未淡化海砂混凝土的力学性能和耐久性能分析

未淡化海砂混凝土的力学性能和耐久性能分析

摘要：对利用未经淡化处理海砂配制的超高性能混凝土（UHPC）的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、抗冻性能、抗氯离子渗透性能和护筋性能进行了系统的试验研究。结果表明：抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度分别大于120MPa、20MPa和12MPa，弹性模量大于40GPa，其抗冻等级超过F500，电通量值不超过50C，力学性能和耐久性指标均满足GB/T313872015《活性粉末混凝土》的要求。此外，本试验显示，经过40次的盐水浸烘循环试验后，未淡化海砂UHPC中的钢筋锈蚀风险较低。

关键词：未淡化海砂;超高性能混凝土;钢纤维;降黏剂;耐久性;

Abstract：Thecompressivestrength,flexuralstrength,splittingtensilestrength,elasticmodulus,frostresistance,chloride-permeationresistanceandprotectionforsteelofultra-highperformanceconcrete(UHPC)madewithuntreatedseasandwerestudied.Theresultsofresearchshowthat:compressivestrength,flexuralstrength,splittingtensilestrengthandelasticmodulusarehigherthan120MPa、20MPa、12MPaand40GParespectively,andthefrostresistancedegreefarexceedesF500andelectricfluxislessthan50C.Accordingtotheaboveresults,themechanicalpropertyanddurabilitycanmeettherequirementsofcurrentnationalstandardGB/T313872015ReactivePowderConcrete.Inaddition,through40timesofsaltwaterimmersiondryingcycletest,thesteelinUHPCmadewithuntreatedseasandshowslowriskofcorrosion.

Keyword：Untreatedseasand;Ultra-highperformanceconcrete;Steelfiber;Viscosityreducer;Durability;

0、前言

我国海砂资源非常丰富，拥有18000km的海岸线，各类砂体面积达34.2万km2，海砂储量1.6万亿t，但由于海砂中较高的氯盐含量会诱发和加速混凝土中的钢筋锈蚀，限制了海砂的应用，台湾地区就曾暴露出海砂混凝土结构钢筋腐蚀的工程案例。超高性能混凝土（Ultra-highPerformanceConcrete,UHPC）是一种高强度、高韧性、高耐久的超高强水泥基材料，国内已开展了针对未淡化海砂配制超高性能混凝土的研究，结果也表明能够利用未淡化海砂配制出强度满足要求的超高性能混凝土。由于超高性能具有较低的水胶比，内部结构较密实，如果利用未淡化海砂配制的超高性能混凝土在一定程度上能够实现隔绝水和氧气，那么就有可能延缓、甚至阻止未淡化海砂超高性能混凝土中的钢筋发生锈蚀，这也为淡水资源紧缺或不具备淡化条件情况下，直接利用未淡化海砂配制UHPC，实现在建设工程中的安全利用开辟了新的途径。本文是在前期利用未淡化海砂超高性能混凝土配制研究的基础上，对未淡化海砂配制的超高性能混凝土力学性能和耐久性能进行了系统的试验研究。

1、原材料与试验方法

1.1、原材料

(1)水泥：冀东P-O52.5R级水泥，28d抗压强度56.0MPa;(2)硅灰：比表面积18000m2/kg以上，SiO2含量90%以上；(3)降黏剂：针对UHPC低水胶比和高胶凝材料用量的特点，使用复合掺合料，降黏剂的具体性能指标见表1;(4)外加剂：减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，减水率30%以上；(5)钢纤维规格及性能参数见表2;(6)海砂采自我国东海海域，未经任何处理，细度模数1.1，属于特细砂，具体性能指标见表3;(7)拌合水：清洁的自来水和氯化钠质量分数为3.5%的模拟海水。

1.2、配合比与试验方法

试验分别成型了传统石英砂UHPC、未淡化海砂UHPC、未淡化海砂与模拟海水共同配制的UHPC、石英砂与模拟海水共同配制的UHPC，并设置了对应的掺钢纤维对比组，具体配合比见表4。

表2钢纤维的基本性能

表1降黏剂的性能指标

表3海砂的基本性能

搅拌：UHPC采用双卧轴强制搅拌机进行搅拌，将称好的原材料按照骨料、钢纤维、水泥、矿物掺合料的先后顺序进行加料，加料完成后先干拌3min，加入水和外加剂后继续搅拌6～10min至拌合物呈现较好的流态性能，未淡化海砂UHPC的出机扩展度不小于550mm。

