机制砂掺量对海工高性能混凝土的影响研究

【摘要】 以青岛欢乐滨海城项目的栅栏板构件所用C40F350混凝土为例，研究了青岛本地机制砂替代部分或全部河砂后对海工高性能混凝土强度、毛细吸水及盐冻性能的影响。结果表明混合砂和机制砂混凝土强度比河砂混凝土略低；混合砂（河砂：机制砂）比例为4：6时，由于级配不连续，毛细吸水量较高；机制砂替代量对掺加引气剂的混凝土抗盐冻性能影响不大；4组混凝土抗盐冻等级均大于400次，预测其安全受用寿命大于96年，满足栅栏板设计使用寿命年限。

【关键词】 混凝土；机制砂；盐冻

0 引言

随着我国经济建设的发展，海港码头工程和海上风电等项目建设的增加，海工高性能混凝土使用也在增加。作为混凝土的细骨料河砂，由于其自然资源限制，河砂资源逐年减少，河砂价格逐步上涨。且河砂的开采导致水流浑浊，会对生态环境造成破坏。机制砂作为河砂的替代品，具有广泛的应用前景。特别对于河砂稀缺的西南地区，机制砂混凝土已成熟使用 ^[1-3] 。

机制砂较河砂表面粗糙、多棱角，一些学者 ^[4-6] 对其力学性能和单因素作用下的耐久性进行了研究。然而，对于双因素耦合作用下的混合砂混凝土损伤机理鲜见报道。处于青岛沿海浪溅区和水位变动区的混凝土不仅会受氯离子侵蚀，同时还会有冻融损伤，混凝土服役环境较为恶劣。本文以青岛欢乐滨海城项目的栅栏板构件所用混凝土为例，研究了青岛本地机制砂替代部分或全部河砂后对海工高性能混凝土强度、孔隙率及盐冻性能的影响。

1 试验方法

1.1试验用原材料及配合比

本文试验所用水泥为山东“山铝”生产的 P·O 42.5R水泥；矿粉为青岛汇远达生产的S95矿粉；引气剂为江苏弗克生产的FOX QQ-3型；减水剂采用高性能减水剂，为安徽中铁生产的RAWY101型；碎石粒径为5-25mm；机制砂和河砂技术指标详见表1，机制砂为绿帆再生建材有限公司生产，属于花岗岩，河砂产地为平度。栅栏板混凝土设计型号为C40F350，根据《水运工程混凝土施工规范》混凝土配合比详见表2，试验采用机制砂替代量分别为40%、80%、100%。河砂、机制砂以及不同比例的混合砂级配如表3所示，从表3可以看出当机制砂替代量为40%时，不满足级配要求，为指导施工作为后期参考，同样进行了试验。

表1 机制砂和河砂技术指标

表2 混凝土配合比（kg/m ³ ）

表3 河砂、机制砂和混合砂级配（%）

1.2 试验方案

（1）抗压强度

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定28d抗压强度。

（2）毛细吸水试验

试件成型24小时后拆模，放至（20±2）℃，湿度不小于95%的条件下养护28d。试件由立方体试件切割而成，尺寸为100mm×100mm×50mm。在吸水试验前，将试件放入60±1℃的烘箱中，干燥至恒重。试件取出到达常温后，对其垂直于切割面的四个侧面用石蜡进行密封。采用电子天平测量细水前试件的质量，然后放入有垫片的平底盛水容器中。水面高出试件底面5±1mm，在吸收时间 0、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h、36 h、72h时，将试块取出，用湿润的布吸去试块表面的明水，迅速称量试块的重量。毛细吸水试验环境温度为（20±2）℃，相对湿度为（50±2）%。

（3）氯盐冻融循环试验

100mm×100mm×400mm的试件标准养护至28d后，放入（20±2）℃的3.5%氯化钠溶液中浸泡4d。为模拟海工情况，冻融介质为3.5%氯化钠溶液，冻融循环时间、温度按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法执行。每隔50次冻融循环测试并计算冻融试件的相对弹性模量和质量损失，对比试件的冻融介质为淡水。

1.3 试验结果与讨论

（1）强度

4种配合比的28d抗压强度结果如图1所示。从图1结果可以看出，虽然水胶比都为0.34，而细骨料为河砂的混凝土强度最高，混合砂和机制砂混凝土强度偏低，4种配比强度均满足达到要求。但随着机制砂取代量的增加，强度逐渐升高。其主要原因可能是混合砂和机制砂级配及机制砂含有部分片状颗粒的影响，导致混凝土强度偏低。

