海砂混凝土国内研究综述.pdf
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1、2 0 1 3 年 第5 期 (总 第2 8 3 期 ) Nu mb e r 5 i n2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 5 0 1 6 海砂混凝土国内研究综述 漆贵海 1 I 2 。王玉麟 ,李硕 。 ,王章力 ( 1 重庆大学 材料学院,重庆 4 0 0 0 4 5 ;2 贵州中建建筑科研设计院有限公司,贵州 贵阳 5 5 0 0 0 6
2、 ; 3 重庆市建设工程质量监督总站 检测 中心,重庆 4 0 1 1 4 7 ;4 北京恒坤混凝土有限公 司,北京 1 0 0 0 1 2 ) 摘要 : 随着我国河砂资源的日益匮乏 , 海砂得到了越来越多国内研究人员的重视。 综述了近年来 国内在海砂混凝土研究方面 取得的进展和成果 , 指出了海砂混凝土研究中一些亟待解决的问题 , 并对今后我国海砂在混凝土中的应用前景进行了展望 。 关键词 : 海砂;混凝土;氯离子 ;钢筋锈蚀 中图分类号: T U 5 2 8 0 4 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 5 7 0 5 Re
3、 v i e w o n s e a s a n d c o n c r e t e r e s e a r c h i n Ch i n a 0I Gu i - h a i 一 , WANGYu 一 2 L I S h u o , WANGZ h a n g - l i ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g n g 4 0 0 0 4 5 , C h i n a ; 2
4、G u i z h o uC o n s t r u c t i o n S c i e n c e Re s e a r c h a n dDe s i g nI n s t i t u t eL i mi t e dC o mp a n yo f CS CE C, Gu i y a n g 5 5 0 0 0 6 , Ch i n a ; 3 T e s t Ce n t e r o f Ch o n g q i n gCo n s t r u c t i o n Q u a l i ty S u p e r v i s i o n H e a d S t at i o n , C h o
5、 n g q i n g 4 0 1 1 4 7 , C h i n a ; 4 B e ij i n g H e n g k u n C o n c r e t e C o , L t d , B e ij i n g 1 0 0 0 1 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t : W i t h d e fic i e n c y o f r i v e r s a n d , the r e s e arc h s e a s a n d h a d b e e n a t t r a c t e d mo r e an d mo r e a t t e n t i
6、 o n i n C h i n a r e c e n t l y T h e r e s e arc h pr og r e s s an d a c hi e v e me n t s o f s e a s an d c o n c r e t e we r e s u mma r i z e d, a n d p r o b l e ms t o b e s o l ve d we r e a l s o p oint e d o u t i n a r t i c l e, the p r os pe c t s a nd t r e n ds o fa p pl i c a t
