尹瑞杰 張緒濤 劉 波

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

自20 世紀(jì)80 年代以來，世界砂石資源消耗量增長(zhǎng)了3 倍，而對(duì)河砂的需求占很大一部分。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全球混凝土使用量為每年28 億噸，我國(guó)的混凝土消耗量占全球消耗量的48%，大約13 億噸，將近總消耗量的一半，對(duì)河砂的過度開采、盜采帶來嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，積極尋求砂石資源的替代品，大力推廣綠色混凝土對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展有十分重要的意義。目前世界上已有不少成功使用海砂代替河砂的工程案例，在日本某些沿海地區(qū)，建筑用海砂的替代率能達(dá)到90%以上。使用再生骨料代替天然粗骨料的相關(guān)研究已日趨成熟，并且再生混凝土也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 海砂和再生骨料的材料特性

1.1 海砂

天然海砂和河砂的形成機(jī)理基本類似，兩者都是經(jīng)過風(fēng)化搬運(yùn)、流水沖刷形成的，盧予奇、趙羽習(xí)[1]經(jīng)過對(duì)海砂和河砂的圖像采集、統(tǒng)計(jì)分析得出，河砂的形狀比海砂略微圓滑一些，棱角更少，除此之外二者的橢圓率、圓率、堅(jiān)固率基本沒有區(qū)別。但海砂中含有一定量的貝殼等雜質(zhì)，且富含氯鹽。海砂中的貝殼碎屑較光滑，成針片狀，與水泥的粘結(jié)性較差，降低混凝土的和易性，還可能造成混凝土泌水。過高的氯鹽含量會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響，并加快鋼筋的電化學(xué)腐蝕過程，過高的氯離子濃度會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，并且在破壞界面處形成原電池，銹蝕發(fā)生在鋼筋表面極為局部的范圍內(nèi)并向內(nèi)部擴(kuò)展，鐵銹的體積不斷膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，破壞鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)[2]，造成嚴(yán)重的安全隱患。這是海砂推廣使用中最大的問題。

1.2 再生骨料

再生混凝土是指將已經(jīng)淘汰的混凝土重新打碎，形成顆粒，然后代替天然骨料（砂子、石子等），可以全部代替使用，也可以按一定比例替換。再加入水泥、水等經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笮纬尚碌幕炷?。再生混凝土的?qiáng)度及性能受再生骨料的直接影響。經(jīng)破碎、篩分、分級(jí)后的再生骨料強(qiáng)度比天然骨料低，并且自身存在缺陷，例如吸水率高、空隙率大、耐久性差，大大限制了再生混凝土的應(yīng)用。

2 海砂再生混凝土的可行性

海砂能否能替代河砂用于實(shí)際工程中，需要控制氯離子含量不超過某一限制。目前國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)混凝土中氯離子含量作出了限定?！痘炷临|(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50164-2011）、《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ 206-2010）中規(guī)定：在素混凝土和鋼筋混凝土中，氯離子含量最大值分別為1%和0.3%。除海砂外，其他材料如水、水泥、外加劑等也含有一定的氯離子，但其含量較小，影響不大，故使用海砂的前提是采取措施降低海砂中的氯鹽含量。

當(dāng)前對(duì)海砂的處理主要有以下幾種方法：1.自然晾曬法：直接將海砂堆置在室外，利用雨水的沖刷帶走鹽分，經(jīng)取樣檢測(cè)氯離子含量達(dá)標(biāo)后方可使用。這種方法通常要持續(xù)數(shù)月甚至幾年的時(shí)間，受天氣影響較大，有很大的不確定性，應(yīng)用較少。2.淡水淡化法：是目前使用最多的方法，使用淡水不斷沖洗海砂，降低其氯鹽含量，但會(huì)消耗大量淡水資源。沒淡化1 立方米的海砂至少需要消耗淡水0.8 噸。3.摻加阻銹劑：在混凝土攪拌過程中摻加一種阻銹劑。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)阻銹劑的研發(fā)取得了很大的進(jìn)展，如美國(guó)研制的遷移型阻銹劑MCI(migrating corrosion inhibitor)、我國(guó)的中冶集團(tuán)建筑研究總院研制的YJ-504 阻銹劑等。該方法簡(jiǎn)單易操作，能有效阻止鋼筋銹蝕，應(yīng)作為優(yōu)先考慮使用的方法。其他還有將海砂與河砂混摻的方法，其實(shí)本質(zhì)上都是為了降低氯離子含量。

