珊瑚砂混凝土耐久性及應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

張彭輝，侯健，郭為民

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101）

南海島礁高溫、高濕、高鹽霧，自然環(huán)境惡劣，建筑用鋼筋混凝土材料受自然環(huán)境影響，耐久性問題突出，嚴(yán)重制約著我國(guó)對(duì)南海的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷提速，國(guó)家對(duì)島礁資源開發(fā)的重視程度日趨增加，島礁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求愈加迫切。然而南海諸島距大陸較遠(yuǎn)，交通不便，且施工資源十分有限。在不破壞生態(tài)前提下，因地制宜地以珊瑚砂替代常規(guī)骨料制備混凝土，可減少原材料轉(zhuǎn)運(yùn)周期、降低支出成本、提高建設(shè)效率，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

1 珊瑚砂混凝土耐久性研究

美國(guó)是最早研究和利用珊瑚砂混凝土的國(guó)家，美國(guó)軍方土木工程標(biāo)準(zhǔn)《Unified Facilities Criteria-Tropical Engineering》中指出：在混凝土中常規(guī)骨料短缺的情況下，可使用珊瑚作為骨料制備混凝土[1]。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)在西太平洋的中途島（Midway）、夸賈林環(huán)礁（Kwajalein）、埃尼威托克島（Eniwetok）、比基尼島（Bikini）、莊士敦島（Johnston）、醒來島（Wake）、塞班島（Saipan）和關(guān)島（Guam）等海島上大量使用珊瑚砂混凝土修建機(jī)場(chǎng)、公路和建筑物[1-4]。針對(duì)珊瑚砂混凝土工程耐久性及其影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了調(diào)研工作，Rick A E[5]對(duì)太平洋比基尼島上的三座珊瑚混凝土建筑物進(jìn)行了考察，指出珊瑚砂混凝土的強(qiáng)度能達(dá)到工程結(jié)構(gòu)的需要。當(dāng)水灰比在0.55～0.6，坍落度為7.62 cm，粗骨料占51%～54%，細(xì)骨料占46%～49%情況下，制得的珊瑚砂混凝土28天的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到20.7MPa。由于珊瑚砂混凝土孔隙率較大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕比較嚴(yán)重。通常認(rèn)為，影響珊瑚砂混凝土耐久性的主要因素是氯離子含量、混凝土保護(hù)層厚度和建筑結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度[6]。國(guó)內(nèi)達(dá)波等研究人員[6-7]通過對(duì)我國(guó)南海島礁珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與測(cè)試，指出其主要破壞特征為混凝土保護(hù)層脹裂、剝落、垮塌、露筋、鋼筋銹蝕等，而通過提高珊瑚砂混凝土的抗氯離子擴(kuò)散滲透能力，加強(qiáng)迎風(fēng)面混凝土結(jié)構(gòu)的附加防護(hù)，并提高其密實(shí)度，能延長(zhǎng)其結(jié)構(gòu)的使用壽命。余強(qiáng)[8]通過對(duì)西沙某島珊瑚砂混凝土性能調(diào)研，將混凝土結(jié)構(gòu)物面臨的問題歸納為：長(zhǎng)期高溫下強(qiáng)度的發(fā)展，干濕交替區(qū)混凝土表面開裂，鹽的腐蝕，強(qiáng)紫外線輻射使混凝土表面老化、開裂、強(qiáng)度降低以及臺(tái)風(fēng)、海浪的沖刷等。吳文娟[9]通過對(duì)南?，F(xiàn)役珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行調(diào)查分析表明，長(zhǎng)期暴露于高溫、高濕、鹽霧環(huán)境中的珊瑚砂混凝土孔隙率明顯增大，C—S—H，Ca(OH)2流失嚴(yán)重，Mg(OH)2等無膠結(jié)作用的生成物增多，導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度的損失嚴(yán)重。