7、i o ns o fs e a s an d i n c o nc r e fie l d we r e o u t l i n e d a t l a s t Ke yw or ds : s e a s and; c o n c r e t e ; c h l o r i d ei o n; s t e e l b ar c o r r o s i o n 0 引言 作 为混凝土主要组成材料之一的建筑用砂 , 其特点是 品质条件要求低 、 附加值小 , 但需求总量却特别大。 目前河 砂是建筑用砂 的主要来源 , 但河砂 的供应受资源和环境影 响等因素的限制, 无法完全满足建设的需求。 随着我
8、国建设 规模的不断扩大 , 河砂 日益短缺, 根据联合国亚太经社会 ( U N E S C A P ) 的研 究报告 , 人 均国 民生产 总值 达 1 0 0 0 美 元时, 人均建筑砂的需求为每年 2 t 。 如此推算, 我国年需求 建筑用砂将达到创记录的 2 6 亿 t t1 。 建 筑业对建筑用砂需求量 的不断增加 以及 河砂 资源 的 日 益匮乏 , 使人们将注意力转移到了储量丰富的海砂上 。 我国沿海地区海砂资源丰富 , 根据王圣洁等人的初步估算 , 中国近海 的海砂资源总量约为 6 7 9 6 x 1 0 1 0 6 8 4 9 x 1 0 m 。 海砂 相对 于河砂具有含泥量低
9、和细度模数均匀 等特 点 , 但海砂 中含有大量 的氯盐 , 氯离 子是导致 钢筋混凝土 中钢筋锈蚀的关键 因素 , 也是导致混凝土耐久性 降低 的重 要原 因。 近年来国内专家和学者对海砂及海砂混凝土进行 了大量研究 , 为海砂在混凝 土中的利用提供了大量有价值 的研究资料和数据。 1 海砂 对混凝土的危 害 与河砂相比 , 海砂一般具有粒度适宜 、 颗粒坚硬 、 级配 良好 和含泥量少等特点 , 并且 海砂多为中砂 , 粉末 含量少 , 适合作 为建筑用砂使 用 。 但海砂 的使用也存 在着一些 问 题 , 特别是海砂中有害物质的存在会对钢筋混凝土是耐久 性造成影响。 1 1 氯盐对钢筋的
10、腐蚀 海水中 C l 一 含量较高 , 因此海砂 中氯盐含量也较高。 研 究表 明, 我国沿海的海水 中各种盐类总含量为 2 o 3 5 , 其 中 N a C 1 约 占盐类 总量的 7 8 , 其余是 Mg C I 2 , Mg S O 2 , K C 1 等 , 约 占总含量 的 2 2 1 。 氯盐 的存在 , 会对钢筋混凝土的 耐久性产生影响 。 混凝土呈碱性 , p H值一般在 1 2 5 左右 , 在碱性环境 中, 钢筋容易发生钝化反应 , 在钢筋表面形成一层致密 的钝化 膜 , 阻止钢筋锈蚀 , 使钢筋受到保护【 3 】 。 海砂 中氯盐 的存在会破坏混凝土钢筋表面 的碱性保
11、护膜, 而促使钢筋发生锈蚀。 钢筋锈蚀是一个电化学过程 : 在 阳极 , 铁逐渐离 子化 ; 在 阴极 , 水 中的 0 : 吸收 电子生成 O H 一 , 而生成 O H一 离子。 阳极的F e * 与迁移来的O H 结合成 收稿 日期 :2 0 1 2 1 1 - 1 9 基金项 目:科技部“ 十二五” 国家科技 支撑计划项 目( 2 0 nB A J 0 3 Bl 0 ) ; 科技部科研院所专项经费( 2 0 1 2 E Gl 3 3 O 9 2 ) ; 中建总公司2 O l 2 年施工 新技术研究与开发资金项 目。 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
12、F e ( O H) 锈膜或与水分 中的 C 1 吐 成 F e ( O H) C 1 , 而后再进 一 步与 H 0和 0 结合生成铁锈 : F e ( O H) 2 + 0 2 十 H2 0 一n F e 2 0 3 m H 2 0( 红锈 ) + F e 3 0 4 ( 黑锈 ) F e ( OH) CI + O2 + H2 0 n F e 2 o3 mH2 0+ HC1 从 以上反应方程式可以看出, 氯离子在钢筋腐蚀过程 中起 了催化作用 , 是一种催化剂 , 在整个腐蚀过程 中不会 被消耗掉 , 成为混凝土结构在使用寿命期间最危险的侵蚀 介质。 根据 黄仪 等人 的研 究 , 钢筋
