全珊瑚海水混凝土的運(yùn)用

劉子寒　張值源　劉亦白　楊棋曾

關(guān)鍵詞：珊瑚；混凝土；實際運(yùn)用；產(chǎn)業(yè)前景

1概述

1.1政策背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家“一帶一路”倡議的推進(jìn)，以及陸地資源的日益匱乏，開發(fā)海洋資源對于我國未來的發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。但是由于我國南海島礁遠(yuǎn)離大陸，島上資源有限，而建筑裝修中主要起著支撐建筑物，連接建筑裝修中各建材、居室裝修、公路修造、橋面的打造等建設(shè)海島重要作用的傳統(tǒng)混凝土材料要從大陸運(yùn)來十分困難，若在海島就地生產(chǎn)傳統(tǒng)混凝土材料，生產(chǎn)原材料砂、石等材料若從大陸運(yùn)輸，又存在運(yùn)輸困難、成本高昂等問題。所以，如何“因地制宜”制作出符合島礁建設(shè)的新型混凝土，其中最重要的就是研發(fā)出新型全珊瑚海水混凝土。

雖然在海島中，我們能找到的砂石相關(guān)的材料是很少的，但是在海洋里，珊瑚礁的數(shù)量是眾多的，而且珊瑚礁的種類繁多，將珊瑚礁作為一種新型添加材料加入混凝土，將混凝土改造成為新型全珊瑚海水混凝土，按照一定的配比，制成一種新型混凝土。2014年，國家發(fā)展改革委出臺的《關(guān)于印發(fā)關(guān)鍵材料升級換代工程實施方案的通知》（發(fā)改高技[2014] 2360號）中明確提出，要大力發(fā)展島礁建設(shè)用新型建筑材料，支持南海島礁建設(shè)用海水拌養(yǎng)型混凝土產(chǎn)業(yè)化，珊瑚礁、砂集料海水拌養(yǎng)混凝土就地取材利用率大于75%，因此，珊瑚混凝土研究成為近年土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在現(xiàn)有的基礎(chǔ)研究中，研究珊瑚混凝土的力學(xué)性能的較多，但是其研究指標(biāo)還是比較局限，本項目通過探索各個方面珊瑚混凝土的不同，從而得出了很多各個方面的不同力學(xué)性能，這一點(diǎn)在之前的研究中很少能夠體現(xiàn)出來，這也說明了這將成為未來的研究方向，在微觀狀態(tài)下，我們所產(chǎn)生一系列的力學(xué)性能的多樣性是存在巨大差異的，這也是本文所探討的重點(diǎn)內(nèi)容。若仍采用現(xiàn)有普通混凝土的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力性能及本構(gòu)關(guān)系來進(jìn)行珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)分析，顯然是不科學(xué)不合理的。因此，非常有必要對珊瑚混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行更為深入、系統(tǒng)研究。

1.2珊瑚混凝土背景

混凝土是工程建設(shè)中常備建筑材料，而島礁工程遠(yuǎn)離大陸，建筑材料短缺，珊瑚材料拌和混凝土能夠較好地解決此問題。珊瑚混凝土中一般將破碎的礁灰?guī)r塊用作粗骨料，珊瑚砂作細(xì)骨料，用海水拌和。通過對拌和材料選擇、混凝土力學(xué)性質(zhì)、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土的強(qiáng)度較低，珊瑚骨料的強(qiáng)度決定混凝土強(qiáng)度，將耐海水腐蝕的纖維材料加入珊瑚混凝土中，能夠提高其張拉強(qiáng)度，使用硅酸水泥能獲得較好的混凝土強(qiáng)度和耐久性。目前對珊瑚混凝土的研究多局限于室內(nèi)試驗，對于現(xiàn)場工程實際運(yùn)用的研究比較少，應(yīng)加強(qiáng)其應(yīng)用技術(shù)及現(xiàn)場環(huán)境下強(qiáng)度和耐久性的研究。

2實際應(yīng)用

珊瑚混凝土的研究是基于島礁建設(shè)的需求日益迫切，島上砂石和淡水資源匱乏，遠(yuǎn)離祖國大陸，以及珊瑚、海水資源豐富等這樣的背景。在談到高強(qiáng)原理時，同時應(yīng)提到富漿混凝土理論、高性能混凝土原理、珊瑚骨料界面強(qiáng)化效應(yīng)以及珊瑚骨料的空隙填充效應(yīng)四個方面。在鋼筋銹蝕行為中，鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋有效截面減少，屈服強(qiáng)度降低，影響混凝土結(jié)構(gòu)安全。

