珊瑚骨料混凝土的研究進展

費正岳，周明

（南京海華混凝土集團有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

混凝土是目前使用最普遍的建筑材料之一。制備混凝土的原材料中使用量較大的是骨料，粗骨料和細骨料總量占據(jù)混凝土總量的四分之三左右。 對于遠離陸地海島上的工程建設(shè)，所需的原材料均需要從大陸運輸過去， 這樣運輸成本非常高昂。 如果可以就地取材， 便可以解決原材料的問題。 我國擁有寬廣的海域，這些海域里分布了很多由珊瑚礁構(gòu)成的島礁。 有研究表明珊瑚礁的主要成分是文石和高鎂方解石， 總的碳酸鈣成分含量達到96%以上。如果將這些珊瑚礁通過一系列制作工藝，制成骨料用來配制混凝土，對我國海島上的工程建設(shè)具有非常重要的實用意義。

1 珊瑚混凝土的研究現(xiàn)狀

一般只有地處海洋的國家才會研究開發(fā)珊瑚混凝土。 美國在環(huán)太平洋區(qū)域建造了多個軍事基地，大量的土木工程建設(shè)對混凝土的需求也較大，而所有的混凝土原材料全部從外部運輸過來很不經(jīng)濟。 因此，美國很早就對珊瑚混凝土做了大量的研究工作。 其中美國軍方某土木工程標準中提到，如果出現(xiàn)混凝土常規(guī)骨料短缺， 可使用珊瑚代替骨料。 目前，太平洋上美國的很多島嶼都采用過以珊瑚碎屑代替骨料制備混凝土。 日本有學者認為如果骨料強度低于砂漿強度， 那么最終混凝土強度將受骨料強度影響； 如果骨料強度高于砂漿強度，那么最終混凝土強度將不會受到骨料強度的影響。印度的Arumugam研究了珊瑚混凝土的強度，提出珊瑚混凝土早期強度發(fā)展較快，后期強度發(fā)展較慢， 且水灰比對珊瑚混凝土的強度具有一定的影響。 自二次世界大戰(zhàn)后期以來，人們已經(jīng)采用珊瑚碎屑修建了多個大型、現(xiàn)代化的軍事、海洋以及其它民用建筑工程，使得珊瑚礁的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。 我國對于海洋資源開發(fā)利用方面起步則較晚，對于珊瑚混凝土， 也只有在南部沿海地區(qū)才涉及到。 也有部分學者開展了這方面的研究工作，但是距離實際應(yīng)用還有不足。 截至目前，珊瑚混凝土大規(guī)模的研究開發(fā)尚未開展。 但是，南海區(qū)域的海島均距離陸地較遠，缺乏淡水資源和天然骨料，限制了海島的工程建設(shè)。 因此，對于珊瑚混凝土的研究迫在眉睫。

2 珊瑚礁的性質(zhì)

珊瑚礁屬于一種特殊的巖土類型，是由珊瑚群體死后其骨骼及遺骸構(gòu)成的巖體。珊瑚礁上的碎屑呈多孔狀，質(zhì)量較輕，按照混凝土骨料的標準可歸為天然輕骨料。 珊瑚堆積密度一般為900 kg/m3左右，表觀密度為1 800 kg/m3左右，孔隙率達到50%左右，且孔隙是由兩部分組成，即顆粒之間的孔隙以及顆粒內(nèi)部的孔隙。珊瑚顆粒內(nèi)部的孔隙約占全部孔隙的10%， 主要體現(xiàn)了珊瑚顆粒本身內(nèi)部的疏松及多孔程度。 輕骨料由于存在較多孔隙，在混凝土攪拌過程中會吸收部分拌合水， 而在混凝土硬化的過程中輕骨料又會釋放出一部分所吸收的水分，進而促進水泥發(fā)生水化反應(yīng)。 珊瑚碎屑是一種天然輕骨料， 因此也會從水泥漿中吸收水分然后釋放出水分。 作為骨料，珊瑚骨料既不同于天然碎石類粗骨料， 也不完全同于輕骨料混凝土中的陶粒、浮石類輕骨料，其多孔的特性導致其較高的吸水率。 并且珊瑚顆粒表面粗糙，導致其與水泥石之間的摩擦力也較大。 同時，珊瑚碎屑特殊的形狀會要求更多的水泥漿體包裹珊瑚骨料以便得到較好的施工性能。

