海水海砂再生混凝土的基本力學(xué)性能

肖建莊，張　鵬，張青天，沈　軍，李　巖，周　穎(. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上?！?009； . 同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海　0804)

0　引　言

2016年世界范圍內(nèi)混凝土的產(chǎn)量達(dá)到250億t[1]，如此巨大的消耗量必然會(huì)導(dǎo)致淡水、河砂以及天然粗骨料資源短缺的問(wèn)題。國(guó)外早已開(kāi)始利用海水、海砂資源解決建筑資源短缺問(wèn)題，英國(guó)最早開(kāi)始將海砂作為建筑用砂[1]，2011年海砂已占日本生產(chǎn)預(yù)拌混凝土使用的7 000余萬(wàn)t細(xì)骨料的12.2%(854萬(wàn)t)。海水、海砂中含有較多氯鹽，會(huì)影響水泥的水化過(guò)程，且腐蝕鋼筋，另外海砂中還有較多貝殼，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、工作性能和耐久性等都有影響[2-6]。對(duì)于單獨(dú)使用海水或海砂作為原材料，大部分學(xué)者認(rèn)為海水或海砂混凝土的早期強(qiáng)度有所增長(zhǎng)[6]，28 d強(qiáng)度相差不大，Girish等[7]發(fā)現(xiàn)海砂混凝土的28 d強(qiáng)度較普通混凝土低。此外，Cagatay[8]對(duì)土耳其1998年和1999年地震毀壞建筑取樣分析發(fā)現(xiàn)，海砂混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土。海砂混凝土的彈性模量與普通混凝土相似[6,9]，其抗折強(qiáng)度略?xún)?yōu)于普通混凝土[6]。另一方面，海水海砂混凝土耐久性能較普通混凝土低[10-12]。

2015年中國(guó)建筑廢物產(chǎn)生量超過(guò)35億t，而綜合利用率卻低于5%。將建筑廢物破碎加工成再生粗骨料并運(yùn)用到混凝土生產(chǎn)中，被視為解決建筑廢物處理難題的重要途徑[13]。再生粗骨料具有孔隙率較大、吸水率較高、表面殘留水泥砂漿等特點(diǎn)[13]，再生混凝土在力學(xué)性能、耐久性能等方面與普通混凝土不同[13-17]，研究表明：再生混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到一般的標(biāo)準(zhǔn)；再生混凝土早期和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度均比普通混凝土慢；當(dāng)再生粗骨料替代率增大時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；水膠比和替代率對(duì)再生混凝土抗拉強(qiáng)度影響很大。

同時(shí)使用海水、海砂以及再生粗骨料制備混凝土，既能解決目前資源短缺問(wèn)題，又能消納建筑廢物，是實(shí)現(xiàn)混凝土可持續(xù)性的一種途徑。Etxeberria等[18]將海水與高爐礦渣水泥以及再生粗骨料組合使用，研究表明：海水提高了混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但海水再生混凝土的28 d強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)。同時(shí)海水再生混凝土的凝結(jié)時(shí)間有所縮短，其干縮也有所減小。Selicato等[19]使用海水以及被氯離子污染的再生粗骨料澆筑混凝土，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響大于海水。目前將再生粗骨料同海水、海砂組合制備混凝土的研究尚少，其力學(xué)性能影響機(jī)理仍有不明之處。

基于沿海地區(qū)及海島建設(shè)的工程背景，以及就地取材的需求，直接采用原狀海砂和海水，對(duì)沿海地區(qū)以及海島工程建設(shè)有極大的意義。本文利用海水、原狀海砂以及再生粗骨料制備了不同類(lèi)型的C20～C50混凝土，研究海水海砂再生混凝土的工作性能、立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量等基本力學(xué)性能，探討海水、海砂和再生粗骨料綜合運(yùn)用的可行性。

1　試驗(yàn)方案

1.1　材料性能

細(xì)骨料中天然河砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5；原狀海砂選用福建海砂，細(xì)度模數(shù)為2.24，氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0.087%，貝殼含量為2.31%。粗骨料中，天然粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑為5～25 mm；再生粗骨料按《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)評(píng)定為Ⅱ類(lèi)再生粗骨料，粒徑范圍為5～20 mm，吸水率為4.8%，壓碎指標(biāo)為18%。采用聚羧酸系高效減水劑，減水率為15%；采用等級(jí)為32.5，42.5，52.5R的普通硅酸鹽水泥；拌合水中淡水采用上海市自來(lái)水，海水根據(jù)ASTM D1141-98標(biāo)準(zhǔn)配制而成。

