海砂再生混凝土研究综述

尹瑞杰 张绪涛 刘 波

（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）

0 引言

自20 世纪80 年代以来，世界砂石资源消耗量增长了3 倍，而对河砂的需求占很大一部分。据资料统计，全球混凝土使用量为每年28 亿吨，我国的混凝土消耗量占全球消耗量的48%，大约13 亿吨，将近总消耗量的一半，对河砂的过度开采、盗采带来严重的生态环境问题。因此，积极寻求砂石资源的替代品，大力推广绿色混凝土对我国经济的健康可持续发展有十分重要的意义。目前世界上已有不少成功使用海砂代替河砂的工程案例，在日本某些沿海地区，建筑用海砂的替代率能达到90%以上。使用再生骨料代替天然粗骨料的相关研究已日趋成熟，并且再生混凝土也得到了广泛的应用。

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机理基本类似，两者都是经过风化搬运、流水冲刷形成的，卢予奇、赵羽习[1]经过对海砂和河砂的图像采集、统计分析得出，河砂的形状比海砂略微圆滑一些，棱角更少，除此之外二者的椭圆率、圆率、坚固率基本没有区别。但海砂中含有一定量的贝壳等杂质，且富含氯盐。海砂中的贝壳碎屑较光滑，成针片状，与水泥的粘结性较差，降低混凝土的和易性，还可能造成混凝土泌水。过高的氯盐含量会对混凝土的耐久性产生不利影响，并加快钢筋的电化学腐蚀过程，过高的氯离子浓度会破坏钢筋表面的钝化膜，并且在破坏界面处形成原电池，锈蚀发生在钢筋表面极为局部的范围内并向内部扩展，铁锈的体积不断膨胀产生膨胀应力，破坏钢筋与混凝土之间的粘结[2]，造成严重的安全隐患。这是海砂推广使用中最大的问题。

1.2 再生骨料

再生混凝土是指将已经淘汰的混凝土重新打碎，形成颗粒，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换。再加入水泥、水等经充分搅拌后形成新的混凝土。再生混凝土的强度及性能受再生骨料的直接影响。经破碎、筛分、分级后的再生骨料强度比天然骨料低，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应用。

2 海砂再生混凝土的可行性

海砂能否能替代河砂用于实际工程中，需要控制氯离子含量不超过某一限制。目前国家相关标准已对混凝土中氯离子含量作出了限定。《混凝土质量控制标准》（GB 50164-2011）、《海砂混凝土应用技术规范》（JGJ 206-2010）中规定：在素混凝土和钢筋混凝土中，氯离子含量最大值分别为1%和0.3%。除海砂外，其他材料如水、水泥、外加剂等也含有一定的氯离子，但其含量较小，影响不大，故使用海砂的前提是采取措施降低海砂中的氯盐含量。

当前对海砂的处理主要有以下几种方法：1.自然晾晒法：直接将海砂堆置在室外，利用雨水的冲刷带走盐分，经取样检测氯离子含量达标后方可使用。这种方法通常要持续数月甚至几年的时间，受天气影响较大，有很大的不确定性，应用较少。2.淡水淡化法：是目前使用最多的方法，使用淡水不断冲洗海砂，降低其氯盐含量，但会消耗大量淡水资源。没淡化1 立方米的海砂至少需要消耗淡水0.8 吨。3.掺加阻锈剂：在混凝土搅拌过程中掺加一种阻锈剂。近年来国内外对阻锈剂的研发取得了很大的进展，如美国研制的迁移型阻锈剂MCI(migrating corrosion inhibitor)、我国的中冶集团建筑研究总院研制的YJ-504 阻锈剂等。该方法简单易操作，能有效阻止钢筋锈蚀，应作为优先考虑使用的方法。其他还有将海砂与河砂混掺的方法，其实本质上都是为了降低氯离子含量。

关于再生混凝土国内外学者已做了很多研究，再生骨料吸水率高，在使用之前需要预先浸水处理，同时洗去再生骨料表面附着的粉尘，肖倍、安旭文等[3]试验研究得出混凝土抗压强度随着取代率的增加呈先增大后减小的趋势，80%的取代率会使混凝土抗压强度达到峰值；劈裂抗拉强度随着取代率的增加呈现不断减小的趋势；抗折强度先减小后小幅度增加，最佳取代率为25%。王晨霞、刘露等[4]研究了冻融循环对再生混凝土的影响，再生混凝土和普通混凝土在冻融循环低于50 次的情况下，抗冻性能相差不大，但在冻融循环大于50 次以后，再生混凝土的抗冻性能低于普通混凝土，此外，混凝土的强度等级对抗冻性能的影响较大。王庆贺、王玉银等[5]研究了不同配制方法对再生混凝土强度的影响，使用直接加水法配制混凝土会造成混凝土强度降低，而采用饱和面干法和两阶段拌合法对再生混凝土的影响相似，但两阶段拌合法实际操作起来更加便捷，成为推荐使用的方法。综上所述，虽然再生骨料和天然骨料存在差异，但如果配合比、替代率设计合理，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学性质

