關鍵詞：海砂；高性能混凝土；力學性能；耐久性能
引言
我國海砂資源十分豐富，僅廣東地區附近海砂總儲量就超過12.5億立方米，同時，隨著建筑河砂的短缺，直接導致了部分工地的停工并導致了建筑河砂價格的翻倍增長，建筑河砂的巨大缺口是必須正視的重大資源問題，建筑用砂的開采在相當程度上開始轉向海洋，如何有序開發、研究、利用海砂資源作為建筑骨料已經勢在必行。海砂混凝土的開發研究，不僅有利于消除河砂的過度開采，保證防洪和城市供水的安全，而且有利于海砂混凝土的健康使用，保障人民群眾的生命財產安全；同時，豐富的海砂資源可以得到有序的開發利用，是解決資源枯乏與經濟建設需求之間矛盾的良方，海砂混凝土的開發，有利于平息河砂價格的瘋長，降低建筑工程造價、造福于人民。
海砂的開發和在混凝土的應用事關社會的可持續發展，是國家急需解決的重大技術問題。伴隨著能源、資源的枯竭與短缺，國家已經將海砂資源的開發研究利用列為“十一五”國家科技支撐計劃重點項目。目前，廣東在海砂和海砂混凝土研究利用開發方面，實踐先于理論，沒有公開使用海砂混凝應用于工程的報道，但不公開的不合理使用海砂配制混凝土的情況也許早就存在，這使混凝土建筑結構存在著某種隱患，嚴重威脅著人民的生命財產安全。
海岸帶海砂、近岸淺海海砂以粗粒中砂、粗砂為主，含泥量相對較少、顆粒分布均勻、壓碎指標小，非常適合制備高性能混凝土，配合摻入粉煤灰、礦粉等礦物材料及高效減水劑，使混凝土拌合物具有良好工作性能的同時還能提高混凝土的耐久性。本試驗以珠江口海砂為研究對象，利用其制備海砂高性能混凝土，進行海砂混凝土的研究，并對海砂、天然河砂、高嶺土尾砂高性能混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能進行對比分析，并在此基礎上成功利用海砂制備了C100超髙強混凝土。
1 原材料與試驗方法
1.1 原材料
(1) 水泥：石井牌P.O42.5R級水泥。
(2) 粉煤灰：東莞虎門沙角電廠標準II級灰，45μm篩的篩余為6.40%，需水量比為94%。
(3) 磨細礦渣：S95磨細礦渣粉，廣東韶鋼嘉羊新型材料有限公司，呈堿性。
(4) 河砂：花都區碳步鎮新都砂石廠北江河砂。
(5) 海砂：廣州珠江口海砂。?
(6) 尾砂：茂名高嶺土尾砂。
(7) 石子：增城石場產5?10mm瓜米石和大亞灣石場產5~20mm碎石兩級粗集料配合成5?20mm連續級配骨料。
(8) 高效減水劑：廣州柯杰外加劑科技有限公司生產的KJ-JS型高效減水劑。
1.2 主要原材料化學成分及物理性能
各主要原材料的化學成分用日本島津MFX2300型X-熒光測定，比表面積用電動勃氏透氣比表面積儀測定。水泥、粉煤灰、礦渣、硅灰化學成分及物理性能見表1，尾砂、河砂、海砂物理性能見表2。
1.3 試驗方法及混凝土配合比
(1) 水泥膠砂強度試驗參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行。水泥膠砂試件尺寸為40mmx40mmx160mm，水灰比為0.5，灰砂比為1:3，分別用標準砂、高嶺土尾砂、廣州北江河砂、珠江口海砂進行膠砂試驗，分別測定7、28、56d的抗折強度和抗壓強度，膠砂配合比見表3。
(2) 混凝土性能試驗。新拌混凝土的工作性能按GB/T50080—2002進行，抗壓強度根據GB/T50081—2002要求進行，采用非標準試件100mmx100mmx100mm，結果乘以尺寸換算系數0.95。混凝土成型24h后拆模，然后在養護室標準養護。