本項目的新型混凝土可用于海島以下幾個方面的建設(shè)

2.1房屋建筑

房建是土木中核心的一個部分，與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，而珊瑚混凝土對房建所產(chǎn)生的巨大益處也是很多的。房屋建筑工程質(zhì)量安全性的質(zhì)量好壞將直接影響人們的生活質(zhì)量與整個社區(qū)環(huán)境的和諧安定。因此，深入研發(fā)高品質(zhì)建筑原料——新型混凝土，提高我國各類民用房屋建筑工程的建筑產(chǎn)品質(zhì)量和安全，是充分發(fā)揮其綜合社會效益作用和直接經(jīng)濟(jì)效益作用的最有效可行的技術(shù)途徑，對在推動我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展、改善我國人民群眾的居住生活質(zhì)量水平等各方面都有著極為廣泛的社會現(xiàn)實意義。

2.2市政路橋施工

市政就是指一個城市基礎(chǔ)設(shè)施的建造。主要是政府投資修建的一些設(shè)施，供廣大市民公用的。比如各種地下管線：雨水、污水、電力、電信、中水、給水、燃?xì)?、熱力等。在一些大型橋梁的建設(shè)中，珊瑚混凝土的使用價值也是很大的，即使是城市道路的建設(shè)，珊瑚混凝土也很有用途，它的適用范圍相當(dāng)廣泛，在不斷地驗證中，它可以在未來的市政路橋施工中發(fā)揮重大作用。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開交通，因此市政路橋的建設(shè)事業(yè)很重要，城市要“又快又好”的發(fā)展，就要努力發(fā)展橋梁以及公路工程建設(shè)項目。近年來城市化的速度不斷增加，就市政路橋工程化建設(shè)來說，各個城市的重視度都在不斷上升，在市政路橋施工項目中，混凝土材料技術(shù)屬于一個重點(diǎn)技術(shù)。

2.3特種專項工程施工

特種專項工程施工包括但不限于以下方面：

地基處理工程：對于軟土地基，強(qiáng)度和變形常常不能滿足要求，就采用不同的方法進(jìn)行處理，比如換填、注漿加固、打樁等，以此來加固地基，本項目產(chǎn)品漿液強(qiáng)度高、品質(zhì)好，加固效果更好，同時本項目輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土對于路面屬性的提升是十分明顯的。

礁球中使用的混凝土并不是我們市面中的普通混凝土，它是pH中性的海洋級混凝土。這種混凝土可以促進(jìn)珊瑚更好地生長，并且還有助于減少沿海的風(fēng)暴和颶風(fēng)造成的損害。

全珊瑚海水混凝土在復(fù)雜環(huán)境下的強(qiáng)度、耐久度等性能都有顯著優(yōu)勢，在各個特種專項施工中有廣闊的應(yīng)用前景。

3社會環(huán)境分析

“發(fā)展綠色建筑，促進(jìn)行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型”。我們知道“綠水青山就是金山銀山”的概念被全面深入貫徹到我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全過程，而其中就包括綠色建筑材料產(chǎn)業(yè)。這意味著全珊瑚混凝土的出現(xiàn)和改進(jìn)適合當(dāng)前社會環(huán)境的需要，它不僅可以充分利用南海島礁豐富的珊瑚礁資源，而且支持南海島礁建設(shè)用海水拌養(yǎng)型混凝土產(chǎn)業(yè)化。

但是，南海島礁珊瑚島礁距離大陸非常遠(yuǎn)，環(huán)境條件十分艱險，如果環(huán)境產(chǎn)生破壞，治理修護(hù)需要更大的精力，就需要因地制宜，利用島上隨處可見的天然礁沙資源以及島上豐富的天然海洋資源，可開發(fā)生產(chǎn)各種珊瑚海水混凝土，能夠充分適應(yīng)各類島礁開發(fā)建設(shè)需要和島礁之后建設(shè)運(yùn)維管理所需，有著巨大的開發(fā)研究價值和經(jīng)濟(jì)效益。

首先，南海島礁珊瑚礁資源豐富，島礁附近殘積大量的珊瑚碎屑，利用珊瑚礁資源就地取材生產(chǎn)混凝土成為可能。這對于無法得到充分利用的珊瑚碎屑具有極大意義。

其次，我國南海擁有東沙群島、西沙群島、中沙群島和南沙群島四大群島，廣闊的海域中散布著數(shù)百島礁。在南海的眾多島礁中，我國開發(fā)建設(shè)的一些島嶼，是十分具有價值的。近些年來，隨著我國綜合實力的大幅提升，國際地位逐步提高，對南海島礁的開發(fā)建設(shè)也隨之加強(qiáng)，使我國南海擁有更好的發(fā)展和價值潛力。南海的發(fā)展建設(shè)投資力度加大，意味著全珊瑚混凝土的市場正急需新興產(chǎn)業(yè)涌入。這對于帶動國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不可或缺。