力學(xué)性能是決定珊瑚砂混凝土耐久性的重要因素，因此許多研究人員針對(duì)珊瑚砂混凝土的力學(xué)性能開展了研究。李林等[10]通過研究指出，影響珊瑚砂混凝土強(qiáng)度的主要因素是水泥和水的用量，珊瑚砂的添加比例影響不大。這是由于珊瑚砂骨料主要成分是碳酸鈣，其自身強(qiáng)度較低，因此珊瑚砂混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥的硬化程度。梁元博等[11]同樣通過試驗(yàn)證明，在南海熱帶海島就地取材，利用珊瑚砂和碎礁作骨料時(shí)，混凝土28天的抗壓強(qiáng)度可達(dá)22 MPa以上，可以代替碎石、河砂混凝土，滿足島礁建設(shè)的需求。與河砂混凝土相比，珊瑚砂混凝土的抗壓強(qiáng)度雖較低，但抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度兩者相差不大。此外，珊瑚砂混凝土的干燥收縮性能、早期抗開裂性能、抗氯離子滲透性以及抗碳化性均要好于河砂混凝土[12]。Arumugam R A[13]、王以貴[14]等研究證實(shí)了養(yǎng)護(hù)初期珊瑚砂混凝土的強(qiáng)度發(fā)展快于普通混凝土。養(yǎng)護(hù) 7天，珊瑚砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度已經(jīng)基本接近最終的28天齡期抗壓強(qiáng)度，而普通混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度只達(dá)到28天齡期抗壓強(qiáng)度的80%左右。趙艷林[15]利用試驗(yàn)得出了齡期與珊糊混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。陳兆林[16]通過研究提出，當(dāng)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，珊瑚砂混凝土的水灰比與抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，并且無論采取何種骨料成分，其強(qiáng)度隨水泥的用量增加而增加，且強(qiáng)度增加的速率低于水泥用量增加的速率。盧博[17]通過研究指出，通過提升提高水泥的用量，減少珊瑚砂混凝土的水灰比，采用海水和珊瑚顆粒拌制的混凝土強(qiáng)度可滿足工程指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益相當(dāng)?shù)拿黠@。李林[18]通過對(duì)珊瑚砂混凝土的一系列研究同樣指出，盡管在相同水灰比下珊瑚砂混凝土強(qiáng)度低于其他混凝土，但其早期強(qiáng)度高，并且在相同應(yīng)力水平下其彎曲疲勞性能優(yōu)于大多數(shù)其他種類的混凝土。由于島上臺(tái)風(fēng)、海嘯等自然災(zāi)害頻繁，利用珊瑚砂混凝土早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在緊急搶修工程中使用珊瑚砂混凝土，可大幅提高工程進(jìn)度，減少工程造價(jià)，對(duì)加快我國(guó)南海開發(fā)具有深遠(yuǎn)的意義。

2 珊瑚砂混凝土鋼筋/復(fù)合材料筋研究

雖然珊瑚砂混凝土強(qiáng)度可以較好地滿足島礁實(shí)際工程建設(shè)需求，但由于其孔隙率較大，外部有害物質(zhì)易滲入混凝土內(nèi)部，采用普通鋼筋制作珊瑚砂混凝土極易誘發(fā)結(jié)構(gòu)筋銹蝕破壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。針對(duì)珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)存在的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了不銹鋼鋼筋、復(fù)合材料筋等特種鋼筋的應(yīng)用研究。馮興國(guó)[19]通過極化曲線、交流阻抗等方法研究了碳鋼、304不銹鋼、2205雙相不銹鋼鋼筋在普通混凝土和珊瑚砂混凝土中耐蝕性能。結(jié)果表明，珊瑚砂混凝土內(nèi)碳鋼鋼筋銹蝕速率約為普通混凝土中的2倍，但珊瑚混凝土中 304不銹鋼鋼筋、2205雙相不銹鋼鋼筋腐蝕速率為普通混凝土中碳鋼腐蝕速率的 1/130左右。不銹鋼鋼筋在珊瑚砂混凝土中呈完全鈍化狀態(tài)，采用不銹鋼作為加強(qiáng)筋制作珊瑚砂混凝土，其耐蝕性、耐久性滿足遠(yuǎn)洋島礁工程要求，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋（FRP）具有抗疲勞、抗磁性、電絕緣性、耐腐蝕、比重小等優(yōu)點(diǎn)，而且 FRP筋熱膨脹系數(shù)與混凝土的熱膨脹系數(shù)接近，用于混凝土結(jié)構(gòu)中，代替部分普通鋼筋，可以有效解決由鋼筋銹蝕引起的工程失效問題。碳纖維（CFRP）筋、玻璃纖維（GFRP）筋、芳綸纖維（AFRP）筋、玄武巖纖維（BFRP）筋等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋應(yīng)用于珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)，其全壽命周期成本較普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)[20]，可解決珊瑚砂混凝土在島礁工程應(yīng)用中面臨的高性能長(zhǎng)壽命問題。

研究人員[21]對(duì)比了鋼筋珊瑚砂混凝土和 CFRP筋珊瑚砂混凝土的抗彎性能，結(jié)果顯示，CFRP和珊瑚砂混凝土能可靠地協(xié)同工作，CFRP筋珊瑚砂混凝土梁具有較好的承載能力和變形能力。王磊等[22]開展了CFRP筋與珊瑚混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度研究，提出隨著CFRP筋直徑的增加，珊瑚砂混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度顯著減小。楊超[23]研究了BFRP筋與珊瑚砂混凝土的粘結(jié)性能，通過中心拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證了最大平均粘結(jié)應(yīng)力隨直徑與粘結(jié)長(zhǎng)度的增加顯著減小。金云東[24]也通過試驗(yàn)證明了BFRP筋與珊瑚砂混凝土具有良好的粘結(jié)性能，通過設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，珊瑚砂混凝土與BFRP筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度可以超過與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)BFRP筋珊瑚砂混凝土承載力較高，破壞時(shí)具有一定的脆性。李彪[25]通過抗彎性能試驗(yàn)對(duì)比研究指出，由于BFRP筋比CFRP筋具有更高的伸長(zhǎng)率，但是極限強(qiáng)度偏低。因此CFRP筋珊瑚砂混凝土梁開裂荷載與極限荷載均高于BFRP筋珊瑚砂混凝土梁，同時(shí)撓度偏低。