目前对海砂再生混凝土的研究较少，黄一杰、张宜健等[6]通过中心拉拔试验研究了海砂再生混凝土与环氧涂层钢筋之间的粘结性能，研究表明：海砂再生混凝土与环氧涂层钢筋的粘结强度略低于普通混凝土，大约低15%，粘结强度与保护层厚度成正相关。与钢筋伸入混凝土长度呈负相关。

经研究，目前普遍认为随着养护时间的增加，海砂再生混凝土的立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度、劈裂强度会逐渐增加，并且早期强度增长较快，增速随时间逐渐放缓，后期甚至会略微降低。龄期对混凝土试件的破坏形态也有影响，通过对海砂再生混凝土短柱受压破坏形态进行分析得出，由于海砂再生混凝土混凝土的早强较快，其28 天龄期的破坏形态要明显好于普通混凝土，当龄期为90、180 天时，海砂再生混凝土的迅速开裂，裂缝发展速度快于普通混凝土；再生骨料取代率对破坏形态的影响也十分显著，再生骨料取代率越大，试件的裂缝宽度也更大，试件破坏时的破碎程度也更高。

肖建庄、张鹏等[7]，对海砂再生混凝土的各项物理力学性能进行了研究，研究结果说明海砂再生混凝土与普通混凝土相比，抗压强度基本相同但弹性模量略有降低，降低幅度约6%-10%；坍落度增大且随混凝土强度等级变化较大，再生骨料对海砂再生混凝土性能的影响大于海砂；劈裂抗拉强度比同等级的普通混凝土略低，约降低3%-17%。海砂的取代率对混凝土的强度也有一定的影响，当海砂的取代率增加时，混凝土的抗压强度先增大后减小，当取代率为75%时达到峰值，海砂的掺加对混凝土的力学性能无负面影响，甚至还能略微提高混凝土的抗折强度。

黄一杰、何绪家等[7]考虑了再生骨料取代率和氯离子含量的影响，再生骨料的取代率会对海砂再生混凝土的工作性能产生不利影响，但会增加劈裂抗拉强度，会降低混凝土的抗剪强度、弹性模量、抗压强度，而海砂则反而会提高工作性能，在二者取代率的组合作用下与普通混凝土相差不大。此外水灰比和掺有少量杂质时对混凝土强度的影响也很小，可以通过掺加矿物掺合料如粉煤灰、偏高岭土、硅灰、高炉矿渣等来提高混凝土的强度。

4 耐久性

邢丽、薛瑞丰等[8]通过进行试验研究了海洋环境下混凝土的抗渗性和抗碳化性能，试验结果表明掺加了海砂的混凝土抗渗性能要优于普通混凝土，推测原因可能是因为海砂中的盐分固化后填充了内部孔隙，阻止了水分的内渗；在碳化早期海砂混凝土的碳化程度要高于普通混凝土，但随着碳化时间增长，海砂混凝土的碳化速率逐渐变慢，在标准条件下碳化28 天后，掺加海砂的混凝土碳化程度要低于普通混凝土。关于海拌混凝土的碳化性能存在分歧，卢予奇、赵羽习等[3]通过碳化试验得出结果表明：海砂的掺加大大加强了碳化作用，与邢丽、薛瑞丰等得出的结论截然不同，因此关于掺加海砂对混凝土碳化性能的影响需要更深入的研究。

黄华县[9]为模拟钢筋在海砂环境中的腐蚀，进行了钢筋的电化学腐蚀试验，当钢筋处在PH 值为12.5-13.5 的环境中时，PH 值的变化对腐蚀速度的影响不明显，并且氯离子浓度的变化对腐蚀速度的影响也不大；当PH 值低于12.5 时，PH 值越低，PH 值的变化速率和氯离子浓度对钢筋的腐蚀越大。

再生骨料取代率的变化也会对混凝土的耐久性产生影响，当取代率增加时，混凝土的徐变、收缩变形、抗氯离子渗透性、均会增加，而混凝土的抗冻性、抗碳化能力则会降低，并且更容易出现裂缝。而在混凝土中掺加10%-20%的粉煤灰会增强混凝土的抗氯离子渗透性能。此外再生骨料的品质对混凝土的性能也有较大影响，再生骨料的品质越好制成的混凝土性能越好。

海砂对混凝土的耐久性的影响至关重要，直接关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试验研究较少，其耐久性能有待进一步研究。

5 总结

综上所述，海砂再生混凝土的各项性能都与普通混凝土相似，所以在控制混凝土拌合物中氯离子含量的前提下，使用海砂再生混凝土是没有问题的，另外还可以研究怎样对其进行增强，根据现有的对混凝土进行增强的方法例如掺加聚丙烯纤维、钢纤维等纤维制品，粉煤灰、高炉矿渣、硅灰等矿物掺合料，将其推广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，缺乏对长期使用条件下海砂再生混凝土的微观结构、抗渗性、抗碳化性能、抗冻性的研究；对高氯离子、硫酸根离子环境下钢筋锈蚀的影响，另外研究界面过渡区的薄弱环节以提高各种性能，也可以成为研究的重点，海砂再生混凝土的研究前景十分广阔。