海砂在沿海工程中应用研究
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摘要：近年来，由于我国各项基础设施大力建设，混凝土作为大宗建筑材料，使用量巨大，而天然砂作为混凝土的组分之一，天然砂日趋短缺与社会需要矛盾日益严重。本文主要研究海砂在沿海工程上的应用，研究出了大掺量粉煤灰路堤材料。
关键词：海砂；激发剂；路堤；粉煤灰；渗透系数
中图分类号：U416文献标识码： A
引言
近年来我国的基础工程正在大量建设过程中，而混凝土作为大宗建筑材料，其所需建筑用砂量巨大，尤其是近几年来，随着我国城市化进程的加快，现代化建设也飞速发展，作为基础建设所必须的建筑材料用量日益增加，砂石是混凝土组分中最主要的原料，用量十分巨大，例如，我国目前的建筑用砂年需求量达到26亿吨左右。另外，以往国家对于采砂行业监管不到位，造成优质河砂被大量的、无节制的开采，近年来，优质河砂资源匮乏，特别是东部沿海地区，许多河流湖泊已经限制了河砂的开采量，从而就导致河砂日益紧张。另一方面，我国有着1.8万公里的海岸线，有着丰富的海砂资源，而且迄今为止，这一巨大的潜在资源没有被有效的利用。因此，合理地开发利用海砂资源，是解决河砂资源短缺的一种途径，尤其是在我国沿海地区。
1、原材料
采用符合国标GB175-2007的P・O 42.5通用硅酸盐水泥，海砂为东台条子泥，符合Ⅱ区砂，其性能满足JGJ206-2010海砂混凝土应用技术规范要求；试验采用工业用熟石灰，纯度为98%；自制高效聚羧酸减水剂减水率为28%，掺量为胶凝材料质量的0.2%，固含量为40%；自来水。
2试验方法
本文主要研究一种符合沿海围垦需要的路堤材料，《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000中对路基基础的要求见表1。考虑到海砂自身的特殊性以及在沿海围垦中用作路堤材料的强度要求，认为选择海砂并掺入大量粉煤灰制作的水泥基材料可以满足要求。
表1 水泥路基的抗压强度标准
Table 1 Compressive strength standard of cement roadbed
层位 公路等级
二级和二级以下公路 高速和一级公路
基层(Ma) 2.5～3 3～5
底基层(Ma) 1.5～2 1.5～2.5
由于路堤对强度要求较低，故所研究的水泥基路堤材料应采用大砂灰比，并通过大掺量粉煤灰来降低成本，而粉煤灰早期水化慢可以通过掺入适量石灰作为激发剂。采用正交优化方法来制备符合要求的路堤材料，然后测试符合要求路堤材料的透水能力及在海工环境下的抗硫酸盐侵蚀能力。
2.1路堤材料透水系数测试方法
由于路堤材料的透水系数较大，所以采用常水头实验装置测试渗透系数。并根据公式1、2、3计算相应的渗透系数。
(1)
式中：k－试样的渗透系数；
Q－t时段内通过试样的渗流量；
A－试样横截面积；
L－试样高度，55型渗透仪，L=4cm
h－供水瓶内水位与出水口水位差(cm)。
按式(1)计算每次测量的水温T℃时的渗透系数kti；计算渗透系数均值：
(2)
按下式折算到20℃时的渗透系数k20：
(3)
式中：ηt、η20分别为水温T℃和20℃时水的动力粘滞系数[2]。
2.2抗硫酸盐侵蚀试验方法
试验参照水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法。用得出符合强度要求的海砂砂浆的配合比制成试件尺寸为40mm40mm160mm，试件在成型48h后，分别浸入水和3%化学纯Na2SO4溶液中，养护至28d和60d后，分别测得其抗折强度和抗压强度。根据F=Rc/Ra，计算海砂砂浆的抗蚀系数，其中Rc表示在侵蚀液中养护试件的抗折、抗压强度，Ra表示相同龄期在水中养护试件的抗折、抗压强度。
3试验内容
3.1激发剂掺量的优化
根据以前的相关研究结果，本次试验将熟石灰掺量按胶凝材料质量的1%～5%掺入，来优化熟石灰的最佳掺量。将各种材料按照表1中的配比成型，并于1天后拆模，随后将其放置于标准养护箱中养护至相应龄期。
表1 激发剂掺量优化的配比方案（单位：g）
Table 1 Content of activator dosage optimization formula (units:g)
编号 水泥 粉煤灰 海砂 水 熟石灰 聚羧酸减水剂
A4B1 45 105 498 66 1.5 0.75
A4B2 60 90 498 66 1.5 0.75
A4B3 75 75 498 66 1.5 0.75
A4B4 90 60 498 66 1.5 0.75
A5B1 45 105 498 66 3 0.75
A5B2 60 90 498 66 3 0.75
A5B3 75 75 498 66 3 0.75
A5B4 90 60 498 66 3 0.75
A6B1 45 105 498 66 4.5 0.75
A6B2 60 90 498 66 4.5 0.75
A6B3 75 75 498 66 4.5 0.75