1.2　混凝土配制

混凝土的配合比見(jiàn)表1。4種類(lèi)型混凝土中普通混凝土(NAC)采用淡水、河砂、天然粗骨料，再生混凝土(RAC)采用淡水、河砂、再生粗骨料，海水海砂混凝土(SNAC)采用海水、原狀海砂、天然粗骨料，海水海砂再生混凝土(SRAC)采用海水、原狀海砂、再生粗骨料，再生粗骨料和海水、海砂替代率均為100%。共澆筑240個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體和96個(gè)150 mm×150 mm×300 mm棱柱體試件。由于再生粗骨料的吸水率較高,再生混凝土和海水海砂再生混凝土相應(yīng)增加附加水對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，普通混凝土和海水海砂混凝土則無(wú)需附加水。

表1　混凝土配合比Tab.1　Mix Proportions of Concretes

1.3　試塊制作和試驗(yàn)方法

試塊的制作均采用機(jī)械攪拌，對(duì)新拌混凝土按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)的測(cè)試方法進(jìn)行混凝土坍落度試驗(yàn)。24 h拆模后，將試塊放入蒸汽養(yǎng)護(hù)室，在規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2016)分別進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)、軸心抗壓試驗(yàn)、彈性模量試驗(yàn)(圖1)。

圖1　混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)Fig.1　Basic Mechanical Property Tests of Concrete

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　工作性能

所有海水海砂再生新拌混凝土均能正常澆筑和成型，且具有良好的黏聚性。各混凝土的坍落度如圖2所示。由圖2(a)可知，C40和C50海水海砂再生混凝土能達(dá)到坍落度(220±20) mm的范圍，利用海水、海砂和再生粗骨料能配制滿足坍落度設(shè)計(jì)要求且工作性能良好的混凝土。

圖2　各混凝土坍落度比較Fig.2　Comparisons of Slumps of Concretes

由圖2(b)可知：再生混凝土的的坍落度比普通混凝土降低15%～25%，這是由于再生粗骨料的表面經(jīng)常附著硬化砂漿等碎屑顆粒，往往不及天然粗骨料表面光滑，從而導(dǎo)致流動(dòng)性下降；海水海砂再生混凝土的坍落度比普通混凝土降低10%左右，C40和C50強(qiáng)度等級(jí)的坍落度比再生混凝土分別提高5%和33%，海砂中含有一定的貝殼，而片狀的貝殼會(huì)在一定程度上降低混凝土的流動(dòng)性，另一方面，海砂顆粒的表面比天然河砂圓滑，且粒徑較小，導(dǎo)致包裹海砂的水泥漿體有較多殘留，可提高混凝土的流動(dòng)性，因此，海水海砂再生混凝土的流動(dòng)性受海砂性能和再生粗骨料性能共同控制，本文試驗(yàn)中的海水海砂混凝土流動(dòng)性與普通混凝土相近，C40和C50優(yōu)于普通混凝土，可見(jiàn)海水、海砂對(duì)混凝土流動(dòng)性有利；此外，摻入海水、海砂能夠降低再生粗骨料對(duì)混凝土流動(dòng)性的不利影響，對(duì)混凝土工作性能起到提升作用，再生粗骨料對(duì)于海水海砂再生混凝土工作性能的影響程度大于海水、海砂。

2.2　立方體抗壓強(qiáng)度

海水海砂再生混凝土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)為正倒相連的四角錐，與普通混凝土類(lèi)似，壓力機(jī)的墊板通過(guò)接觸面上的摩擦力來(lái)約束混凝土試塊上下面的橫向變形，形成“套箍作用”，導(dǎo)致試塊中部先出現(xiàn)裂縫且裂縫向內(nèi)發(fā)展較多。

圖3　混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Fig.3　Cube Compressive Strength of Concrete

圖3中再生混凝土比普通混凝土強(qiáng)度普遍降低10%～25%，這是由于再生粗骨料孔隙率較大，表面殘留水泥砂漿且來(lái)源復(fù)雜，從而降低了混凝土抗壓強(qiáng)度。海水、海砂與再生粗骨料的組合使用能夠降低再生粗骨料強(qiáng)度不足的不利影響，海水海砂再生混凝土的強(qiáng)度普遍比再生混凝土提升10%～20%。海水、海砂中的鹽類(lèi)物質(zhì)能有效改善再生粗骨料內(nèi)部尤其是界面過(guò)渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)加強(qiáng)再生粗骨料密實(shí)度來(lái)達(dá)到強(qiáng)化效果，所以海水、海砂中鹽類(lèi)物質(zhì)對(duì)于再生粗骨料起到了改良性能的作用。

圖4為混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線，海水海砂再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展規(guī)律與其他種類(lèi)混凝土基本相同，其抗壓強(qiáng)度發(fā)展較慢，但高于海水海砂混凝土。這是由于再生粗骨料在拌合過(guò)程中吸收的多余水分會(huì)隨著水泥水化的進(jìn)行釋放出來(lái)，使得混凝土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持濕度，形成“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用，從而能促進(jìn)混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。再生粗骨料與海水、海砂的組合使用能提高海水海砂再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展速度。

