珊瑚混凝土力學性能研究進展

　　摘 要: 珊瑚混凝土的推廣很大程度上緩解了南海島礁建設原材料匱乏的壓力。總結了珊瑚混凝土靜/動態力學性能、耐久性及影響因素和改性研究等方面成果。最后對于珊瑚混凝土的研究與應用前景展開討論，提出珊瑚骨料本身的改性增強、特殊筋材與珊瑚混凝土共同工作性能以及工程結構受風浪動荷載、偶然荷載等作用下的穩定性研究是進一步探索的重點。

　　關鍵詞: 珊瑚混凝土; 靜/動態力學特性; 耐久性; 改性研究

　　周聰; 劉基程; 張俊男; 劉華超， 山西建筑 發表時間：2021-11-25

　　南海及南海諸島位于我國大陸南方，地處西太平洋與印度洋航道要沖，是我國同世界各國交流貿易的咽喉要道。近年來，菲律賓、越南等其他周邊國家非法侵占我國南海島礁( 中業島、彈丸礁、南威島等) ，其事關國家安全與穩定。因此，我國不得不加快推進南海島礁工程建設，維護我國海洋合法權益。混凝土材料是工程建設的主要材料，但南海島礁遠離大陸，傳統砂石骨料及淡水資源匱乏，倘若所有建筑原材料均從大陸運輸，不僅運輸成本高昂，而且施工進度無法得到保證[1 - 2]。二戰時期，美國率先于塞班島、關島等太平洋海島上利用珊瑚礁石及海水資源制備混凝土以替代普通混凝土在海防工程建設中的地位，大量修建機場跑道、公路以及重要建筑，緩解了海島建筑原材料匱乏等問題[3 - 4]。自此，包括中國在內的許多海洋權益國家對珊瑚混凝土在海洋工程中的推廣應用達成了共識，先后開展了海水拌養珊瑚混凝土的力學特性試驗研究，珊瑚混凝土逐漸成為島礁工程建設 主 要 承 載 體 和 建 筑 材 料 來 源 之 一[5 - 7]。本文總結了珊瑚 混 凝 土 靜 /動 態 力 學 特 性、耐 久 性 及 力 學改性研究等方面成果，為島礁工程建設提供了較為深遠的技術支撐與應用價值。

　　1 珊瑚混凝土基本物理力學特性

　　1. 1 珊瑚混凝土制備及基本物理性質

　　珊瑚混凝土是指利用海島島礁附近的珊瑚礁砂作為混凝土粗、細骨料，并與水泥凝膠體、礦物摻合料、水和外加劑攪拌澆筑養護而成的復合型材料。珊瑚礁石是珊瑚蟲死亡后長時間沉積而形成的，主要分布在熱帶海洋中，多以文石和方解石形式存在，其主要化學成分為碳酸鈣且表面附有大量氯離子，一般呈現出層狀或籠狀結構[8 - 9]。珊瑚砂單顆粒抗壓強度低但具有明顯的應變率效應[10]。珊瑚骨料的 XRD 譜見圖 1。研究表明，珊瑚混凝土力學特性基本滿足島礁工程中普通建筑及構筑物施工要求，珊瑚混凝土的表觀密度在 1 950 kg /m3 ～ 2 500 kg /m3 ，縱 波 波 速 約 為 3 600 m/s ～4 900 m/s，橫波波速為 1 400 m/s ～ 2 500 m/s。

　　1. 2 珊瑚混凝土基本力學性能及影響因素

　　珊瑚混凝土抗壓強度范圍一般是 30 MPa ～ 50 MPa 之間，其彈性模量介于普通混凝土與輕骨料混凝土之間，約為 23 GPa ～ 37 GPa，泊松比在 0. 23 ～ 0. 26 范圍內[11 - 13]。此外，如圖 2 所示，珊瑚混凝土具有明顯的早強特性，7 d 齡期抗壓強度可達到 28 d 強度的 80% ，后期強度增長速度趨緩。一方面是因為珊瑚骨料在攪拌階段吸水，而養護階段返水，這種“微泵效應”可以促使混凝土的 “內養護”作用更明顯，混凝土內部發生二次水化作用，使得珊瑚混凝土早期強度增長較快; 另一方面，珊瑚骨料及海水中含有高濃度的氯離子，而氯鹽離子對珊瑚混凝土的早期強度發展可以起到促進作用[14 - 18]( 見圖 3) 。