3 珊瑚砂混凝土改性技術(shù)研究

珊瑚砂強(qiáng)度較低的性質(zhì)決定了若不經(jīng)特殊處理難以用于 C35以上混凝土的配制[26]。利用纖維或礦物摻雜可有效提升珊瑚砂混凝土的性能，在珊瑚砂混凝土中摻雜聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和劍麻纖維等有助于控制水泥基體微裂縫的產(chǎn)生，減少混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中，有效防止裂縫的生成和擴(kuò)展。同時(shí)研究表明，纖維材料的添加能明顯降低珊瑚混凝土的脆性，增加韌性，可有效提升珊瑚砂混凝土的抗壓、抗拉和抗折性能[27-30]。為提升珊瑚砂混凝土耐久性，韋灼彬[31]通過對(duì)珊瑚粗骨料采用非飽和預(yù)濕處理，并摻雜偏高嶺土與粉煤灰的方式，改善珊瑚砂混凝土孔隙狀態(tài)，效果顯著。朱壽永[32]采用5%偏高嶺土、15%礦粉、15%粉煤灰分別以單摻、復(fù)摻和三摻形式加入珊瑚砂混凝土中進(jìn)行改性試驗(yàn)。結(jié)果表明，礦物摻合料能優(yōu)化水泥漿體的水化產(chǎn)物組成與亞微觀孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)漿體與骨料間的結(jié)合，通過不同的組合方式加入到珊瑚砂混凝土中，其 28天齡期抗壓強(qiáng)度提高17.7%～21%，氯離子滲透系數(shù)降低66.7%～71.0%，干燥收縮率降低36.7%～57.0%。彭自強(qiáng)[33]采用24%粉煤灰、70%礦渣和 6%堿激發(fā)劑組成的無機(jī)聚合物對(duì)珊瑚砂混凝土進(jìn)行改性，結(jié)果表明，同強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度可提高62%，拉壓強(qiáng)度比增加，靜力彈性模量也略有提高。針對(duì)珊瑚砂混凝土孔隙率大、骨料強(qiáng)度低、吸水率高的特點(diǎn)，郭曈[34]采用聚乙烯醇溶液對(duì)珊瑚砂骨料進(jìn)行強(qiáng)化改性處理，改性后的珊瑚砂表面形成致密的有機(jī)質(zhì)薄膜，使珊瑚砂孔隙率明顯降低，同時(shí)增加了與水泥的咬合強(qiáng)度。改性后珊瑚砂混凝土 7天齡期抗壓強(qiáng)度可提升 21%，28天齡期抗壓強(qiáng)度提升可達(dá) 16.85%。有研究表明[35]，劍麻纖維可以顯著提高珊瑚砂混凝土的抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度，改善珊瑚砂混凝土的脆性。摻入劍麻纖維的量不同，對(duì)珊瑚砂混凝土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響也不同。研究表明，提高珊瑚砂混凝土抗剪強(qiáng)度的最佳劍麻纖維摻量為4.5 kg/m3，提高珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度的最佳劍麻纖維摻量為3 kg/m3。由于水泥水化后產(chǎn)生的塊狀 Ca(OH)2在劍麻纖維的內(nèi)腔和孔隙內(nèi)結(jié)晶，使得劍麻纖維變脆、疏松，逐漸失去增強(qiáng)的作用，同時(shí)導(dǎo)致劍麻纖維與水泥漿體的界面粘結(jié)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致劍麻纖維增強(qiáng)珊瑚砂混凝土的耐久性下降。劉存鵬等[36]通過試驗(yàn)證明，采用 20%～30%的硅灰取代水泥能有效抑制劍麻纖維在珊瑚砂混凝土中的老化。利用珊瑚砂顆粒易膠結(jié)的特點(diǎn)，方祥位、歐益希等[37-39]通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)對(duì)松散珊瑚砂進(jìn)行固化，生成與珊瑚砂主要化學(xué)成分相同，同時(shí)具有較好的微觀結(jié)構(gòu)與粘結(jié)特性的碳酸鈣，該技術(shù)有望在島礁工程岸坡防護(hù)、砂質(zhì)地表加固等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 發(fā)展趨勢(shì)

采用珊瑚砂制備混凝土在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)具有較為廣泛的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究主要集中在耐久性、加強(qiáng)筋材料、改性技術(shù)等方面，隨著工程應(yīng)用的不斷深入，研究也將會(huì)向著以下幾個(gè)方面發(fā)展：與我國(guó)南海海域環(huán)境特征結(jié)合，開展珊瑚砂混凝土性能退化、損傷機(jī)理與預(yù)防、修復(fù)機(jī)制研究；針對(duì)珊瑚砂混凝土開展新型加強(qiáng)筋材料，改性、防護(hù)等技術(shù)研究，同時(shí)推動(dòng)新技術(shù)、新成果的工程應(yīng)用，有效提升珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；針對(duì)南海島礁現(xiàn)有工程，開展耐久性長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)檢測(cè)，為今后研究及工程提供可靠依據(jù)。

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