基于WOS數(shù)據(jù)庫(kù)的海水海砂混凝土研究分析★

黃學(xué)開，于建軍，高健美，李 勇，李珊珊,2

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050000； 2.中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000)

1 概述

淡水和細(xì)砂一直都是混凝土制作的兩種重要原材料，但隨著多年來(lái)地消耗，淡水河砂已經(jīng)呈現(xiàn)出匱乏的趨勢(shì)。為解決資源儲(chǔ)備不足的問題，海水海砂作為新材料開始走入人們視線。相比之下，海水海砂具有儲(chǔ)存量大、易就地取材等優(yōu)勢(shì)。但海水海砂中含有大量的氯離子、硫酸根離子等帶有侵蝕危害的物質(zhì)，容易對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生破壞。據(jù)報(bào)道顯示，早在2003年里，寧波市一年的建筑用砂中有80%為海砂，其中使用的未淡化的海砂所占比例高達(dá)65%，其對(duì)城市的建筑物質(zhì)量造成巨大危害[1-2]。故在進(jìn)行海水海砂對(duì)淡水河砂的替代應(yīng)用之前，應(yīng)更加深入全面地研究海水海砂對(duì)混凝土各方面性能的影響規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)SWSSC在實(shí)際工程應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)。

2 文獻(xiàn)計(jì)量檢索及研究方向

本文在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中，輸入關(guān)鍵字“Sea sand concrete”(“海水海砂混凝土”)。由于本關(guān)鍵詞不存在關(guān)鍵詞分歧的問題，故不再需要增加關(guān)鍵詞，來(lái)提升其準(zhǔn)確性。將所檢索到的文獻(xiàn)導(dǎo)入到可視化工具VOSviewer中，本文對(duì)檢索文獻(xiàn)各主要研究方向的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(如圖1所示)。由圖1可見，近年來(lái)研究的熱點(diǎn)緊緊圍繞在SWSSC使用性能中在不同環(huán)境條件下的耐久性問題。

3 海水海砂混凝土的工作性能研究進(jìn)展

經(jīng)研究表明，海水海砂對(duì)混凝土工作性能的影響主要體現(xiàn)在初凝時(shí)間、流動(dòng)性與坍落度三個(gè)方面。Etxeberria等[3]研究表明，以海水為原料的混凝土相較于淡水?dāng)嚢璧幕炷脸跄龝r(shí)間減少30%。Safi等[4]通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，海水海砂的流動(dòng)性隨著海砂中貝殼類物質(zhì)含量的增加而降低。Younis等[5]研究發(fā)現(xiàn)水膠比相同時(shí)，海水混凝土相比淡水混凝土坍落度降低了20%。陳人云[6]研究表明SWSSC的坍落度隨氯鹽和貝殼含量的增加而減小。

盡管目前對(duì)SWSSC的工作性能進(jìn)行了大量的研究分析，可在研究結(jié)論上始終存在著一定的分歧，但研究的重心始終圍繞在其力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性問題分析。

3.1 海水和海砂混凝土力學(xué)性能的研究

在SWSSC的早期強(qiáng)度研究上，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為海水海砂地加入會(huì)提升混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。郭東等[7]研究了海水和珊瑚礁對(duì)混凝土的影響，研究發(fā)現(xiàn)其早期強(qiáng)度發(fā)展較快，但后期逐漸減慢，最終的抗折與抗劈裂強(qiáng)度與普通混凝土相差不大。李田雨等[8]研究表明相比淡水河砂混凝土，海水和海砂地使用可以使水泥水化更充分，從而使混凝土早期強(qiáng)度提高。然而在SWSSC的長(zhǎng)期強(qiáng)度方面，一直存在較多的爭(zhēng)議。秦斌[9]研究發(fā)現(xiàn)，海水和海砂對(duì)基體的阻礙作用幾乎可以忽略不計(jì)，混凝土整體的力學(xué)性能與普通混凝土沒有明顯的差異。Xiao等[10]的研究結(jié)果表明，SWSSC甚至表現(xiàn)出更佳的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。陳振等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在膠凝材料中摻入活性粉末且采用高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到140 MPa,明顯高于SWSSC和普通混凝土。

筆者認(rèn)為研究結(jié)果上產(chǎn)生的差異可能與研究環(huán)境和試驗(yàn)材料的差異有關(guān)，研究人員要正確面對(duì)研究結(jié)論上產(chǎn)生的差異，用更多具有代表性和說(shuō)服力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)證明SWSSC性能的優(yōu)劣。

3.2 加入纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)后海水海砂混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)展

李川川[12]證明了鋼纖維不僅能夠提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，還能提高混凝土的延性，降低高荷載下大變形構(gòu)件的破壞幾率。Huang等[13]探討了利用海水海砂生產(chǎn)高強(qiáng)度工程水泥基復(fù)合材料的可行性，研究了海砂粒度、纖維長(zhǎng)度和纖維體積摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明增加纖維(聚乙烯纖維)的長(zhǎng)度和用量可提高拉伸應(yīng)變能力。Li[14]進(jìn)行了海水海砂鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)少量的鋼纖維(體積摻量為1.5%以下)對(duì)SWSSC的抗拉強(qiáng)度有明顯的提升效果。

