海水集料混凝土的研究進(jìn)展

谷佳瑞，王仲剛

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

海水集料混凝土的研究進(jìn)展

谷佳瑞，王仲剛

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

在南海島礁上修建常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋存在著鋼筋極易腐蝕，建筑材料嚴(yán)重匱乏，材料運(yùn)輸價(jià)格昂貴等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了一系列新型建筑材料來(lái)解決此問(wèn)題，但效果有限。國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了海水集料混凝土的材料特性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的研究。針對(duì)目前的研究進(jìn)展，提出了今后關(guān)于海水集料混凝土研究的一些問(wèn)題。

島礁；建筑材料；海水集料混凝土；配合比；問(wèn)題

南海島礁遠(yuǎn)離大陸海岸線，嚴(yán)重缺乏碎石、淡水、河沙等常規(guī)的建筑材料。島礁建設(shè)工程所需的建筑材料往往需要從內(nèi)陸海運(yùn)。其中就存在運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)輸途中材料損耗大，運(yùn)輸成本高的問(wèn)題。并且島礁建筑物常年處于海水與鹽霧的侵?jǐn)_中[1]，鋼筋在這種環(huán)境下極易腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，大大減弱結(jié)構(gòu)的耐久性，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。這些問(wèn)題制約著我國(guó)島礁建設(shè)工程的發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)海工混凝土在海洋環(huán)境下的研究主要包括海工混凝土的配合比設(shè)計(jì)[2]、耐久性[3]、耐腐蝕性研究[4]等。然而包括珊瑚礁、珊瑚砂[5]、輕質(zhì)骨料混凝土仍然存在破壞生態(tài)環(huán)境[6]，材料強(qiáng)度不夠，材料運(yùn)輸依然存在困難等問(wèn)題。因此最適合南海島礁建設(shè)的材料應(yīng)該是能夠就地取材，完全替代常規(guī)混凝土中粗骨料的新型混凝土材料。

海水集料混凝土[7]是采用少量高性能吸水樹(shù)脂(Super-Absorbent Polymer, SAP) 與海水制備大量的膨脹骨料，來(lái)替代常規(guī)混凝土中的所必需的碎石或卵石等大量骨料，通過(guò)相應(yīng)自密實(shí)混凝土技術(shù)制備的一種新型混凝土材料。海水集料混凝土無(wú)需振搗，可以實(shí)現(xiàn)粗骨料的就地取材，采用海水拌和，節(jié)約了施工場(chǎng)地，從根本上解決了材料運(yùn)輸難的問(wèn)題。海水集料混凝土具有密度小，彈性模量低，孔隙率高等特性，可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，具有良好的抗沖擊性能，可作為一種新型的吸能緩沖材料。非金筋材[8](包括碳纖維筋，玄武巖纖維筋，玻璃纖維筋以及纖維混雜復(fù)合筋等)具有優(yōu)良的耐腐蝕性，可以替代鋼筋，解決鋼筋易銹蝕的難題。在島礁工程中，這兩種材料可以協(xié)同使用，修建高度低，空間要求不高的建筑物。

1 海水集料混凝土的制備

1.1 海水集料混凝土的原材料

制成海水集料混凝土的主要原材料有高性能吸水樹(shù)脂、膠凝材料、人工海水、海砂、纖維增韌材料、外加劑。

1.1.1 高性能吸水樹(shù)脂

海水集料混凝土所用的高性能吸水樹(shù)脂是通過(guò)反相懸浮聚合法[9]合成的，能在海水中膨脹至少20倍體積變成半固態(tài)性材料[10]，且在加壓的情況下也不易失水，具有填充堵塞的作用。SAP還可通過(guò)設(shè)計(jì)合成使其在海水中僅需要少量的吸水樹(shù)脂即可膨脹形成足量的人造骨料，滿足混凝土攪拌所需的和易性，以及在成型過(guò)程中不斷釋放水分，保證膠凝材料全程水化反應(yīng)所需的水分，提高膠凝材料的水化程度，減少其自收縮，增加混凝土的密實(shí)度[11-14]。

1.1.2 膠凝材料

由于飽和SAP海水集料替代了石子等粗集料，飽和SAP的彈性模量小于水泥石的彈性模量[15]，因此海水集料混凝土是多孔復(fù)合硬基材料。為提高混凝土的強(qiáng)度，必須提高水泥用量，采用高標(biāo)號(hào)的水泥。所采用的水泥是強(qiáng)度等級(jí)為42.5R的普通硅酸鹽水泥[16]。為提高混凝土的早期強(qiáng)度，減少終凝時(shí)間，提高材料的穩(wěn)定性，在膠凝材料中加入少量42.5的硫鋁酸鹽水泥。硫鋁酸鹽水泥具有優(yōu)良的早強(qiáng)性能[17]，養(yǎng)護(hù)3 d后的基本強(qiáng)度就相當(dāng)于普通硅酸鹽水泥混凝土養(yǎng)護(hù)28 d。硫鋁酸鹽水泥對(duì)減少終凝時(shí)間也具有明顯的作用，其終凝時(shí)間較普通硅酸鹽水泥縮短了4倍。除此之外，硫鋁酸鹽水泥對(duì)海水、氯鹽、硫酸鹽以及它們的復(fù)合鹽等，都具有良好的耐腐蝕性[18]，非常適合于海水集料混凝土材料的使用環(huán)境。

