海砂海水混凝土材料及耐久性研究應用

安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001

海砂海水混凝土顧名思義，就是用海砂、海水代替普通混凝土中的砂子、水，從而節(jié)約淡水資源，減少環(huán)境污染。隨著我國海洋工程建設項目的增多，淡水和細骨料陸上運輸成本不斷提高，經(jīng)濟效益低，交通運輸不便。因此，對海砂海水混凝土的研究不但有利于普通混凝土材料研發(fā)[1]，而且對我國海洋工程建設具有戰(zhàn)略性意義。然而，目前對海砂海水混凝土的研究還處于探索的早期階段，有很多理論和實踐問題（如抗腐蝕問題）亟待研究和解決。

1 海砂海水混凝土的主要原材料

1.1 海砂

海砂為入海口與海洋周圍區(qū)域的砂料，在配置海砂海水混凝土時，不能直接使用海砂，而是需要先對其進行凈化，并且不能單獨使用海砂，需要和人工砂或者天然砂配合使用。此外，海砂不能直接被制備成預應力混凝土，因為海砂的水溶液含有過高濃度的氯離子，氯離子濃度應低于0.03%，否則就會對混凝土結構的耐久性帶來負面影響[2]，使鋼筋的銹蝕更嚴重。

1.2 其他原材料

海砂海水混凝土的制作需要使用普通硅酸鹽水泥，同時還需要確保該水泥的氯離子占比低于0.025%。另外還需要使用其他幾種摻合料，如粉煤灰、硅灰等[3]，既能解決工業(yè)廢渣的再利用問題，也能顯著提升混凝土的耐久性和抗?jié)B性。在海砂海水混凝土攪拌的過程中，應嚴格控制水體中氯離子的含量，即低于250mg/L。

2 海砂海水混凝土耐久性影響因素

混凝土結構耐久性實際上就是鋼筋與混凝土材料的耐久性[4]。材料的耐久性是指其處于相應的使用環(huán)境中時對諸多化學與物理作用進行抵御的能力?；炷帘砻嫱ǔＬ幱诳諝庵校坏┯龅捷^為惡劣的環(huán)境，就容易遭受各類有害物質(zhì)的侵蝕。此外，外部環(huán)境的溫濕度動態(tài)變化也會對其產(chǎn)生影響，使得混凝土出現(xiàn)裂縫，進一步導致鋼筋出現(xiàn)腐蝕，從而減小混凝土結構的承載力。

2.1 混凝土的碳化

混凝土碳化是指空氣中二氧化碳持續(xù)地滲入混凝土孔隙中，進而和其中的堿性物質(zhì)反應生成碳酸鈣，降低該孔隙中的堿度[5]。外部環(huán)境中的二氧化硫也會和混凝土中的堿性物質(zhì)進行反應，使堿度降低。雖然碳化不會對混凝土產(chǎn)生危害，但是容易導致混凝土內(nèi)部中的鋼筋銹蝕。由于堿性環(huán)境有助于使鋼筋表面形成氧化膜，能對鋼筋產(chǎn)生很好的保護作用。若鋼筋處于弱酸性環(huán)境，就容易破壞該氧化膜，引起鋼筋銹蝕，導致其周圍的混凝土出現(xiàn)拉應力，直到混凝土產(chǎn)生破壞。

2.2 氯離子侵蝕

如果水泥中含有較多的氯離子，那么就容易導致混凝土產(chǎn)生鋼筋腐蝕，進而影響到建筑物的使用年限和安全性能[6]?；炷两Y構中的鋼筋在銹蝕時，水分子會參與其腐蝕過程，在水分和氧氣的共同作用下，鋼筋表層中的鐵因為電子的喪失開始被逐步腐蝕。而且電化學反應的發(fā)生會激發(fā)更大程度的鋼筋腐蝕，此過程中也不會損失氯離子，使電化學反應得以持續(xù)，最終使鋼筋產(chǎn)生嚴重腐蝕。通常，混凝土中的氯離子占比不能大于0.2%。在氯化物環(huán)境中，鋼筋橫截面區(qū)域的橫向宏觀裂紋會出現(xiàn)顯著的坑蝕，明顯降低鋼筋的延展性與承載力以及強度。因此，為了避免鋼筋產(chǎn)生銹蝕問題，需要減小水膠比，使其密實度、抗?jié)B性能得到顯著增長，并進一步對氯離子占比進行科學控制，采用覆蓋層規(guī)避氯離子產(chǎn)生滲透問題。另外，還可以運用陰極保護機制對鋼筋進行科學保護。

2.3 硫酸根侵蝕

海砂海水混凝土不但容易受到氯離子影響，而且硫酸根離子也會不同程度上對其產(chǎn)生侵蝕效應[7]。海水中通常包含豐富的硫酸根離子，大多是以硫酸鎂的形式出現(xiàn)，它和混凝土孔隙中的鈣離子發(fā)生反應，由此產(chǎn)生氫氧化鎂、硫酸鈣沉積物。海水中硫酸根離子較多，化學反應進行得更徹底，這樣就會消耗豐富的氫氧化鈣溶液，于是混凝土的堿度就會隨之下降，使得水泥水化產(chǎn)物被分解，導致混凝土結構產(chǎn)生不同程度的破壞。另外，當混凝土受到硫酸根離子侵蝕時，會形成硫鋁酸鈣，這種物質(zhì)的體積會顯著膨脹，使混凝土的應力明顯增大，嚴重破壞混凝土的結構。