(3)混凝土耐久性采用NEL法，將試樣制成φ100x50mm的圓柱體試件，放入養護室標準養護28d，試驗前試塊先在真空下飽鹽，然后安裝到EJU夾具上測試。同時采用ASTM C1202標準試驗方法即電通量法來綜合評價海砂混凝土的氯離子滲透性。
(4)混凝土配合比見表4。
2 試驗結果與討論
2.1 細集料砂對水泥膠砂性能的影響
由表5可知，用海砂替代標準砂制備的水泥膠砂流動度比標準砂和天然河砂小很多，這里由于海砂棱角性較多，表面積大，吸收了更多的水分，導致膠凝材料由于水分的缺少而顯得黏稠，流動性減小，而且由于棱角較多，加大了顆粒之間的摩擦，降低了彼此之間的滑動能力，圓度越大，棱角越少，流動性越好，最終導致海砂膠砂流動性不如標準砂及天然河砂。
海砂制備膠砂的7d抗折強度不高，但發展迅速，后期抗折強度高于標準砂及河砂，這主要由于粗糙的顆粒與水泥漿黏結力較大，提高抗折強度。海砂水泥膠砂56d抗壓強度要略低于標準砂及天然河砂，但其7、28d抗壓強度要高于標準砂，說明海砂對早期強度的提髙有促進作用。雖然海砂棱角性大，對抗折強度貢獻大，但抗壓強度卻沒有明顯的增強，這可能是因為海砂顆粒裂縫多、缺陷多，強度從顆粒處破壞，而不是首先在膠凝材料及界面處產生。
2.2 海砂高性能混凝土工作性能研究
由表6可知，利用海砂制備的C60、C100等級混凝土都表現出較好的工作性能，介于河砂與尾砂之間；海砂C60混凝土的坍落度比天然河砂大10mm，擴展度和倒筒時間與天然河砂混凝土接近；對于C100等級混凝土，海砂混凝土的坍落度和擴展度都較天然河砂差，且這差別比C60等級混凝土大，但其坍落度仍然達到了250mm、擴展度620mm，工作性能良好；尾砂制備的C60、C100等級混凝土工作性能都較天然河砂及海砂差。造成海砂與天然河砂混凝土工作性能區別主要是因為海砂與河砂的顆粒形貌、表面組織不同。海砂表面較為粗糙，棱角多，顆粒表面孔隙多，吸收了更多的水分，混凝土拌合物之間的摩擦加大，混凝土的工作性能有所下降。同時可知，細集料砂的顆粒形貌對混凝土的工作性能影響隨著混凝土強度的提高而有逐漸增強的趨勢，利用海砂制備低等級高性能混凝土時工作性能與天然河砂差別不大，但制備超高強混凝土時工作性能與天然河砂差距有所增加，說明超高強混凝土對骨料的要求更加嚴格
2.3 海砂高性能混凝土力學性能研究
表7的抗壓強度試驗結果表明，C60和C100等級的混凝土各齡期抗壓強度中海砂最高，河砂和尾砂稍小，這與集料的圓度大小順序一致，說明混凝土的抗壓強度隨著集料圓度變小強度有所提高，集料顆粒越粗糙、棱角越多，集料與水泥漿的黏結力就越強，混凝土的界面過渡區越不容易破壞，加上礦物摻合料的引人，粉煤灰、礦渣粉、硅灰等礦物摻合料是制備髙性能混凝土不可缺少的組分，提高了漿體結構的密實度，使水泥石中的孔結構及界面結構得到極大的改善，水泥石和界面的結構強度增加，不僅減少了Ca(OH)2在漿體中的含量，而且也改善了Ca(OH)2的存在形態，最終使得混凝土的強度得以提高。同時，海砂混凝土的早期強度增長迅速，3、7 d抗壓強度增長速率都要高于天然河砂與尾砂混凝土，C60等級天然河砂混凝土3、7 d抗壓強度分別為28 d抗壓強度的62％和81％，而C100等級海砂混凝土3、7 d抗壓強度分別為28 d抗壓強度的68％和85％。
2.4 海砂高性能混凝土耐久性能性能研究