圖4　混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線Fig.4　Variation Curves of Cube Compressive Strength of Concrete with Age

2.3　軸心抗壓強(qiáng)度

圖5　混凝土軸心抗壓強(qiáng)度Fig.5　Axial Compressive Strength of Concrete

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)及ACI 318-02規(guī)范中，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的比值為常數(shù)，見(jiàn)表2。由表2可知，普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值為0.73～0.78，與規(guī)范GB 50010—2010中計(jì)算值的相對(duì)誤差最大為5.4%，基本符合規(guī)范GB 50010—2010的規(guī)律。海水海砂再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值為0.62～0.89，與規(guī)范GB 50010—2010中計(jì)算值相比偏差較大，相對(duì)誤差范圍為-18%～20%。對(duì)海水海砂再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值使用線性關(guān)系進(jìn)行擬合(圖6)，擬合度較高。因此，海水海砂再生混凝土有如下關(guān)系

fc=0.788 6fcu

(1)

圖6　SRAC的fc, fcu關(guān)系Fig.6　Relationship Between fc and fcu of SRAC

2.4　劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂試驗(yàn)中試塊均為脆性破壞，且破裂線居中；觀察試塊破壞面，粗骨料破壞以及沿粗骨料砂漿界面破壞均有發(fā)生。圖7為混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

表2　混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系Tab.2　Relationship Between Axial and Cube Compressive Strength of Concrete

圖7　混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.7　Splitting Tensile Strength of Concrete

2.5　彈性模量

圖8　混凝土彈性模量Fig.8　Elastic Modulus of Concrete

混凝土的彈性模量見(jiàn)圖8。由圖8可知，不同強(qiáng)度等級(jí)海水海砂再生混凝土的靜力彈性模量介于28.0～37.7 GPa之間，且隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，靜力彈性模量隨之提高，但并未隨強(qiáng)度提高而同比例增長(zhǎng)。海水海砂再生混凝土靜力彈性模量比普通混凝土降低2%～14%，與再生混凝土相比提高8%～16%。一方面，由于再生粗骨料表面附著水泥砂漿以及內(nèi)部存在微裂縫，使用再生粗骨料會(huì)降低混凝土彈性模量，但海砂粒度較細(xì)且含有少量貝殼，貝殼的主要成分為CaCO3，使海砂具有較高的密度，其摻入能降低再生粗骨料對(duì)彈性模量的不利影響。另一方面，海水、海砂中的鹽類(lèi)物質(zhì)對(duì)再生粗骨料起到改良性能的作用，能減少再生粗骨料內(nèi)部微裂縫的數(shù)量，提高界面過(guò)渡區(qū)的性能，從而提高混凝土的彈性模量。

對(duì)于普通混凝土的彈性模量Ec，在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)和ACI 318-02中分別用式(2)，(3)由立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算，肖建莊[13]提出用式(4)來(lái)描述再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的換算關(guān)系。

(2)

(3)

(4)

由于并未測(cè)量同等條件下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，而測(cè)定了同等條件下的軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量，所以結(jié)合式(1)將式(2)～(4)中立方體抗壓強(qiáng)度換算成軸心抗壓強(qiáng)度，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證海水海砂再生混凝土彈性模量Ec與軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c之間的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)公式(2)～(4)的關(guān)系模型偏于保守，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較差。

圖9　Ec與fc關(guān)系Fig.9　Relationship Between Ec and fc

對(duì)于海水海砂混凝土的彈性模量與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系，結(jié)合式(1)，基于GB 50010—2010和肖建莊[13]建議的公式，提出修正參數(shù)a和b，表示為式(5)；基于ACI 318-02的公式，提出修正參數(shù)c和d，表示為式(6)。

(5)

(6)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖10所示，其中a=2.1，b=24.0，c=13 358.2，d=0.27，因此，修正后的彈性模量與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系可分別表示為式(7)，(8)，此時(shí)式(7)，(8)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較好，判定系數(shù)R2均大于0.9。

(7)

(8)

圖10　SRAC的fc與Ec關(guān)系Fig.10　Relationship Between Ec and fc of SRAC

3　結(jié)語(yǔ)

(1)利用海水、原狀海砂和再生粗骨料能配制坍落度達(dá)到(220±20) mm范圍且工作性能良好的混凝土，C40和C50海水海砂再生混凝土坍落度比一般再生混凝土分別提高5%和33%。

(2)海水、原狀海砂和再生粗骨料可同時(shí)運(yùn)用于配制C20～C50之間不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。海水海砂再生混凝土的立方體壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增加，且長(zhǎng)期強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；與普通混凝土相比，7 d抗壓強(qiáng)度提高13%～52%，180 d抗壓強(qiáng)度降低18%～29%。

(3)海水海砂再生混凝土的靜力彈性模量比普通混凝土略有降低，降低幅度為2%～14%。

(4)再生粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能、工作性能的影響均大于海水、海砂。

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