使用海水和海砂混凝土的开发.pdf

第 4 l卷第 4期 2 0 1 4年 4月 建筑技术开发 B u i l d i n g T e c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 41， No 4 Ap r 2 01 4 使 用海水 和 海砂 混凝 土 的开 发 朱航征编译 摘要 在混凝土制造和施工过程中， 使用海水、 海砂对节约淡水资源具有重大意义。据已有经验和研究成果， 使用海 水、 海砂对钢筋有不利影响， 但是对混凝土有较好影响。所以作为混凝土材料， 利用海水和海砂将受惠更多。 关键词 混凝土； 海砂； 淡水资源 中图分类号 T U 7 5 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 4 ) IM一 0 0 7 1 0 5 A b s t r a c t Ke y w o r d s DEVELoPM ENT OF CoNCRETE M ADE oF S EA1l 7I ， ATER AND S EA S AND Du rin g p r o d u c t i o n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e，t h e u s e o f s e a wa t e r a n d s e a s a n d i s o f a g r e a t s i g n i fi c a n c e f o r c o n s e r - v a t i o n o f f r e s h w a t e r r e s o u r c e Ba s e d o n e x i s t i n g e x p e ri e n c e s a n d r e s e a r c h r e s u l t s ，s e a wa t e r a n d s e a s a n d ma y p r o - d u c e a d v e r s e i n fl u e n c e o n s t e e l b a r ，b u t t h e y wi l l i mp r o v e c o n c r e t e p e r f o r ma n c e T h e r e f o r e ，i t i s a g r e a t b e n e fi t t o u s e s e a w a t e r a n d s e a s a n d a s c o n c r e t e a g g r e g a t e s c o n c r e t e；s e a s a n d；f r e s h w a t e r r e s o u r c e 在混凝土制造和施工过程 中， 拌和用水和养护 用水不可缺少。据推测 ， 世界每年消耗的淡水资源 约有数 1 0亿 m 之多。地球上淡水总量仅 占水资源 总量的 2 5 ， 而海水则 占9 6 5 ， 非常丰富。但在 目前 ， 对于海水和未洗净的海砂 ， 按易于腐蚀混凝土 中钢材的观点 ， 作为拌和用水和细砂均被禁止使用 。 这不仅有碍水资源的有效利用 ， 而且对灾后的紧急 复建工程 ， 在淡水和砂紧缺情况下较不利。此时 ， 若 使用丰富的海水和海砂 ， 对相关工程 的工期 、 成本和 资源的有效利用均有很 大益处 。以此为背景， 本文 对海水和未洗净的海砂用于混凝土的性能和适用性 的开发研究结果进行介绍 。 1 海水、 海砂用于混凝土结构物及其标准 1 1 使用海水、 海砂的混凝土结构物与以往研究 将海水 、 海砂用于混凝 土结构在 E t 本 已早有施 工实例。图 1 为 1 9 5 9年建成的钢筋混凝土灯塔 ， 当 时使用了海水和海砂 ， 使用的水泥为高炉水泥 ， 建成 后 已过去 5 0多年 ， 仍在使用。对 于使用海水 、 海砂 的混凝土性能 日本海湾机场研究所早 已有所研究 ， 通过研究取得 了以下认识。 图 1 肥前长崎鼻灯塔 71 第4 期 朱航征 ： 使用海水和海砂混凝 土的开发 第 4 1卷 ( 1 ) 促进 了混凝土的凝结时间。 ( 2 ) 早期强度发展快 ， 长期强度增 长 比使用淡 水小。 ( 3 ) 抗冻融性存在较差情况。 ( 4 ) 存在有因海水 中 S O j 一引起膨胀以及 因 C a C 1 溶出而恶化的情况 。 ( 5 ) 钢筋腐蚀进展较快。 1 2 有关混凝土中氯化物标准的变化 在混凝土中混人氯化物以促进凝结 ， 快 速发展 早期强度， 作为一种混凝土固化促进剂使用 ， 早 已被 人们所认知。 1 9 5 7年 ， 在 日本 土木 工程 学会 的混 凝 土规 范 “ 无筋混凝 土” 篇章 内， 作为初期冻害的预 防措施 ， 明文规定 ： “ 在混凝土冬期施 工中， 可加入水泥重量 约 1 的氯化钙用于 A E混凝土” ， 但应禁止海水用 于钢筋混凝土。 在 2 0世纪 7 0年代 ， 由于存在未充分洗净海砂 的使用引起钢筋腐蚀 而发生早期恶化问题 ， 在预拌 混凝土的 J I S标准中开始规定 了在混凝土 中氯化物 离子量的总量。 现在的混凝土规范 中规定 ： 对 于未使用增强钢 筋的无筋混凝土 ， 经充分确认后 ， 可使用海水作拌合 水 ， 但不能用于钢筋混凝土。 在 日本建筑学会标准 J A S S中， 不管有筋或无筋 均禁止使用海水作拌合水。此外还规定， 两者细骨 料的氯化物 N a C 1 在 0 0 4 以下 ， 使用 的海砂须经过 清洗。 