綜上可見，F(xiàn)RP對(duì)SWSSC的性能可能存在提升的效果，筆者認(rèn)為未來(lái)會(huì)有更多優(yōu)質(zhì)的FRP被應(yīng)用到SWSSC中，研究人員可在多方面進(jìn)行探索試驗(yàn)。如多種纖維的混雜、纖維的各項(xiàng)基本指標(biāo)的改良和纖維使用方法的開發(fā)等，都具有一定的研究意義和工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，針對(duì)各種纖維的材料特性的不同，可充分利用各種纖維的優(yōu)勢(shì)對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行增強(qiáng)作用。

4 海水海砂混凝土在環(huán)境條件下的耐久性研究進(jìn)展

SWSSC在環(huán)境條件下的耐久性問題是實(shí)現(xiàn)SWSSC應(yīng)用實(shí)際工程的阻礙所在，本文將重點(diǎn)分析SWSSC自身耐久性問題和SWSSC在堿性環(huán)境(如海水)下的耐久性問題，旨在通過(guò)分析其影響機(jī)理，對(duì)問題的解決起到促進(jìn)的作用。

4.1 海水海砂混凝土自身耐久性研究

處在常規(guī)條件下SWSSC的耐久性主要受自身氯離子和硫酸根離子的侵蝕，其中氯離子侵蝕產(chǎn)生的危害更大。當(dāng)混凝土中氯離子的含量較多時(shí)，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的使用性能和安全性產(chǎn)生影響。其對(duì)鋼筋的銹蝕機(jī)理主要分為以下幾個(gè)方面[15]:1)破壞鈍化膜;2)形成“腐蝕電池”;3)陽(yáng)極去極化作用;4)導(dǎo)電作用(如圖2所示)。

針對(duì)鋼筋腐蝕問題，其現(xiàn)有的解決辦法主要分為兩大類，即添加新型復(fù)合腐蝕劑和用FRP筋替代傳統(tǒng)鋼筋。新型復(fù)合腐蝕劑的作用機(jī)理是通過(guò)化學(xué)緩沖來(lái)提高氯化物閾值和在腐蝕發(fā)生時(shí)降低腐蝕的速率，該方法可以有效減緩腐蝕的發(fā)生，但并未從源頭解決問題。而FRP筋完全替代鋼筋可以有效地避免鋼筋腐蝕問題，雖然此技術(shù)還沒有達(dá)到成熟的地步，但可為SWSSC耐久性研究提供一個(gè)方向。

4.2 海水海砂混凝土在堿性環(huán)境下的研究

SWSSC作為海洋強(qiáng)國(guó)和遠(yuǎn)海開發(fā)戰(zhàn)略的研究項(xiàng)目，其實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境離不開海洋中海水的侵蝕。近年來(lái)，許多的研究人員開始考慮FRP和SWSSC的有機(jī)組合，以此來(lái)改善SWSSC的耐久性。然而， 隨著實(shí)際環(huán)境長(zhǎng)期的侵蝕 FRP也會(huì)逐漸發(fā)生降解，進(jìn)而會(huì)對(duì)SWSSC的使用性能產(chǎn)生影響。鑒于此，本文選取了兩個(gè)具有前沿性的研究難題，即海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環(huán)境中的降解和FRP管與SWSSC在海水條件下的黏結(jié)性能做出了重點(diǎn)分析。

4.2.1 海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環(huán)境中的降解機(jī)理分析

當(dāng)纖維纏繞海水海砂鋼管時(shí)，其可為SWSSC提供很好的保護(hù)作用，同時(shí)也將直接暴露在海水等堿性環(huán)境中。纖維在堿性環(huán)境的降解機(jī)理包括樹脂基體的劣化、纖維的損傷和纖維/樹脂界面的弱化。其中，樹脂基體降解引起的損傷類型包括溶脹、分層、塑化、開裂和堿性水解，這些損傷可能是由于水分吸收或化學(xué)擴(kuò)散引起。在現(xiàn)有研究中，碳纖維表現(xiàn)出較好的耐化學(xué)腐蝕性,而在其他FRP中，基體滲透開裂、分層和界面脫黏是導(dǎo)致纖維/樹脂界面劣化的主要原因。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，纖維中腐蝕殼的存在對(duì)纖維的危害巨大。纖維在堿性環(huán)境中形成腐蝕殼的主要原因是纖維中的硅酸鹽與堿離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致纖維網(wǎng)絡(luò)破壞并逐漸溶解。腐蝕殼的形成是發(fā)生降解反應(yīng)的初始(如式(1)所示)，隨后發(fā)生的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)的破壞和逐漸溶解過(guò)程如式(2)所示[16],解釋了纖維形成腐蝕殼后的破壞機(jī)理。

≡Si-OR+(H++OH-)→Si-OH+ROH

(1)

≡Si-O-Si≡+(R++OH-)→≡Si-OH+RO-Si

(2)