最后，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展高度融合，全球呈現(xiàn)一體化發(fā)展趨勢，南海海域經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)一步提高，將為周邊國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更好的發(fā)展機(jī)會，南海島礁的開發(fā)建設(shè)就成為整個南海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這意味著，我們對南海島礁開發(fā)建設(shè)得越完善，將更好地彰顯我國形象，為南海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更好的支撐與服務(wù)，結(jié)合我國的經(jīng)濟(jì)策略將普惠周邊國家，惠及全世界。

以整個南海島礁建筑市場為導(dǎo)向，不拘泥于全珊瑚混凝土行業(yè)自身的發(fā)展現(xiàn)狀，從未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿蛯χ苓厖^(qū)域發(fā)展可能帶來的機(jī)遇進(jìn)行定位；全珊瑚混凝土具有極大優(yōu)越性，這個產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展?jié)摿艽?，并且該產(chǎn)業(yè)發(fā)展能夠帶動其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以提高居民居住生活質(zhì)量和綠色環(huán)保發(fā)展作為產(chǎn)業(yè)理念，建立具有公信力的品牌，并不斷提高自身技術(shù)發(fā)展，爭取做到能夠從南海島礁市場推廣到更大的市場，并且做到通過自身發(fā)展輻射帶動周邊發(fā)展。

南海海底地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在南海也有不少沙洲、暗礁、暗沙暗灘等，珊瑚和珊瑚碎屑的含量極其豐富，有著極大的產(chǎn)品原料優(yōu)勢。在該地區(qū)，對于混凝土需求量較大，而利用珊瑚及珊瑚碎屑制造的混凝土具有極大的地方優(yōu)勢。

珊瑚混凝土是指由珊瑚（砂）、水泥、外加劑和礦物摻合料等原材料按照一定的配合比制成的一種新型混凝土。珊瑚混凝土根據(jù)其構(gòu)成，主要可以分成三類：碎石珊瑚海水混凝土、河沙珊瑚海水混凝土以及全珊瑚海水混凝土。全珊瑚混凝土以珊瑚碎屑作為粗骨料，以珊瑚砂作為細(xì)骨料。珊瑚碎屑為珊瑚蟲死后的產(chǎn)物，其化學(xué)成分主要為碳酸鈣。相比其他建筑材料，珊瑚碎屑質(zhì)輕、多孔，屬于天然輕集料。我國擁有很長的海岸線，沿著海岸線依次有黃海、東海、南海，其中南海區(qū)域有東沙群島、西沙群島等。這些島嶼中存在有大量的珊瑚島礁，是我國開發(fā)海洋環(huán)境和權(quán)益保護(hù)的重要依托。在現(xiàn)有條件下對于珊瑚混凝土的使用也并非沒有，就現(xiàn)有的產(chǎn)品而言各有千秋，對于南海目前的發(fā)展而言，珊瑚混凝土的市場因技術(shù)還在研發(fā)當(dāng)中，也因此，市場的規(guī)模巨大。同時，通過一系列調(diào)查研究，深化了我國對海洋惡劣環(huán)境條件下珊瑚礁砂混凝土結(jié)構(gòu)服役性能的認(rèn)知，研究結(jié)果證實珊瑚礁砂含量超過50%，不使用外摻擠難以滿足國家島礁建設(shè)用新型建筑材料的技術(shù)要求，這一成果為珊瑚礁砂混凝土在國內(nèi)外推廣應(yīng)用提供了重要科技支撐。

4全珊瑚海水混凝土性能優(yōu)勢

珊瑚混凝土何以如此重要？在熱帶或亞熱帶地區(qū)，海洋中分布著很多的珊瑚島和珊瑚礁，這些島礁實際上都是由成千上萬的碳酸鈣組成的珊瑚蟲骨骼、在數(shù)千萬年的生長過程中不斷加厚、擴(kuò)大形成的。而這些珊瑚島礁被海水沖刷上岸的珊瑚碎屑為我國南海諸島的工程建設(shè)提供了一種新型建筑材料——珊瑚骨料。