關(guān)于再生混凝土國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了很多研究，再生骨料吸水率高，在使用之前需要預(yù)先浸水處理，同時(shí)洗去再生骨料表面附著的粉塵，肖倍、安旭文等[3]試驗(yàn)研究得出混凝土抗壓強(qiáng)度隨著取代率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，80%的取代率會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值；劈裂抗拉強(qiáng)度隨著取代率的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)；抗折強(qiáng)度先減小后小幅度增加，最佳取代率為25%。王晨霞、劉露等[4]研究了凍融循環(huán)對(duì)再生混凝土的影響，再生混凝土和普通混凝土在凍融循環(huán)低于50 次的情況下，抗凍性能相差不大，但在凍融循環(huán)大于50 次以后，再生混凝土的抗凍性能低于普通混凝土，此外，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗凍性能的影響較大。王慶賀、王玉銀等[5]研究了不同配制方法對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響，使用直接加水法配制混凝土?xí)斐苫炷翉?qiáng)度降低，而采用飽和面干法和兩階段拌合法對(duì)再生混凝土的影響相似，但兩階段拌合法實(shí)際操作起來更加便捷，成為推薦使用的方法。綜上所述，雖然再生骨料和天然骨料存在差異，但如果配合比、替代率設(shè)計(jì)合理，使用再生混凝土代替普通混凝土是可行的。

3 海砂再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)

目前對(duì)海砂再生混凝土的研究較少，黃一杰、張宜健等[6]通過中心拉拔試驗(yàn)研究了海砂再生混凝土與環(huán)氧涂層鋼筋之間的粘結(jié)性能，研究表明：海砂再生混凝土與環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度略低于普通混凝土，大約低15%，粘結(jié)強(qiáng)度與保護(hù)層厚度成正相關(guān)。與鋼筋伸入混凝土長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)。

經(jīng)研究，目前普遍認(rèn)為隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，海砂再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度會(huì)逐漸增加，并且早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，增速隨時(shí)間逐漸放緩，后期甚至?xí)晕⒔档?。齡期對(duì)混凝土試件的破壞形態(tài)也有影響，通過對(duì)海砂再生混凝土短柱受壓破壞形態(tài)進(jìn)行分析得出，由于海砂再生混凝土混凝土的早強(qiáng)較快，其28 天齡期的破壞形態(tài)要明顯好于普通混凝土，當(dāng)齡期為90、180 天時(shí)，海砂再生混凝土的迅速開裂，裂縫發(fā)展速度快于普通混凝土；再生骨料取代率對(duì)破壞形態(tài)的影響也十分顯著，再生骨料取代率越大，試件的裂縫寬度也更大，試件破壞時(shí)的破碎程度也更高。

肖建莊、張鵬等[7]，對(duì)海砂再生混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果說明海砂再生混凝土與普通混凝土相比，抗壓強(qiáng)度基本相同但彈性模量略有降低，降低幅度約6%-10%；坍落度增大且隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化較大，再生骨料對(duì)海砂再生混凝土性能的影響大于海砂；劈裂抗拉強(qiáng)度比同等級(jí)的普通混凝土略低，約降低3%-17%。海砂的取代率對(duì)混凝土的強(qiáng)度也有一定的影響，當(dāng)海砂的取代率增加時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)取代率為75%時(shí)達(dá)到峰值，海砂的摻加對(duì)混凝土的力學(xué)性能無(wú)負(fù)面影響，甚至還能略微提高混凝土的抗折強(qiáng)度。