13、发生锈 蚀 后 , 所产 生 的 铁锈 的体 积是 相应钢 筋体 积 的 2 4 倍 【 4 。 因此钢筋 锈蚀 后 会 向四周膨胀 , 随着锈 蚀 的加 剧 , 会 导致 混凝 土保 护 层 的开 裂 , 钢 筋与混 凝 土之 间的黏结 力破 坏 , 而 表面 开 裂 又会 进一步 加剧 结构 中钢 筋 的锈蚀 最后 钢筋挤 压 混 凝 土保护层使 之达到极 限拉 应变而致结 构破坏 , 乃至 整 个建筑物倒塌 。 有 关试验 表明 , 锈蚀 构件 的承载力降低 较 大 , 其主要 因素有 : ( 1 ) 钢 筋锈蚀 可使钢 筋的截 面积减小 , 并能使 钢筋的 屈服强度和极 限强度有不 同
14、程度的降低 , 这是导致构件承 载力降低 的原因之一 。 ( 2 ) 钢筋锈蚀 会使混凝土出现沿纵筋 的裂缝 , 严重时 还会导致混凝土保护层 的剥落 , 造成混凝土构件有效截面 积的减小 , 也就是造成几何损伤 , 所 以钢筋锈蚀所引起 的 截面几何损伤对构件 的承载力有很大的影响。 ( 3 ) 钢筋锈蚀会使黏结强度降低, 因而在承载力计算 时应考虑黏结力的影响 , 黏结力丧失后 , 可能会使受拉钢 筋不能充分发挥作用 , 使受压钢筋过早压屈 , 降低构件 的 承载力 。 ( 4 ) 目前 的钢筋混凝土耐久性研究 中 , 钢筋锈蚀通 常 指纵 向钢筋 , 而实际上箍筋首先锈蚀 , 尤其是纵筋
15、与箍筋 相交点处的箍筋锈蚀更为严重 , 当纵筋锈蚀截面损失率在 5 1 0 范围内时 , 已有很多箍筋锈断 。 箍筋锈蚀不仅直接 影响到构件 的抗 剪承载力 , 而且对受压构件 的承载力也有 间接 的影响 , 因为锈蚀 的箍 筋不仅不 能有效地 约束混凝 土使其强度提高 , 反而会 因锈蚀膨胀力引起保护层的酥松 剥落圈 。 同时 , 海砂 中的氯盐含量较高对混凝土拌合物还有促 进凝结硬化 的作用 ; 对于大体积混凝土则有初期温升较快 的问题 ; 使用含盐量较高的海砂混凝土早期强度较高 , 但后 期强度可能较低 , 海砂 中的盐分还 可能增大混凝土 的干燥 收缩值。 1 2 贝壳等轻物质对混凝土
16、强度的影响 贝壳是建筑用砂标准中的有害物质中, 属于轻物质范 畴。 贝壳类主要成分为C a C O , 贝壳类物质虽然为惰性材料, 一 般不会与水泥发生化学反应 , 但这些轻物质往往呈薄片 状 , 表面光滑 , 本身强度很低 , 且较 易沿节理错裂 , 而且 与 水泥浆的黏结能力很差。 一般来说, 当贝壳类等轻物质含量 较多时, 会明显使 昆 凝土的和易性变差, 使混凝土的抗拉、 抗压、 抗折强度及抗冻性 、 抗磨性、 抗渗性等耐火性能均有 所降低。 因此必须对海砂 中贝壳类物质 的含量加 以限制 。 5 8 2 海砂 的处理 方式 2 1 海砂 中氯盐的处理 氯盐是海砂 中的主要有害物质 ,
17、 目前对于海砂 中超标 的氯离子 的处理方法一般分为淡化处理和掺加外加剂两 大类 方法 : ( 1 ) 淡化海砂 的方法 : 方法一 : 海砂 自然放置法 。 这种方法 就是将 海砂堆积 到一定厚度 , 自然堆放数月或几年 , 取样化验其氯化物的 含量 , 合格后再使用 。 此技术措施简单 , 不需要特别 大的场 地 , 但周期长 , 放置 时间一般需要 2 个月 以上 , 并且空间利 用率低且不能解决应急需要。 方法二 : 淡水冲洗法 。 这种方法又包括斗式滤水法和散 水法。 其中斗式滤水法可在较窄的场地上作业 , 每立方米砂 需消耗淡水 0 8 t 以上 , 每批砂除盐时间约 1 2 2
18、4 h 。 散水法 则需较大场地 , 而用水量则较少 ( 每立方米砂需消耗淡水 0 2 t 以上 ) , 每批砂除盐时间 1 2 h以上 。 此种方法快捷 , 能满足应急需要, 但通常需要冲洗设备 , 造价高 , 并且水资源浪费严重 , 不符合可持续发展需要 。 根 据周庆等人推算6 】 , 以宁波市 2 0 0 3 年建筑用海砂 8 0 0 万 t 为例计算, 如果全部采取淡水冲洗法冲洗海砂 , 大约需要 6 4 0 万 t 淡水。 方法三 : 机械法。 这种方法可在较窄的场地上作业 , 每 立方米砂需消耗淡水 1 5 t 以上 , 耗水量较大 , 并需要分级 机械 、 离心机械 、 给水设