2 使用海水、 海砂混凝土的性质 2 1 使 用材料 为确认使用海水 、 海砂混凝土的性质 ， 通过表 1 和表 2以表示砂浆 和混 凝土与钢筋腐蚀相关 的物 性。表中使用和研究的材料如表 3所示 。作 为胶结 材料 ， 是在使用 的普 通波特 兰水 泥 ( O P C) 中， 置换 5 0 高炉 矿渣 粉 ( G G B S ) ， 在 O P C 中置 换粉 煤 灰 2 0 ， 水胶 比为 5 0 。此 外 ， 使用 的掺合 料是一种 钙系特 殊外加剂 ( A N) 和硅 灰 ( s F ) 。拌 合水 为海 水 ， 细骨料为山砂 ， 而未洗净的海砂 ， 假定 N a C 1 含量 为 0 3 ， 相当添加 N a C 1 ( C 1 一 离子量 1 5 k g ) ， 总氯 化的离子量约为 4 5 k g m 。 表 1 砂浆配合 比 单位用量 ( k g m ) 项 目 类别 W， B s ， B 水 ( ) 胶结材 ( ) 细骨料 特殊外加剂 自来水 海水 0 P C G G B S F A ( S ) ( A N) 自来水 2 5 5 0 2 5 5 2 5 5 O l 5 3 0 0 使用高炉 海水 O 2 5 5 2 55 2 5 5 0 l 5 3 0 O 矿渣粉 海水 +A N O 2 4 2 2 5 5 2 5 5 O 1 5 3 0 1 7 O 5 3 0 自来水 2 5 1 O 4 O 2 O l o 0 1 5 0 7 O 使用粉 海水 O 2 5 l 4 02 O 1 o o 1 5 O 7 0 煤灰 海水 +A N O 2 3 8 4 O 2 O 1 0 0 1 5 0 7 1 7 表 2 混凝土配合比 单位用量 ( k g m ) 新拌混凝土性能 7 B s a 类 别 水 ( ) 胶结材 ( 特殊外加剂 坍落度 空气含量 自来水 海 水 0 P C G G B S F A ( A N) c n l 自来水 4 5 0 1 7 0 0 1 7 0 1 7 0 0 O 1 6 5 4 7 海水 4 5 0 O 1 7 0 l 7 0 1 7 0 O O 1 5 0 3 8 5 0 海水 4 - AN 4 5 0 0 1 5 7 1 7 0 1 7 O 0 1 7 1 4 0 4 O 海水 +A N+S F 4 5 0 O 1 5 7 l 5 3 1 5 3 3 4 1 7 1 7 5 3 3 72 第 4 1卷 朱航征 ： 使用海水和海砂混凝土的开发 第 4 期 表 3 使用材料 使用材料 类 别 代号 备注 自来水 WP 自来水公司 水 海水 WS c l 一 浓度 ： 1 8 3 普通波特兰水 泥 0 P C 密度 3 1 6 g c m 高炉矿渣粉 G G B S 密度 2 8 9 g e m3 胶结材 粉煤灰 F A 密度 2 1 7 g c m。 硅 灰 S F 密度 2 2 0 g c m 细骨料 山砂 S 密度 2 6 2 g e m3 粗骨料 碎 石 G 密度 2 6 5 g c m AE减水剂 A E 密度 1 0 5 g e m。 外加剂 特殊外加剂( 钙 系) A N 密度 1 2 9 g e m 2 2混凝 土 的性 质 2 2 1 凝结时间 混凝土的凝结时间如图 2所示。使用海水时混 凝土的凝结时间与使用 自来水相 比， 初凝快 9 0 m i n ， 终凝快 1 3 5 mi n 。使用特殊外加剂时对凝结 时间几 乎无影响。 童 要 要 图2 凝结试验结果 2 2 2抗压强度 砂浆抗压强度发展情况如图 3所示。使用高炉 矿渣粉的砂浆 ， 在使用海水作拌合水时的抗压强度 ， 与使用 自来水相 比， 龄期 7 d提 高 了 5 0 ， 2 8 d为 1 5 ， 9 1 d以后 的强度增 长则 较小。而使用 海水并 添加特殊外加剂时的抗压强度， 与使用 自来水相 比， 龄期 7 d约增加 2倍 ， 2 8 d约增加 5 0 ， 龄期为 1年 时约提高 2 0 。此外， 使用 粉煤灰 的砂浆 ， 在使用 海水时 ， 龄期为 1年前 ， 其抗压强度不满龄期如何 ， 与使用 自来水相 比， 约提 高 1 0 1 5 ； 如使用海 水并添加 了特殊外加剂时， 与使用 自来水的相 比， 约 增加 2 0 3 0 。 图 4为使用高炉矿渣粉的混凝土抗压强度的发 展情况。使用海水时， 与使用 自 来水相比， 其抗压强 海水 海 水+ A N ( a ) 海水 海水+ A N ( b ) 图3 砂浆使用海水时抗压强度的发展 ( a ) 使用高炉矿渣粉； ( b ) 使用粉煤灰 自来水 海水 海水+ A N海水+ A N+ s F 图4 使用海水混凝土的抗压强度 度 7 d龄期约提高 6 0 ， 2 8 d约提高 3 0 ， 龄期 9 1 d 则未见有大幅度增加 ； 而使用海水并添加有特殊外 加剂和硅灰时 ， 初期强度发展快 ， 龄期 2 8 d强度约 增加 6 0 ， 龄期 9 1 d强度约增加 2 0 。 作为胶结材料 ， 使用高炉矿渣粉和粉煤灰在使 用海水和未洗净 的海砂 时， 通过添加钙系特殊外加 剂和硅灰， 使初期强度增大， 龄期 9 1 3 6 5 d的强 度 ， 经确认 均有所增 加。经研 究推测 ， 如混凝 土 中 c l 一 固定 ， 溶出的 O H一 在细孔溶液 中增加 ， 高炉矿渣 粉和粉煤灰经钙 的强刺激 ， 因而有可能促进 了水化 和强度 的增长。 2 2 3 不透水性( 水密性) 图5 为透水试验时水的渍透情况， 试验时使用 1 M P a 水压 ； 经 4 8 h ， 由透水深度计算其透水系数 ， 如 图 6所示 。 73 伯 如 如 m O 菊 ， I 髓氍 蜒