2.4 材料的質(zhì)量

鋼筋混凝土材料耐久性深受混凝土材料的影響，大量研究結果顯示，混凝土采用的水膠比大小會對混凝土質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。在混凝土澆筑成型之后，沒有參與水化反應的水分在蒸發(fā)效應下，會使水泥漿體與集料界面產(chǎn)生不同程度的微小裂縫，水膠比越高產(chǎn)生的微裂縫就越多，對材料的耐久性就會產(chǎn)生更大的影響。

2.5 混凝土的抗?jié)B性

混凝土的抗?jié)B性是混凝土在潮濕環(huán)境下對干濕交替作用進行抵抗的能力[8]。因為混凝土拌和物有離析泌水效應，在水泥漿體和集料區(qū)域會產(chǎn)生較為明顯的水分蒸發(fā)效應，進而產(chǎn)生一定數(shù)量的微裂縫，增大滲透性，對混凝土耐久性有著較大影響，所以要盡量減小水膠比，在混凝土拌和物中可以適度地增加摻合料，以增加混凝土的密實度。另外，還需要做到以下幾點：粗集料粒徑不能過大，細集料的表面需要保持清潔，充分沖洗干凈；科學地運用外加劑，如膨脹劑、減水劑等；在澆筑混凝土后注意加強養(yǎng)護，避免施工時產(chǎn)生干濕交替的作用。

2.6 混凝土的抗凍性

混凝土的抗凍性能是指在冷熱循環(huán)下對凍融交替效應進行抵御的能力?；炷林詴a(chǎn)生凍結破壞問題，是因為混凝土孔隙內(nèi)部的飽和水在結冰后產(chǎn)生了體積膨脹問題，進而破壞了混凝土結構?；炷量紫吨械乃跍囟冉抵?℃以下時開始凍結，體積開始膨脹，使混凝土中的應力增加。在應力的作用下，經(jīng)過多次的凍融循環(huán)，混凝土結構的裂縫會增多并逐漸發(fā)展，最終導致混凝土結構的破壞。因此，在具體施工環(huán)節(jié)，需要對水膠比進行科學控制，盡可能運用硅酸鹽水泥，適量地摻入減水劑、防凍劑等外加劑，以改善混凝土的抗凍性[9]。

3 工程應用

海砂海水混凝土已經(jīng)在很多重要工程中得以應用，在大跨度橋梁工程、海港建設工程中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，在工程經(jīng)濟合理、安全試用期、環(huán)境適用性等方面獲得了較為突出的成就。為了滿足成本利益、環(huán)保等方面的需求，海砂海水等相關材料呈現(xiàn)出典型的資源化趨向。

我國曾在海砂海水混凝土的應用方面遭遇了嚴重的失敗教訓。例如，在二十世紀七八十年代，由于當?shù)刭Y源較為匱乏，臺灣使用了較多沒有被嚴格處理的海砂，導致之后相當長的時間內(nèi)頻發(fā)“海砂屋”問題，這種建筑就是因為使用了不滿足使用條件的海砂，使混凝土結構中的鋼筋出現(xiàn)了銹蝕，甚至造成了房屋倒塌等嚴重危害。1999年臺灣發(fā)生地震，“海砂屋”的受損情況最為嚴重，造成了大量人員傷亡，這是我國應用海砂海水混凝土的一次慘痛教訓。

因此，完善海砂海水混凝土施工技術規(guī)范，采用優(yōu)良的建筑原材料和科學的施工方法，在海砂海水混凝土的應用中顯得尤為重要[10]。

4 結束語

海砂海水混凝土的研制打破了傳統(tǒng)混凝土的技術局限，緩解了對淡水和河砂的依賴。地球上的淡水資源和河砂資源非常有限，而海水資源和海砂比較豐富，海砂海水混凝土的研制充分地利用了自然界中的資源，有利于海砂海水建材資源化發(fā)展，能節(jié)約成本、保護環(huán)境，促進我國海港建設和島礁建設的發(fā)展。然而，海砂海水混凝土的應用依然有不少問題需要解決，其中硫酸鹽、氯化物等都容易導致混凝土結構中的鋼筋出現(xiàn)腐蝕，嚴重影響混凝土結構的耐久性，同時也對海砂海水在混凝土中的科學應用帶來了明顯的制約。因此，阻銹劑的開發(fā)和利用是廣大學者和從業(yè)者今后研究的重點，亦為今后較長時間內(nèi)混凝土技術重要的發(fā)展趨向。海砂海水混凝土的研究是混凝土發(fā)展歷程中極為重要的里程碑，未來海砂海水混凝土在海港等多方面建設領域?qū)玫礁鼜V泛的應用，獲得更好的經(jīng)濟技術效益。