19、备 、 排水设备等 , 但它所需时间短。 ( 2 ) 掺加 阻锈剂 的方法 : 这种方法采取 的主要 技术 措 施是掺加一种叫做“ 钢筋防锈剂” 的化学药 剂 , 以抑制 、 消 除海砂 中海盐对钢筋的腐蚀作用。 目前对钢筋阻锈剂按使用方式和应用对象可分为 : 掺 人型 、 渗透型阻锈剂 ; 按形态可分为 : 水剂型 、 粉剂型阻锈 剂 ; 按化学成分可分为 : 无机型 、 有机型和混合型阻锈剂 ; 按作用机理可划分为 ; 阴极型、 阳极型 、 ? 昆 合型阻锈剂 。 这种方法在日本的使用已相当普及。 日本是世界上成 功利用海砂的国家 , 目 前 日本沿海地 区建筑用砂 的 9 0 以 上是用
20、海砂 。 表 1 列 出了 日本沿海地区建筑用砂的使用情 况 , 可以看出, 海砂 占据主导地位 。 根据 1 9 9 4年的统计 , 仅 长崎 、 香川 、 福岗三地区的海砂年用量 , 就达 2 4 8 7 1 万 t 嘲 。 表 1 日本沿海地区建筑用砂的使用情况 用砂分类 海砂 河 口砂 山砂 河砂 其他 所 占比例 o 0 9 1 5 5 5 1 8 0 4 0 8 日本对开发利用海砂 , 采取 了积极 、 慎重 的政策 和严 格的技 术与管理措施 , 虽然 大量使用 了海砂 , 但没有 出现 “ 滥用海砂 ” 和造成 “ 海砂屋” 等问题 。 目前 , 美 国 、 日本 、 英 国等
21、 国家 和我 国宁波 、 温州 、 北 京 、 青 岛、 湛江 、 台湾等沿海地 区都 己经开始大量使用钢筋 阻锈剂来预 防钢筋混凝土 中钢筋 的锈蚀 , 特别是在海工 、 海 岛工程 的应用尤其普遍 。 钢筋阻锈剂的使用 , 可以减少建 筑结构 的维修 , 延长建筑物结构 的使用寿命 , 对建筑 物运 行 的全过程来说 , 具有重要 的经济效益与社会效益 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 3 ) 混合法 : 这一方 法就是将海砂与河砂 按适当的 比 例掺和在一起 , 其根本也是降低氯化物的含量。 海砂与河砂 的比例可根据其混合物取样化验其氯化物的含量,
22、当其氯 化物的含量小于国家规定 的标准后 , 方可使用 。 从以上几种方法比较得知 , 机械法一次性投资较大 , 自 然堆放法省钱但耗时 , 掺加 阻锈剂省 时但 费钱 , 而淡 水冲 洗法则介于两者之 间, 这种方法也为较多的生产厂家所采 用。 各海砂生产单位可以根据 自身的条件和实际情况 , 选 择适合的生产方式进行海砂的生产。 2 2 海砂中贝壳类物质的处理 相对 于氯盐对钢筋混凝土的危害 , 贝壳类物质对混凝 土 的危害显然要小得 多 , 因为细碎 的贝壳渣滓对混凝土强 度影 响不显著 , 只有当海砂 中贝壳含量较多时 , 才会损害 混凝土的强度 。 但是海砂 中贝壳类 物质的存在对蒸
23、养混凝 土 , 如预应力管桩等强度则非常不利 。 当海砂中贝壳含量较高时 , 一般采用筛孔为 1 0 mm滚 筛进行一次筛除处理后 , 即可满足通常的使用要求。 而采用 蒸压养护的方式进行养护的混凝土, 如预应力管桩等, 应尽 量避免使用含 贝壳类 的海砂。 3 海砂混凝 土研 究现状 3 1 海砂 混凝 土机理研 究 深圳大学 的邢峰 、 董必钦和霍元 等人在海砂的机理方 面进行 了大量的研究 。 他们先对海砂 中氯离子与水泥胶体 的结合方 式进行 了研究 f9 _ 10 3 , 研究结合扫描 电镜 观察和元 素扫描结果, 对氯离子在砂子周围的迁移和结合规律进行 了描述 , 结果表 明 :
24、水 泥稳定后 与氯 离子的结合率 在 6 0 左右, 海砂型与内掺型氯离子结合、 传播方式有所不同, 海 砂型引入 的氯离子存在一个从海砂表 面到水 泥凝胶 内部 的渗透过程。 在此基础上邢锋等人又研究 了海砂混凝土 中氯离子结 合特性 定义 了海砂型 内掺氯离子与普通型内掺氯离子 , 研究 了二者在混凝 土中的结合规律 。 并且 结合 S E M E D S 等微观手段研究 了海砂型氯离子在混凝土中的扩散特征f l2 , 讨论 了其传 输机理 , 发现海砂型与氯离子掺人型 的混凝土 在氯离 子结合 、 传输 方式上各不相 同, 前者存在一个从砂 子表面向混凝土 内部扩散 的过程 。 并在此基
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