同時，在遠(yuǎn)離陸地幾百甚至上千公里的海島，缺少砂石和淡水資源，“如果要從大陸運(yùn)輸建筑材料會大大推高工程造價，工期也很難保證”，余紅發(fā)告訴記者在不破壞珊瑚島礁自然生態(tài)系統(tǒng)的前提下，就地取材，利用當(dāng)?shù)刎S富的珊瑚礁砂和海水資源，可為島礁工程建設(shè)與維護(hù)制備出所需的全珊瑚海水混凝土，具有重要的科學(xué)意義和工程實用價值。

現(xiàn)有普通混凝土具有拉強(qiáng)度低、延展性不高、自重大且體積不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，現(xiàn)有的珊瑚混凝土也存在著技術(shù)尚未成熟、性能有待提升、產(chǎn)品特性不一等缺點(diǎn)，往往不能滿足客戶對一些工程項目的混凝土需求。而我們的全珊瑚混凝土因其便于取材、輕質(zhì)、強(qiáng)度高的優(yōu)良性能，可以給客戶提供更高品質(zhì)的混凝土產(chǎn)品。我們的產(chǎn)品主要優(yōu)勢如下：

（1）承壓能力好，強(qiáng)度高。全珊瑚混凝土以珊瑚碎屑作為粗骨料，以珊瑚砂作為細(xì)骨料，在此基礎(chǔ)上加入一定比例的纖維，增強(qiáng)混凝土各方面的力學(xué)特性，使其在海水中能夠承受更大的壓力和具備更高的強(qiáng)度。

（2）材質(zhì)相對較輕，便于運(yùn)輸，運(yùn)輸成本低。而全珊瑚混凝土中的主要原料珊瑚碎屑為珊瑚蟲死后的產(chǎn)物，其化學(xué)成分主要為碳酸鈣。相比其他建筑材料，珊瑚碎屑質(zhì)輕、多孔，屬于天然輕集料，便于運(yùn)輸，運(yùn)輸成本較低。

（3）原料來源廣，就地取材，因地制宜，成本較低。隨著資源越來越稀缺，原材料價格上漲過快，特別是黃砂，而且質(zhì)量比以往的有所下降。而我國海岸線較長，島嶼豐富，島嶼中存在大量的珊瑚島礁和珊瑚碎屑。因此，我們的珊瑚原料豐富，尚未被很好地開發(fā)和應(yīng)用，原料的成本較低。

（4）采用環(huán)保型原料，性能優(yōu)良的同時污染相對較小。全珊瑚混凝土原料主要為珊瑚碎屑，屬于天然輕集料，較為綠色、環(huán)保，有利于開發(fā)海洋資源和保護(hù)海洋環(huán)境。

5產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

建筑工程施工中，水泥是應(yīng)用最為普遍的材料之一，在各行各業(yè)都是常青樹。但是水泥在生產(chǎn)中投入的流動資金數(shù)量比較大，對公司來講是一項重要支出。很多中小企業(yè)在發(fā)展中承受的壓力因混凝土市場競爭性加大而隨之加大。水泥生產(chǎn)制造企業(yè)需要順應(yīng)時代發(fā)展潮流，積極采取對策，有效控制乃至降低水泥生產(chǎn)成本，確保企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益、社會效益的同時，實現(xiàn)企業(yè)良性發(fā)展。

一方面，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以通過優(yōu)化設(shè)備能耗以及攪拌工藝來降低碳排放，而運(yùn)輸環(huán)節(jié)的線路優(yōu)化以及新能源運(yùn)輸車普及也有著巨大的降碳潛力。

按《預(yù)拌混凝土單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的標(biāo)準(zhǔn)計算，如果將行業(yè)整體能耗等級由二級提升至一級水平，生產(chǎn)環(huán)節(jié)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)每年分別可降低二氧化碳排放約500萬噸和800萬噸。

另一方面，減少預(yù)拌混凝土使用量是更加直接的減碳途徑。倡導(dǎo)減少混凝土用量并不是讓行業(yè)停止發(fā)展，而是應(yīng)當(dāng)從追求量的擴(kuò)張轉(zhuǎn)向追求質(zhì)的提升。

預(yù)拌混凝土行業(yè)通過應(yīng)用高強(qiáng)混凝土，加強(qiáng)與設(shè)計單位的合作溝通，可以在保證建筑強(qiáng)度的前提下，減少設(shè)計和施工過程當(dāng)中的混凝土用量。高性能混凝土的推廣將通過延長混凝土結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命來減少資源用量和碳排放。

作者簡介：劉子寒（2002— ），男，漢族，遼寧錦州人，本科在讀，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。