采用電通量法和NEL法分別對表4中各編號混凝土試件進行氯離子滲透性評價，測定及評價結果如表8所示。采用電通量法和NEL法評價高性能海砂混凝土的氯離子滲透性，都達到了“很低”甚至“可忽略”的評價標準，兩種測試方法具有很好的一致性。混凝土的滲透性和離子擴散性都與其孔體積、尺寸及其連通性密切相關。但從具體數據看，C60等級海砂混凝土各齡期Cl-擴散系數都比天然砂大，這可能是因為海砂較大粒徑顆粒比天然河砂有更多的微細連通孔，而水泥或礦物摻合料卻未能填充到而存有的細小孔隙導致混凝土密實性比天然河砂混凝土差。混凝土通過電量和擴散系數卻差別不大，即混凝土的抗氯離子滲透性差別不大，甚至出現相同的評價等級。隨著齡期的增長，混凝土抗氯離子滲透性增長趨勢越來越小，與混凝土強度發展趨勢一致。
由于C100等級海砂超高強混凝土采用很低的水膠比，混凝土中自由水量減少，混凝土的孔隙率降低，加上內摻礦粉和硅灰，填充混凝土中細小的孔隙，使得混凝土的密實程度得到了很大的提高，混凝土的抗氯離子滲透性能明顯得到增強，摻合料在混凝土中發揮了密實填充效應和火山灰效應。超高強混凝土隨著養護齡期的增加，混凝土遷移電量和氯離子擴散系數不斷降低，說明混凝土的抗氯離子滲透能力增強。7?28d齡期下降趨勢明顯，混凝土遷移電量和氯離子擴散系數都較天然河砂及尾砂超高強混凝土低，說明海砂超高強混凝土具有優越的抗氯離子滲透性能。
3 結論
(1) 海砂膠砂的流動性明顯小于標準砂及天然河砂膠砂流動性，海砂膠砂后期抗折強度要略高于標準砂及天然河砂膠砂抗折強度，但抗壓強度卻沒有明顯的增強，這可能是因為海砂顆粒裂縫多、缺陷多，強度從顆粒處破壞，而不是首先在膠凝材料及界面處產生。
(2) 利用海砂制備的C60、C100等級混凝土都表現出較好的工作性能，介于河砂與尾砂之間；海砂C60混凝土的坍落度比天然河砂大10mm，擴展度和倒筒時間與天然河砂混凝土接近。利用海砂制備低等級高性能混凝土時工作性能與天然河砂差別不大，但制備超高強混凝土時工作性能與天然河砂差距有所增加。
(3) C60和C100等級的混凝土各齡期抗壓強度中海砂最高，河砂和尾砂稍小，這與集料的圓度大小順序一致，同時，海砂混凝土的早期強度增長迅速，3、7d抗壓強度增長速率都要高于天然河砂與尾砂混凝土。
(4) 采用電通量法和NEL法評價高性能海砂混凝土的氯離子滲透性，都達到了“很低”甚至“可忽略”的評價標準，兩種測試方法具有很好的一致性；C60等級海砂混凝土各齡期C1-擴散系數都比天然砂大，但C100等級海砂混凝土混凝土遷移電量和氯離子擴散系數都較天然河砂及尾砂超高強混凝土低，說明海砂超高強混凝土具有優越的抗氯離子滲透性能。
(5) 通過上述試驗研究可以初步認為：利用海砂取代普通河砂作為建筑用砂是安全可行的，并且能夠制備性能良好的超高強混凝土。
參考文獻
[1] 王圣潔,陳江,等.中國濱海建筑砂開采的環境地質問題和可持續發展對策[J].海洋地質動態,2000(1)：5-8.
[2] 馮乃謙.普通混凝土、高強混凝土與高性能混凝土[J].建筑技術,2004,35⑴：20-23.
[3] 歐陽東.粉煤灰及其他礦物摻合料對新伴和硬化混凝土性能的影響[J].粉煤灰綜合利用,2003(4)：14—16．
[4] 黃華縣．海砂混凝土耐久性試驗研究[D].廣州：暨南大學,2007．
[5] 姚燕，王玲，田培.高性能混凝土[M].北京:化學工業出版社,2006:83-84．
[6] 馮乃謙，邢鋒．高性能混凝土的氯離子滲透性和導電量[J]．混凝土,2001,145(11):3-7．
[7] OH B H,CHA S W,JANG B S，et al. Development of high-performance concrete having high resistance to chloride penetration[J]．Nuclear Engineering and Design，2002，212(1—3)：221-231．
作者：寧博、歐陽東、溫喜廉
編輯：趙虹旭