4.2.2 FRP管與海水海砂混凝土在海水條件下的黏結(jié)性能機(jī)制分析

FRP材料與SWSSC在海水條件下的黏結(jié)性能與FRP材料的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，而目前常見的FRP管和混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度主要是通過(guò)摩擦阻力與化學(xué)黏附來(lái)控制，尤其是在化學(xué)黏結(jié)斷裂后僅通過(guò)摩擦阻力來(lái)控制。不同階段的黏結(jié)強(qiáng)度可用式(3)～式(5)來(lái)計(jì)算(τ,μs,μk,q,C分別表示黏結(jié)應(yīng)力、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、表面之間的法向應(yīng)力和化學(xué)黏結(jié)應(yīng)力)。式(3)用于計(jì)算化學(xué)鍵斷裂前的鍵強(qiáng)度，式(4)用于計(jì)算化學(xué)鍵斷裂后和滑動(dòng)起始前的鍵強(qiáng)度，最終用式(5)計(jì)算獲得滑動(dòng)起始后的鍵強(qiáng)度[17]。

τ=μs+C

(3)

τ=μsq

(4)

τ=μkq

(5)

4.3 研究難題解決辦法的提出

4.3.1 海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環(huán)境中的降解問題的解決方法

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，選擇具有多個(gè)不同纖維取向的碳纖維纏繞玻璃鋼管，其會(huì)表現(xiàn)出較好的堿性環(huán)境中的耐久性。碳纖維由于其高強(qiáng)度耐腐蝕的材料特點(diǎn)，即使長(zhǎng)期暴露在堿性環(huán)境下，幾乎不會(huì)發(fā)生明顯的界面退化和纖維損傷，同時(shí)還可為SWSSC提供長(zhǎng)期的環(huán)向強(qiáng)度。除此之外，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面也是解決問題的關(guān)鍵。

1)改變纖維的長(zhǎng)細(xì)比，降低纖維在受力和環(huán)境條件下的損傷。

2)改善樹脂基體的環(huán)境，通過(guò)增加保護(hù)膜，降低條件環(huán)境對(duì)樹脂基體的影響，減少劣化反應(yīng)。

3)在混凝土配比中增加密實(shí)劑，減少混凝土中的孔隙數(shù)量，提高密實(shí)度。

4.3.2 海水條件下混凝土與FRP管材的界面黏結(jié)問題解決辦法的提出

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)管具有最大的黏結(jié)強(qiáng)度，不考慮成本因素時(shí)，是FRP材料的首選。當(dāng)提供的約束足夠時(shí)，降低管直徑與管厚的比值(D/t)可顯著提升黏結(jié)強(qiáng)度，而對(duì)于實(shí)際約束較低的拉擠FRP管，使用較厚的管可能不會(huì)對(duì)黏強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)纖維的取向?qū)︷そY(jié)能力有著一定的影響，不同纖維取向之間存在著較大的差異，具有89°纖維的纖維纏繞管(如果提供足夠的軸向強(qiáng)度)表現(xiàn)出最佳性能，而拉擠FRP管(0°纖維)表現(xiàn)出最弱的性能。綜上，即選取89°纖維的碳纖維纏繞管和基體表現(xiàn)出最佳的黏結(jié)性能。

綜合學(xué)者們研究可知，海水滲透所導(dǎo)致的管內(nèi)膨脹是造成混凝土與FRP管材發(fā)生破壞的重要原因，使其增加了混凝土和管之間的聯(lián)鎖，從而增加摩擦阻力，降低了管的承載力。管與混凝土之間的摩擦系數(shù)增大，管的承載力降低，導(dǎo)致混凝土滑移，管表面破碎。鑒于此，筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下三個(gè)方面嘗試解決問題。

1)通過(guò)調(diào)節(jié)海砂的細(xì)度分布和細(xì)度模數(shù)，來(lái)減小管材與混凝土之間的摩擦力。

2)在FRP管材的表面和與SWSSC的接觸面添加防水材料，來(lái)降低海水的滲透效率。

3)在FRP管材與SWSSC的接觸面添加隔離物，可以降低兩者的聯(lián)鎖反應(yīng)，降低摩擦阻力。

5 結(jié)論與展望

目前，盡管在提升SWSSC耐久性研究上已經(jīng)取得了一些成就，但還達(dá)不到在實(shí)際工程應(yīng)用的水平，筆者認(rèn)為今后的研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入。

1)優(yōu)化SWSSC的配合比和優(yōu)質(zhì)礦物摻合料地加入去提升SWSSC的耐久性。

2)充分利用FRP的高耐腐蝕性，結(jié)合目前提出的SWSSC與纖維纏繞鋼管的結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)更加有效具有保護(hù)作用的新的結(jié)構(gòu)組合形式。

3)實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)分析其內(nèi)部微觀的腐蝕機(jī)理，提高具有針對(duì)性的解決辦法。

4)海洋環(huán)境中應(yīng)用的混凝土建筑物所處的實(shí)際環(huán)境多是復(fù)雜多變的，在條件允許的情況下，應(yīng)著重研究真實(shí)環(huán)境下多因素耦合對(duì)SWSSC耐久性的影響。