表4UHPC配合比

注：钢纤维为体积掺量1.5%；所用砂和拌合水未注明的均使用的是未淡化海砂和自来水拌制。

试验方法：图1为UHPC中钢筋的埋置及在氯化钠溶液中浸泡的示意图。力学性能试验、抗冻性能试验和抗氯离子渗透性能试验是待UHPC搅拌完成后按照现行GB/T313872015《活性粉末混凝土》的规定分别成型抗压强度、抗折强度、弹性模量测试试件和相应的耐久性试验试件。试件成型后，先经过48h的标准养护后拆模，之后按照设定的养护制度进行70℃恒温蒸汽养护48h，待降至室温后再进行标准养护约72h，之后从标养室移出开始进行相应的力学性能测试和耐久性试验。钢筋锈蚀试验是将到龄期的埋置有钢筋的UHPC试件进行浸烘试验，具体的浸烘制度为在NaCl质量分数为3.1%的溶液中浸泡48h,60℃烘干24h为一次循环，总时间为72h。浸烘前和每经过5次浸烘循环后测试UHPC中钢筋的半电池电位值，浸烘循环40次后，对混凝土试件进行破型，观察钢筋的锈蚀情况，对钢筋进行除锈并测试钢筋的质量损失。

图1钢筋锈蚀试件的示意图（单位：mm)

2、力学性能研究

2.1、抗压强度

试验测试了不同配比的UHPC抗压强度值，具体试验结果如图2所示。

由图2可知，利用石英砂和未淡化海砂配制的UHPC的立方体抗压强度基本在110～130MPa范围内变化，掺用钢纤维的H-W-S、S-W-S、H-Y-S和S-Y-S组的抗压强度基本相当，与未掺钢纤维组相比，掺用体积掺量1.5%的钢纤维后抗压强度约有10%幅度的提高。试验结果也表明，海砂组UHPC的抗压强度与石英砂组的基本相当，未淡化海砂UHPC的抗压强度可大于120MPa。

图2抗压强度试验结果

2.2、抗折强度与劈裂抗拉强度

图3是不同编号的UHPC试件的抗折强度和劈裂抗拉强度试验结果。由图可知，整体上抗折强度和劈裂抗拉强度试验结果表现出的规律一致。掺入钢纤维后，UHPC的抗折强度值和劈裂抗拉强度值显着提高。掺钢纤维H-W-S和S-W-S组的UHPC对应的抗折强度和劈裂抗拉强度基本相当，而采用海水拌合的UHPC抗折强度与劈裂抗拉强度均有不同程度的降低，这可能是由于海水组的Cl-含量较高会影响胶凝材料水化，从而导致抗折强度和劈裂抗拉强度降低；未淡化海砂配制的UHPC对应的抗折强度和劈裂抗拉强度分别超过了20MPa和12MPa，也满足GB/T313872015中等级RPC120的抗折强度要求。

2.3、弹性模量

图4是不同编号的UHPC的弹性模量试验结果。结果表明，钢纤维属于高弹性模量材料，掺用钢纤维后可提高UHPC的弹性模量；同样掺用钢纤维的UHPC中，由于石英砂与海砂自身的力学性能的不同导致石英砂UHPC的弹性模量高于海砂UHPC；拌合水使用海水和自来水则对UHPC的弹性模量没有明显影响，两者的弹性模量基本相当。

图3抗折强度与劈裂抗拉强度试验结果

3、耐久性能研究

3.1、抗冻性能

由于钢纤维的掺入会影响试件动弹性模量的测试，故重点研究利用未淡化海砂配制的编号H-W和H-Y抗冻性能，编号S-W的UHPC作为对比组同时进行了快速冻融循环试验。试验对于不掺用钢纤维的UHPC组，分别进行了不同编号试件的快速冻融循环试验，并且测试了经过600次冻融循环过程的质量损失率和相对动弹性模量的变化情况，具体试验结果如图5所示。

由图5可知，经过600次冻融循环后，编号H-W、H-Y和S-W的UHPC质量损失均未超过1.5%，而且相对动弹性模量在冻融循环过程中几乎没有任何下降，所测的相对动弹性模量在99.5%～100%范围内波动。海水作为拌合用水的海砂UHPC所表现出的抗冻性能与自来水拌合的海砂UHPC相当，而且利用未淡化海砂配制的UHPC的抗冻性能能够满足GB/T313872015对UHPC抗冻等级≥F500的要求。

图4弹性模量试验结果

混凝土发生冻融破坏主要是由于混凝土中的自由水在低温条件下结冰膨胀，从而在混凝土内部产生内应力对混凝土造成损伤。UHPC水胶比极低，内部足够密实，而且内部自由水含量和渗透性非常低，在冻融循环过程中对混凝土产生的破坏作用有限，因此，海砂UHPC具有较好的抗冻性能。