1.1.3 人工海水

人工海水采用海水晶加自來(lái)水配制的拌合水[19]。由于SAP是用海水浸泡，為避免SAP因?yàn)殡x子濃度差導(dǎo)致滲透壓增大而釋水[20]，從而使得混凝土拌合物的工作性能損失，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低，不能采用淡水。與此同時(shí)，在島礁工程中，淡水不易取得，采用海水便于就地取材。

1.1.4 外加劑

由于水泥凈漿中的水分含量遠(yuǎn)低于SAP飽水集料，SAP集料顆粒會(huì)在其表面膠凝顆粒的作用下快速釋水，從而產(chǎn)生SAP集料體積減小、膠凝漿體嚴(yán)重泌水的現(xiàn)象。為平衡SAP集料內(nèi)外水分環(huán)境，采用聚羧酸高效減水劑[21]可緩解SAP飽水集料在混凝土拌制過(guò)程中的釋水行為，此外，聚羧酸高效減水劑與水泥及SAP的相容性好，摻入其中可使混凝土具有良好的流變性能。

1.1.5 纖維

與普通混凝土中粗骨料的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，海水集料混凝土中的飽和SAP在養(yǎng)護(hù)成型過(guò)程中會(huì)不斷上浮，造成混凝土孔隙不均勻。使用聚甲醛纖維(POM)和聚丙烯纖維(PP)，能夠防止飽和SAP上浮[22]，減小混凝土的分層離析程度，使混凝土內(nèi)部空洞更加均勻，從而增加混凝土的黏度，增強(qiáng)整體性。

1.2 海水集料混凝土的配合比

影響海水集料混凝土力學(xué)性能的因素有很多，比如SAP體積分?jǐn)?shù)、水泥用量、普硅水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配比例、水膠比、膠砂比、復(fù)合外加劑摻量、纖維含量等等。其中主要的因素是SAP體積分?jǐn)?shù)、水泥用量、水膠比、復(fù)合外加劑摻量[23]，通過(guò)對(duì)四種主要因素進(jìn)行正交配合比試驗(yàn)[24]可以得出影響海水集料混凝土性能的主要因素，設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度的配合比。通過(guò)試驗(yàn)研究得出，影響抗壓強(qiáng)度主要因素的重要性是SAP體積分?jǐn)?shù)>水泥用量>水膠比>復(fù)合外加劑摻量。表1給出SAP含量不同的配合比[25]。

表1 海水集料混凝土配合比

從表1中可以看出，SAP體積分?jǐn)?shù)越高，海水集料混凝土的抗壓強(qiáng)度越低。這是由于SAP取代了混凝土中的粗骨料，使材料內(nèi)部孔隙率變大，從而密度降低，彈性模量降低。而在實(shí)際工程中，SAP體積分?jǐn)?shù)不宜過(guò)小，否則將失去海水集料混凝土的意義，成為單純的水泥砂漿。因此SAP體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在20%～60%之間。

2 海水集料混凝土的性能

海水集料混凝土是一種新型的混凝土材料，目前關(guān)于它的研究還比較少，主要集中在海水集料混凝土的制備工藝、內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、靜態(tài)力學(xué)性能、蠕變特性、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能等方面的初步研究。對(duì)于海水集料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能研究還有待完善。試樣截面見(jiàn)圖1。

圖1 海水集料混凝土試樣截面

Wang F Z等[26-28]的研究表明，飽和海水集料的水分釋放主要是由滲透壓和濕度梯度決定的，其中最主要的因素是滲透壓，pH值不能決定海水集料的水分釋放。飽和海水集料在混凝土內(nèi)部具有比傳統(tǒng)輕集料(例如發(fā)泡聚苯乙烯EPS)更加復(fù)雜的水分釋放機(jī)理，海水集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，單個(gè)顆粒的內(nèi)養(yǎng)護(hù)覆蓋范圍更寬。因海水集料的持續(xù)內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，可在混凝土內(nèi)球孔周圍形成致密的殼體層，增加了與周圍水泥砂漿的粘結(jié)程度，相比傳統(tǒng)多孔混凝土能更加有效保證整體強(qiáng)度。

葉敏[23,25]對(duì)海水集料混凝土進(jìn)行了基本力學(xué)性能試驗(yàn)的研究，通過(guò)正交配合比試驗(yàn)得出了影響海水集料混凝土強(qiáng)度的因素，并指出SAP含量影響最大，其次是水泥用量和水膠比。研究得出了聚丙烯纖維摻量可以有效提高其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，并得出最佳摻量為0.16%。研究了SAP體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的孔隙率對(duì)海水集料混凝土基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，給出了基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的海水集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

