂混凝土的研究还是偏少,特别是对其动态力学性能以及复杂条件下的力学性能分析。未来,应加大其各方面的研究,从而推广海水海砂混凝土的使用,缓解如今内陆河水河砂资源不足等问题。

作者:蔡哲栋 汪靖宇 李静 王建苗 陆俊 单位:绍兴文理学院土木工程学院

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