　　珊瑚混凝土的劈裂強度、軸心抗壓強度、抗折強度與立方體抗壓強度之間近似呈線性相關關系[19 - 20]。其整體抗壓強度主要與水泥砂漿強度、珊瑚骨料強度以及骨料與水泥砂漿界面過渡區黏結強度有關[21]。一般地，珊瑚骨料自身強度低且易破碎，而其表面含有大量微孔隙結構，水泥砂漿能夠更好地嵌入珊瑚骨料內部，界面過渡區黏結強度高于骨料強度; 此外，水泥砂漿強度一般均高于珊瑚骨料強度，因此混凝土內部破壞通常由珊瑚骨料開始，沿“強度薄弱面”發生破壞，脆性特征顯著[22]。因此，珊瑚混凝土整體強度主要受限于珊瑚骨料強度，優質珊瑚骨料( 盡量避免使用枝棒狀以及鹿角狀珊瑚骨料) 能夠有效改善珊瑚混凝土的力學性能。

　　此外，水灰比的大小會直接影響珊瑚混凝土的強度，其范圍一般在 0. 4 ～ 0. 6 之間。鑒于珊瑚骨料的強吸水性，倒入拌合料之后可以進行分批次加水，防止在攪拌的過程中出現泌水或者分層離析的現象[23]。水泥品種、砂率、礦物摻合料、拌合水以及養護方式等同樣對珊瑚混凝土的力學特性有一定程度的影響[24 - 26]。研究發現，體積摻量為 20% ～ 30% 的硅灰等礦物摻合料可有效提高珊瑚混凝土的抗壓強度以及劈裂抗拉強度，主要是歸因于物理和化學兩方面: 一方面，硅灰憑借其細小的顆粒結構能夠深入珊瑚骨料的孔隙結構中，改善了珊瑚骨料的原生孔隙缺陷，另一方面硅灰能與水泥凝膠體充分發生水化反應，使得水泥漿體滲入珊瑚骨料孔隙，界面黏結性能更好。

　　2 耐久性

　　2. 1 氯離子侵蝕

　　如圖 4 所 示，珊瑚混凝土結構服役 于熱帶海洋濕熱環境中，飽受海 水 沖 刷，風 浪 侵 蝕 等 威 脅，而 珊 瑚 骨料以及海水中含 有 大 量 氯 離 子，極易導致混凝土保護層開裂、剝落以及 內 部 鋼 筋 外 露、銹 蝕 等 后 果，從 而 嚴重削減了珊瑚混 凝 土 結 構 承 載 力，因此珊瑚混凝土結構的耐久性影 響 不 容 忽 視。在 同 一 服 役 環 境 中，相 較于普通混凝土，珊瑚混凝土表面自由氯離子含量約高 13 倍 ～ 28 倍[27 - 28]。

　　2. 2 混凝土碳化

　　混凝土碳化作用是指環境中的 CO2 氣體通過混凝土微孔隙進入混凝土內并與水化產物 Ca( OH) 2、水化酸鈣等反應生成非溶解性鹽( CaCO3 ) ，此化學反應過程是混凝土( 堿性材料) pH 值降低的過程，也可稱之為混凝土中性化，同樣會對混凝土耐久性產生嚴重的影響( 如圖 5 所示) 。碳化作用產生的非溶解性鹽相較于水化產物體積膨脹，微觀上改變了混凝土孔隙結構，進而影響混凝土的強度及耐久性; 宏觀上表現為混凝土膨脹、剝落、鋼筋銹蝕，服役壽命縮短等特征[29]。在海洋環境中，混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用對結構耐久性將造成極大威脅，混凝土內部氯離子含量與碳化 程 度 呈 正 相 關 關 系，因 此 碳 化 將 加 劇 鋼 筋 的 銹蝕[30 - 31]。

　　3 珊瑚混凝土改性研究

　　3. 1 強度的提升

　　一直以來，許多學者都在開展珊瑚混凝土改性試驗研究，其中強度、韌性指標是島礁防護工程的關注重點。鑒于珊瑚骨料孔隙率大，采用礦渣、粉煤灰[32]或者硅灰等細小礦物摻合料對顆粒孔隙結構進行填充，并在孔隙內與水泥凝膠體及其水化產物 Ca( OH) 2 反應，改善骨料與水泥基體間的結構特征，提高兩者之間的黏結性能，進而改善珊瑚混凝土整體強度。劍麻纖維、碳纖維等也能夠有效改良珊瑚混凝土的力學性能( 見表 1) ，主要是因為混凝土硬化后，纖維材料在水泥砂漿之間起拉結作用，延緩了混凝土內部微裂縫的萌生和擴展，表現為阻裂特征，故強度與韌性均得到一定程度的提高，但纖維摻量存在最優值，過量纖維材料不易分散均勻，纏雜成團的纖維反而易與水泥漿體形成界面薄弱區，從而導致珊瑚混凝土力學性能得不到提升。因此，纖維改性存在一個最優摻量值，使得改性珊瑚混凝土力學性能發揮到極致。