A6B4 90 60 498 66 4.5 0.75
A7B1 45 105 498 66 6 0.75
A7B2 60 90 498 66 6 0.75
A7B3 75 75 498 66 6 0.75
A7B4 90 60 498 66 6 0.75
A8B1 45 105 498 66 7.5 0.75
A8B2 60 90 498 66 7.5 0.75
A8B3 75 75 498 66 7.5 0.75
A8B4 90 60 498 66 7.5 0.75
Fig.1 The influence of differential ratio activator of lime to 28days compressive strength of cement based materials
图1激发剂熟石灰掺量对不同配比试块28d抗压强度的影响
从图1中可以看出，当胶凝材料中粉煤灰占70%的比例时，掺2%的熟石灰能激发粉煤灰早期水化程度，从而提高其早期胶结强度；随着熟石灰掺量在1%～5%范围内变动，熟石灰的激发作用是先增大后减小，得出最佳掺量为2%；随着胶凝材料中粉煤灰所占比例的减少，通过掺入熟石灰的激发作用也逐渐不明显。
3.2路堤材料配合比优化
本次试验结果需要满足《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000中二级和二级以下公路的基层和底基层的要求。在聚羧酸减水剂用量、熟石灰掺量确定的这些条件下，先按表2成型三组配合比分别采用规格为40mm40mm160mm的三联模每个配合比成型两组，采用捣棒捣实成型后分别置于标准养护箱中养护至规定龄期，并测试其相关龄期的性能，从而优化出符合要求的砂浆配合比。
表2路堤材料配合比方案（单位：g）
Table 2 Content of embankment material proportioning (units:g)
编号 水泥 粉煤灰 海砂 水 聚羧酸减水剂 熟石灰
C2F8 40 160 2000 78 1 4
C3F7 60 140 2000 78 1 4
C4F6 80 120 2000 78 1 4
在表2实验的基础上，将胶砂比设计为1:10，然后通过改变胶凝材料中水泥与粉煤灰的比例得出三组配合比，采用压力机模压成型，成型后拆模置于标准养护室内养护至规定龄期，分别测出每组试样对应力学性能。最终比照《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000中对二级公路底基层及基层要求的抗压强度，从而得出符合要求的最佳配合比。
从图2中可以看出，胶凝材料中水泥所占比例越大，其试块对应的抗压强度也越大；配比为C2F8的28天抗压强度达到2.37MPa，能满足二级公路底基层的强度要求，所以其配比可以作为路堤的底基层配合比；配比C3F7的28天抗压强度能达到2.85MPa，能满足二级公路基层的强度要求，其配合比可以作为路堤基层的配合比。
Fig.2 The compressive strength of cement based materials after optimized of mixture ratio
图2配合比优化后水泥基材料试块的抗压强度
Fig.3 The permeability coefficient of samples with different cement to fly-ash ratio at the age of 28 days
图3 三组水泥与粉煤灰不同配比的28d渗透系数
从图3可以看出：三组试样28天的渗透系数均较大，能满足路堤材料的透水要求。据资料表明：渗透系数达到10-6cms时则基本不透水[3]。
表4 海砂水泥基材料抗蚀系数
Table 4 The corrosion resistance coefficient of sea sand cement base material
龄期（d） 配比
C2F8 C3F7 C4F6
28 1.05 1.02 1.17
60 0.98 0.88 1.12
从表4中看出，上述三组试样都具有良好的抗硫酸盐性能。
4结论
1、熟石灰的最佳掺量为胶凝材料质量的2%。
2、得出了满足《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000中二级公路的基层及底基层对强度的要求的砂浆配合比，分别为表3-4中的编号C3F7和C2F8对应的水泥基路堤材料配合比。
3、所得配比的海砂水泥基材料其抗硫酸盐侵蚀能力符合二级公路路基的要求。
参考文献
[1] 王圣洁,杨子赓,吴桑云,陈江.中国滨海建筑砂开采的环境地质问题和可持续发展对策[J].海洋地质动态,2000(1)5-8.
[2] 邱树恒,牛存涛,何欠等.电石渣对大掺量粉煤灰水泥砂浆影响的研究[J].广西大学学报:自然科学版,2008,33(2):152-153.
[3] 武科,等.公路路基粉土工程特性试验研究[J].中南大学学报(自然科学版)2009,40(6):1727.