黃一杰、何緒家等[7]考慮了再生骨料取代率和氯離子含量的影響，再生骨料的取代率會(huì)對(duì)海砂再生混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響，但會(huì)增加劈裂抗拉強(qiáng)度，會(huì)降低混凝土的抗剪強(qiáng)度、彈性模量、抗壓強(qiáng)度，而海砂則反而會(huì)提高工作性能，在二者取代率的組合作用下與普通混凝土相差不大。此外水灰比和摻有少量雜質(zhì)時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響也很小，可以通過摻加礦物摻合料如粉煤灰、偏高嶺土、硅灰、高爐礦渣等來提高混凝土的強(qiáng)度。

4 耐久性

邢麗、薛瑞豐等[8]通過進(jìn)行試驗(yàn)研究了海洋環(huán)境下混凝土的抗?jié)B性和抗碳化性能，試驗(yàn)結(jié)果表明摻加了海砂的混凝土抗?jié)B性能要優(yōu)于普通混凝土，推測(cè)原因可能是因?yàn)楹Ｉ爸械柠}分固化后填充了內(nèi)部孔隙，阻止了水分的內(nèi)滲；在碳化早期海砂混凝土的碳化程度要高于普通混凝土，但隨著碳化時(shí)間增長(zhǎng)，海砂混凝土的碳化速率逐漸變慢，在標(biāo)準(zhǔn)條件下碳化28 天后，摻加海砂的混凝土碳化程度要低于普通混凝土。關(guān)于海拌混凝土的碳化性能存在分歧，盧予奇、趙羽習(xí)等[3]通過碳化試驗(yàn)得出結(jié)果表明：海砂的摻加大大加強(qiáng)了碳化作用，與邢麗、薛瑞豐等得出的結(jié)論截然不同，因此關(guān)于摻加海砂對(duì)混凝土碳化性能的影響需要更深入的研究。

黃華縣[9]為模擬鋼筋在海砂環(huán)境中的腐蝕，進(jìn)行了鋼筋的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，當(dāng)鋼筋處在PH 值為12.5-13.5 的環(huán)境中時(shí)，PH 值的變化對(duì)腐蝕速度的影響不明顯，并且氯離子濃度的變化對(duì)腐蝕速度的影響也不大；當(dāng)PH 值低于12.5 時(shí)，PH 值越低，PH 值的變化速率和氯離子濃度對(duì)鋼筋的腐蝕越大。

再生骨料取代率的變化也會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生影響，當(dāng)取代率增加時(shí)，混凝土的徐變、收縮變形、抗氯離子滲透性、均會(huì)增加，而混凝土的抗凍性、抗碳化能力則會(huì)降低，并且更容易出現(xiàn)裂縫。而在混凝土中摻加10%-20%的粉煤灰會(huì)增強(qiáng)混凝土的抗氯離子滲透性能。此外再生骨料的品質(zhì)對(duì)混凝土的性能也有較大影響，再生骨料的品質(zhì)越好制成的混凝土性能越好。

海砂對(duì)混凝土的耐久性的影響至關(guān)重要，直接關(guān)系到海砂能否替代河砂用于混凝土中，但海砂再生混凝土耐久性的試驗(yàn)研究較少，其耐久性能有待進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)

綜上所述，海砂再生混凝土的各項(xiàng)性能都與普通混凝土相似，所以在控制混凝土拌合物中氯離子含量的前提下，使用海砂再生混凝土是沒有問題的，另外還可以研究怎樣對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，根據(jù)現(xiàn)有的對(duì)混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的方法例如摻加聚丙烯纖維、鋼纖維等纖維制品，粉煤灰、高爐礦渣、硅灰等礦物摻合料，將其推廣到海砂再生混凝土中。此外目前的研究大多停留在海砂再生混凝土的短期性能上，缺乏對(duì)長(zhǎng)期使用條件下海砂再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、抗?jié)B性、抗碳化性能、抗凍性的研究；對(duì)高氯離子、硫酸根離子環(huán)境下鋼筋銹蝕的影響，另外研究界面過渡區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)以提高各種性能，也可以成為研究的重點(diǎn)，海砂再生混凝土的研究前景十分廣闊。