3.2、抗Cl-渗透性能

抗氯离子渗透性能试验采用电通量法，由于钢纤维是较好的导电介质，故重点研究了编号H-W、H-Y组在不同养护条件下的抗Cl-渗透性能，为了对比研究未淡化海砂UHPC的抗氯离子渗透性能，同时对编号S-W组和强度等级C80的混凝土进行了电通量试验，具体试验结果如图6所示。

结果表明，不论是蒸汽养护还是标准养护条件，编号S-W、H-W和H-Y的UHPC的6h电通量值都非常低，均不超过50C，养护方式对电通量试验结果影响并不明显；而对于C80混凝土来说，蒸汽养护条件下水化更加充分，电通量值较低。从C80高强混凝土与UHPC的电通量试验结果来看，这也说明与高强混凝土C80相比，UHPC的基体结构更加密实，具有更高的抗Cl-渗透性能；而且海砂UHPC的电通量指标也完全满足GB/T313872015中电通量≤100C的规定要求。

图5冻融循环试验结果

3.3、钢筋锈蚀试验

目前，半电池电位法仍是应用最广泛的钢筋锈蚀检测技术,半电池电位的检测原理是，当钢筋发生锈蚀时，钢筋表面的阴极和阳极区域之间存在电位差，通过测量钢筋电极与参比电极之间电位差来判断钢筋的锈蚀情况。本试验结合在浸烘过程中钢筋半电池电位的变化情况，可以对UHPC中的钢筋锈是否发生锈蚀进行定性测定，试验采用的参比电极为饱和的Cu/CuSO4电极。钢筋锈蚀是电化学反应，由于钢纤维是良好的导电介质，有可能在氯离子环境条件下会加速钢筋锈蚀速率，因此，试验重点研究了掺用钢纤维组的超高性能混凝土的电位变化规律，在浸烘过程各编号UHPC中钢筋的半电池单位变化情况如图8所示，判别钢筋是否发生锈蚀参照现行国家标准GB/T338032017《钢筋混凝土阻锈剂耐蚀应用技术规范》和GB503442015《建筑结构检测技术标准执行》，具体指标要求见表5。

表5现行国家关于半电池电位法的判别标准

由图7的试验结果可知，在40次的浸烘循环过程中，不同编号的UHPC的半电池电位值在一定范围内波动，整体上来看4组不同配比编号的UHPC的半电池电位由小到大依次排序为H-Y-S

图6电通量试验结果

图7浸烘循环过程的半电池电位情况

后续项目组又配制的普通强度等级C30和高强度等级C60和C80的混凝土进行更为长时间的浸烘循环试验，以对比研究海砂UHPC对钢筋的保护性能，目前相关的试验仍在进行过程中。

4、结论

(1）利用未淡化海砂配制UHPC的抗压强度可以大于120MPa，抗折强度和劈裂抗拉强度分别大于20MPa和12MPa，弹性模量大于40GPa，完全满足现行国家标准GB/T313872015中等级RPC120的力学性能的要求。

(2）海砂UHPC具有较好的抗冻性能和抗氯离子渗透性能，对应的抗冻等级及电通量指标也分别满足现行国家标准GB/T313872015中抗冻性能≥F500和电通量≤100C的要求。

(3)UHPC对Cl-固化性能与总Cl-含量和养护龄期有关，总Cl-含量越高，Cl-的固化率越低；养护龄期越长，Cl-的固化率越高。

(4）半电池电位和破型验证结果表明，采用未淡化海砂、自来水配制的UHPC在进行40次浸烘循环后，锈蚀风险较低。

参考文献

冷发光,丁威,周永祥,等.海砂混凝土应用技术的若干要点.施工技术,2011,40(4):97-100.

【2】贺烽,韩继先.海砂对混凝土耐久性的影响及其淡化处理.水泥工程,2015,28(4):72-75.

洪乃丰.海砂腐蚀与"海砂屋";危害.工业建筑,2004,34(11):65-67.

赵文成,潭进财,杨景鼎.海砂用于混凝土构造物耐久性研究及使用管理.东南大学学报:自然科学版,2006,36(S2)161-166.

CHEYREZYM,MARETV,FROUINL.MicrostructuralAnalysisofRPC(ReactivePowderConcrete).CementandConcreteComposites,1995,25(7):1491-1500.

CHENY,MATALKAHF,YUY,etal.ExperimentalInvestigationsoftheDimensionalStabilityandDurabilityofUltra-High-Performa