3 珊瑚混凝土的性能

珊瑚顆粒配制出的混凝土的抗壓強度普遍較低，因此珊瑚混凝土不適于應(yīng)用于高強混凝土。 珊瑚的多孔特征反而使得水泥漿更容易與珊瑚粘結(jié)，導致珊瑚骨料與水泥漿的界面處的結(jié)合狀態(tài)優(yōu)于普通混凝土，界面黏結(jié)力較大。 因此珊瑚混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值明顯要高于普通混凝土。 王以貴研究發(fā)現(xiàn)，珊瑚碎屑表面較粗糙，且形態(tài)不一，不易于振搗密實，為了滿足混凝土施工，需要較多的水泥。 珊瑚碎屑孔隙較多，吸水率也較高，因此用水量較大，混凝土強度增長整體較快。 陳兆林等通過研究提出，當珊瑚混凝土的水灰比在一定范圍內(nèi)，且坍落度符合要求的情況下，珊瑚混凝土的水灰比與抗壓強度呈線性關(guān)系。 Ehlert建議，當水灰比為0.5左右， 粗骨料和細骨料總量達50%左右，配制出的珊瑚混凝土的抗壓強度可達到20 MPa以上。 目前實驗室研究中制備的珊瑚混凝土的強度等級多為C20 和C30。 雖然珊瑚骨料的強度遠低于普通碎石骨料， 但是其變形能力卻優(yōu)于普通碎石骨料，荷載作用下珊瑚骨料可以發(fā)生較大變形。 盧博研究表明，采用抗硫酸鹽的水泥制備珊瑚混凝土質(zhì)量優(yōu)于其他水泥，且火山灰水泥制備的珊瑚混凝土質(zhì)量較差。 李林采用顯微硬度測試方法，研究了珊瑚混凝土中骨料-界面過渡區(qū)的硬度值， 發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土界面過渡區(qū)的顯微硬度與其相對抗壓強度之間存在較好的相關(guān)性。

由于珊瑚本身生長在海洋中， 海水浸泡不會對珊瑚骨料產(chǎn)生不利影響。 但是，珊瑚屬于多孔材料，尤其是開口孔所占比例較大，導致珊瑚混凝土的滲透性顯著高于普通混凝土。高滲透性又會導致外部有害物質(zhì)較容易滲入混凝土內(nèi)部，引發(fā)一系列耐久性問題。 Howdyshell研究了珊瑚混凝土的耐久性， 提出采用珊瑚顆粒代替粗骨料制備混凝土，需要考慮氯離子腐燭問題， 且必須做好鋼筋的保護，要求鋼筋混凝土的保護層厚度要符合要求。余強等人對西沙某島珊瑚礁砂混凝土的耐久性進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)珊瑚礁砂混凝土具有良好的抗氯離子滲透性。同時，海水中的氯鹽能夠抑制膨脹，且能提高硫酸鈣及水化鋁酸鈣的溶解度，因此質(zhì)量較好的珊瑚混凝土不會出現(xiàn)硫酸鹽侵蝕破壞。珊瑚礁砂混凝土處于波浪及潮汐作用下， 再加上雨水的沖刷作用，導致鎂離子無法在混凝土表層沉積，因此鎂離子對珊瑚礁砂混凝土的作用也可忽略。

由于海島通常都遠離大陸， 嚴重缺乏淡水資源，因此也有人提出采用海水制備混凝土。 如果可以同時采用海水和珊瑚制備混凝土材料，將會產(chǎn)生非常顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。由于海水中含有鹽，因此采用海水攪拌混凝土就相當于在混凝土拌合物中加了無機鹽（如氯鹽類）外加劑，而這類無機鹽類外加劑具有早強效果，海水攪拌的珊瑚混凝土一般早期強度會有所提高。盧博認為可以采用海水配制珊瑚混凝土， 但是需要適當提高水泥用量，降低珊瑚混凝土水灰比。趙艷林研究了海水配制珊瑚混凝土的強度，發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土的抗壓強度與養(yǎng)護齡期之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地資源越發(fā)緊缺，人類逐漸轉(zhuǎn)移到對海島資源的開發(fā)利用。 我國很多海島都處于國防前線位置， 因此加快我國海域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)十分重要。 珊瑚礁具有便于取材、 輕質(zhì)等優(yōu)點， 在沿海地區(qū)的土木工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 充分利用珊瑚骨料制備混凝土，不僅可以縮短建設(shè)工期，節(jié)約天然資源，而且有利于海洋資源的開發(fā)，符合我國海洋戰(zhàn)略要求。 但大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用珊瑚混凝土，還需要做大量的研究工作。

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