图1 混凝土28d抗压强度

（2）毛细吸水试验

水分是有害物质侵入混凝土的主要载体，尤其对于浪溅区的混凝土，毛细作用加强，氯离子更多的侵入到混凝土中。根据Kelham ^[7]  得出单位面积混凝土的毛细水吸收量与时间的平方根之间呈一定关系，如式（1）所示：

（1）式中，ΔW —— 单位面积混凝土的毛细吸水量 [g/m ² ]；

A —— 混凝土的毛细吸收系数 [kg/m ² s ^1/2 ]； 

绘制4种配合比毛细吸水量与吸收时间平方根曲线，详见图2。从图2中可以看出，随着时间的增加，吸水量逐渐增加。B配合比试件，相对于其他试件吸水量高。主要是由于B配比中混合砂比例为4：6，级配不连续，导致试件不如其他试件密实，毛细孔较多，所以吸水量较高。而对于A、C和D配比，虽然机制砂替代量不同，但都属于连续级配，吸水量随时间增加差别不大。

图2 毛细吸水量随时间平方根的变化曲线

（3）冻融循环试验

不同比例混合砂的质量损失与冻融循环次数关系如图3所示，相对弹性模量试验结果见表4所示。

图3 质量损失与冻融循环次数关系曲线

表4相对弹性模量试验结果

从图3可以看出，不同配合比同一冻融循环次数，盐冻造成的试件质量损失都明显大于冻融介质为淡水的。对于冻融循环达到400次时，4种配合比盐冻试件的质量损失大约是淡水中冻融试件质量损失的1.8-2.9倍。主要是由于冻融介质为3.5%氯化钠溶液时，混凝土表面饱水性明显高于淡水中的，混凝土受冻时会产生更高的结冰压力 ^{[ 8]} 。因此造成混凝土表面掉皮严重，有些位置已达3mm左右，如图4所示。但从表4中看出，盐冻并没有使混凝土相对弹性模量降低幅度大于淡水中冻融的试件。由于氯化钠的存在，降低了溶液的冰点。这对冻融来说是有利的一面，盐冻会带来正负两种效应。这两种效应会随着混凝土部位不同而不同 ^{[ 9]} 。氯盐对表层以内的混凝土饱和度影响较小，这时盐冻的正效应反而会起一定作用，因此一些盐冻中的混凝土试件相对弹性模量反而大于淡水中冻融混凝土试件。4组混凝土中，400次冻融循环后配比B的混凝土试件相对弹性模量下降较大，主要是由于B中的混合砂不是连续级配，导致密实度不如其他配比。

通过图3和表4可以看出，4组混凝土经过400次盐冻或淡水冻融后，混凝土试件的质量损失和相对弹性模量没有到达规范中规定的破坏标准。机制砂替代量对掺加引气剂的混凝土抗冻性能影响不大。

                   （a）冻融介质为3.5%氯化钠溶液                 

（b）冻融介质为淡水

图4 400次冻融循环后盐水与淡水中试件照片

快冻法相对于天然情况的冻融循环是一种加速试验，李金玉 ^[10] 等明确了服役混凝土的使用寿命 t _sl （年）与快速冻融循环次数 N _F 之间的关系为：

   (2)式中，k-快速冻融试验系数，一般可取12。根据文献[11]中青岛年平均自然冻融循环次数约为50次，通过计算预测其安全受用寿命大于96年。栅栏板设计使用寿命一般为50年，由此看见，对于盐冻环境此4种配合同样满足设计使用寿命。

• 2 结论

（1）由于混合砂和机制砂级配及机制砂颗粒形状的影响，导致混合砂和机制砂混凝土强度略低于河砂混凝土。

（2）混合砂（河砂：机制砂）比例为4：6时，由于级配不连续，毛细吸水量较高。而对于A、C和D配比，虽然机制砂替代量不同，但毛细吸水量随时间增加差别不大。

（3）盐冻导致的试件质量损失大约是淡水中冻融试件质量损失的1.8-2.9倍，而盐冻并没有使混凝土相对弹性模量降低幅度明显大于淡水中冻融的试件。

（4）机制砂替代量对掺加引气剂的混凝土抗冻性能影响不大。4组混凝土抗冻等级均大于400次，预测其安全受用寿命大于96年，符合栅栏板设计使用寿命年。栅栏板构件可以采用混合砂或机制砂混凝土。

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