張新等[29-30]建立了基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬的三維均勻化理論建立了海水集料混凝土ANSYS模型，推導(dǎo)了海水集料混凝土的等效彈性模量的有限元求解方法。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比有限元分析結(jié)果表明，該方法能較好地計(jì)算出不同SAP體積分?jǐn)?shù)海水集料混凝土的等效彈性模量。

王發(fā)洲等[31]還對(duì)SAP混凝土的保溫隔熱、吸聲降噪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，由于SAP混凝土內(nèi)部會(huì)形成規(guī)則均勻的球形孔洞，混凝土的保溫隔熱性能和吸聲降噪性能都能得到顯著提高，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.316 W/(m·K)，降噪系數(shù)達(dá)0.348，峰值吸聲系數(shù)達(dá)0.877，有利于節(jié)能環(huán)保的要求。

朱國(guó)華等[32-34]對(duì)海水集料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件有了進(jìn)一步研究，對(duì)非金筋材海水集料混凝土梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)研究，對(duì)碳-玻纖維筋和海水集料混凝土的黏結(jié)性能和常溫蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。針對(duì)非金筋材和海水集料混凝土彈性模量小，受荷載作用相對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形較大的特點(diǎn)，提出了基于剛度控制的非金筋材海水集料混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果給出了具有25年不發(fā)生蠕變斷裂的應(yīng)力水平為極限應(yīng)力的41%以下，建議碳-玻纖維筋海水集料混凝土梁正常使用極限狀態(tài)的撓度限值值為l/125。

鄧智平等[35-37]研究了海水集料混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。通過(guò)不同配比海水集料混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的單軸壓縮試驗(yàn)，指出海水集料混凝土的單軸壓縮力學(xué)性能具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值韌度均隨應(yīng)變率升高而增大。通過(guò)SHPB試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，得出高孔洞率海水集料混凝土的材料本身應(yīng)變率效應(yīng)相對(duì)低孔洞率更加顯著。對(duì)海水集料混凝土中的應(yīng)力波傳播特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示海水集料混凝土具有衰減應(yīng)力波的作用，且孔洞率越高，對(duì)應(yīng)力波的衰減作用越強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，對(duì)南海島礁進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，混凝土等建筑材料的運(yùn)輸一直是瓶頸問(wèn)題。運(yùn)用海水集料混凝土材料，可顯著減少混凝土固體原材料的運(yùn)輸量，降低海上運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)不需要大型堆積料場(chǎng)，降低施工造價(jià)。由于沒(méi)有普通混凝土的粗骨料，也避免了影響混凝土壽命的堿骨料反應(yīng)。這是海水集料混凝土最大的優(yōu)勢(shì)。

但在目前海水集料混凝土的研究過(guò)程中，仍然存在著以下需要研究解決的問(wèn)題。

(1) 海水集料混凝土中飽和SAP替代了粗骨料。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在海水集料混凝土試件澆筑完成，室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)6個(gè)月后，混凝土試件內(nèi)部仍然存在大量水分，這是由于飽和SAP的內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)理所致的。但在工程應(yīng)用中，這些水分會(huì)對(duì)建筑物防火防爆帶來(lái)很大的負(fù)面影響，水分受高溫迅速蒸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生大量氣體，可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂甚至爆開(kāi)，存在嚴(yán)重的安全隱患。所以下一步的研究應(yīng)當(dāng)考慮這一方面的問(wèn)題。

(2) 由于海水集料混凝土和非金筋材的彈性模量相對(duì)混凝土和鋼筋都比較低，所以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，為了提高構(gòu)件剛度，往往在設(shè)計(jì)截面時(shí)將尺寸增大。但在工程應(yīng)用中，一味地增大截面面積也會(huì)存在設(shè)計(jì)施工和使用等方面的問(wèn)題。所以，應(yīng)當(dāng)在滿足剛度的前提下，研究避免截面設(shè)計(jì)過(guò)大的解決方法。

(3) 海水集料混凝土多應(yīng)用于島礁場(chǎng)坪工程和低層建筑工程，低層建筑主要是砌體結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)，而目前制磚機(jī)等材料制造設(shè)備的研制還未完成，進(jìn)行大規(guī)模地生產(chǎn)海水集料混凝土砌塊還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

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Research Progress of Cellular Concrete Utilizing Millimeter-size Spherical Saturated SAP

GU Jiarui, WANG Zhonggang

(Dept.ofCivilEngineering,LEU,Chongqing401311,China)

There are some problems when we try to construct buildings in the islands and reefs, such as the rebar is easy to corrosion, the lacks of building materials, the price of transportation is expensive to build houses of the conventional reinforced concrete structure in the islands off the mainland. Scholars all over the world have studied a series of new building materials to solve these problems. The characteristics of the materials and properties of the concrete are also carried in domestic. In this paper, we proposed some questions with the structures of cellular concrete according to the current research results.

islands and reefs; building materials; cellular concrete; mix proportion design; questions

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.011

2017-04-05

2017-05-03

全軍后勤科研計(jì)劃項(xiàng)目(BY214J013)

谷佳瑞(1991—)，男，重慶北碚人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐娛峦聊竟こ虛屝迵尳ā-mial: 609676198@qq.com

TU528.2

A

1672—1144(2017)04—0058—04