　　3. 2 耐久性改良

　　珊瑚混凝土孔隙率大，氯離子以及 CO2 氣體擴散系數較大，氯離子侵蝕與混凝土碳化聯合作用導致珊瑚混凝土耐久性差，一般表現為混凝土剝落，鋼筋銹蝕等現象。為減緩氯離子的擴散速度，可適當增加混凝土保護層厚度，并在施工時適當增加攪拌時間并且加強振搗，能夠有效提高混凝土密實度以及抗滲性能。通過極化電阻法對鋼筋銹蝕程度定量監測，研究發現海防工程珊瑚混凝土結構保護層厚度設計至少為 55 mm，強度等級至少為 C50。此外，相較于普通硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽水泥對于改善混凝土抗滲性能效果更好，大幅減小了氯離子擴散速度。適當降低水灰比，增加堿性物質儲備即水化產物含量，同樣有利于減緩碳化作用，進而提高混凝土結構的耐久性。另外，涂層鋼筋、纖維筋及復合筋等特殊筋材的研發也在一定程度上彌補了珊瑚混凝土結構耐久性差的缺陷，其中有機涂層鋼筋防銹性價比最優; 在結構外表面增添附加防護措施( 防腐蝕涂層等) 也同樣能夠延長珊瑚混凝土結構的服役壽命。

　　4 動態力學特性

　　與準靜態條件相比，混凝土類材料在高速沖擊條件下展現出的力學特性存在明顯區別，混凝土的動態強度、破壞應變、能量演化以及破壞模式等均隨著應變率的變化而變化。全珊瑚混凝土在分離式霍普金森壓桿高速沖擊壓縮條件下，應變率范圍在 101 ～ 103 之間，抗壓強度及動態強度增長因子( DIF) 均隨著應變率的增加而增加，這主要是因為試樣在高速沖擊條件下微裂紋開展滯后于試樣整體變形，從而動態壓縮強度表現為應變率效應; 并且應變率越大，輸入能量越大，試樣的吸收能也越大，試樣的破碎程度也越高[39]。吳彰鈺等[40]和 Ma H 等[41]分別對強度等級為 C45 和 C75 的珊瑚混凝土動態壓縮力學特性進行了試驗研究，發現普通和高強珊瑚混凝土的動態壓縮強度與 DIF 值均表現出明顯的應變率正相關性，并通過 LS - DYNA 模擬得到試樣的動態應力 - 應變曲線以及破壞形態，模擬研究與試驗結果相吻合( 見圖 6，圖 7) 。此外，劍麻纖維的摻入與堿式硫酸鎂水泥都可以明顯改善珊瑚混凝土的動態力學性能、阻裂性能以及韌性指標[42 - 43]; 珊瑚混凝土在沖擊錘沖擊作用下表現出了顯著的脆性特征，而纖維的摻入能夠有效提高珊瑚混凝土抗沖擊性能以及韌性指標[44]。珊瑚混凝土的動態抗壓強度同樣具備顯著的尺寸效應，可表示為冪函數形式，因此考慮應變率效應與尺寸效應的耦合作用對珊瑚混凝土的力學性能的預測評估具有較為深遠的工程意義[45]。

　　5 展望

　　目前，珊瑚混凝土基礎理論研究還存在許多不足之處，有待從以下幾方面開展深入研究:

　　1) 目前，珊瑚混凝土的改性研究一般基于水泥膠凝材料，各類纖維摻量及外加劑等方面，而未曾從珊瑚骨料的改良方面著手。因此，考慮利用鈣質材料對珊瑚骨料進行顆粒填充，改善骨料孔隙結構，從而達到改善珊瑚混凝土整體強度的目的，是一個值得深入研究的方向。

　　2) 極端海洋環境中，纖維聚合筋材雖然能夠緩解珊瑚混凝土中鋼筋的銹蝕引發的承載力削弱等問題，但其與珊瑚混凝土之間的黏結性能及影響因素還有待進一步探索。

　　3) 鑒于結構服役的特殊性，珊瑚混凝土豎向及水平構件亟需對海浪沖刷侵蝕、地震海嘯作用甚至偶然爆炸作用等荷載條件下的動態力學特性開展深入研究。

　　4) 鑒于珊瑚混凝土顯著的早強特性，可用來實現島礁防護工程結構以及構筑掩體的快速建設與搶修工程。