珊瑚砂混凝土耐久性及應用技術研究進展

張彭輝，侯健，郭為民

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266101）

南海島礁高溫、高濕、高鹽霧，自然環境惡劣，建筑用鋼筋混凝土材料受自然環境影響，耐久性問題突出，嚴重制約著我國對南海的大規模開發建設。隨著我國經濟發展的不斷提速，國家對島礁資源開發的重視程度日趨增加，島礁基礎設施建設需求愈加迫切。然而南海諸島距大陸較遠，交通不便，且施工資源十分有限。在不破壞生態前提下，因地制宜地以珊瑚砂替代常規骨料制備混凝土，可減少原材料轉運周期、降低支出成本、提高建設效率，具有較為廣闊的應用前景。

1 珊瑚砂混凝土耐久性研究

美國是最早研究和利用珊瑚砂混凝土的國家，美國軍方土木工程標準《Unified Facilities Criteria-Tropical Engineering》中指出：在混凝土中常規骨料短缺的情況下，可使用珊瑚作為骨料制備混凝土[1]。第二次世界大戰期間，美國在西太平洋的中途島（Midway）、夸賈林環礁（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）和關島（Guam）等海島上大量使用珊瑚砂混凝土修建機場、公路和建筑物[1-4]。針對珊瑚砂混凝土工程耐久性及其影響因素，國內外學者開展了調研工作，Rick A E[5]對太平洋比基尼島上的三座珊瑚混凝土建筑物進行了考察，指出珊瑚砂混凝土的強度能達到工程結構的需要。當水灰比在0.55～0.6，坍落度為7.62 cm，粗骨料占51%～54%，細骨料占46%～49%情況下，制得的珊瑚砂混凝土28天的抗壓強度可達到20.7MPa。由于珊瑚砂混凝土孔隙率較大，其內部結構鋼筋銹蝕比較嚴重。通常認為，影響珊瑚砂混凝土耐久性的主要因素是氯離子含量、混凝土保護層厚度和建筑結構正常使用狀態下的裂縫寬度[6]。國內達波等研究人員[6-7]通過對我國南海島礁珊瑚砂混凝土結構的現場調研與測試，指出其主要破壞特征為混凝土保護層脹裂、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散滲透能力，加強迎風面混凝土結構的附加防護，并提高其密實度，能延長其結構的使用壽命。余強[8]通過對西沙某島珊瑚砂混凝土性能調研，將混凝土結構物面臨的問題歸納為：長期高溫下強度的發展，干濕交替區混凝土表面開裂，鹽的腐蝕，強紫外線輻射使混凝土表面老化、開裂、強度降低以及臺風、海浪的沖刷等。吳文娟[9]通過對南海現役珊瑚砂混凝土結構物進行調查分析表明，長期暴露于高溫、高濕、鹽霧環境中的珊瑚砂混凝土孔隙率明顯增大，C—S—H，Ca(OH)2流失嚴重，Mg(OH)2等無膠結作用的生成物增多，導致混凝土的質量、強度的損失嚴重。

力學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珊瑚砂混凝土的力學性能開展了研究。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，其自身強度較低，因此珊瑚砂混凝土的強度主要取決于水泥的硬化程度。梁元博等[11]同樣通過試驗證明，在南海熱帶海島就地取材，利用珊瑚砂和碎礁作骨料時，混凝土28天的抗壓強度可達22 MPa以上，可以代替碎石、河砂混凝土，滿足島礁建設的需求。與河砂混凝土相比，珊瑚砂混凝土的抗壓強度雖較低，但抗折強度、劈裂抗拉強度兩者相差不大。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]等研究證實了養護初期珊瑚砂混凝土的強度發展快于普通混凝土。養護 7天，珊瑚砂混凝土立方體抗壓強度已經基本接近最終的28天齡期抗壓強度，而普通混凝土的立方體抗壓強度只達到28天齡期抗壓強度的80%左右。趙艷林[15]利用試驗得出了齡期與珊糊混凝土立方體抗壓強度的函數關系。陳兆林[16]通過研究提出，當珊瑚混凝土的水灰比在一定范圍內，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度呈線性關系，并且無論采取何種骨料成分，其強度隨水泥的用量增加而增加，且強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度可滿足工程指標，經濟和社會效益相當的明顯。李林[18]通過對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度低于其他混凝土，但其早期強度高，并且在相同應力水平下其彎曲疲勞性能優于大多數其他種類的混凝土。由于島上臺風、海嘯等自然災害頻繁，利用珊瑚砂混凝土早期強度高的特點，在緊急搶修工程中使用珊瑚砂混凝土，可大幅提高工程進度，減少工程造價，對加快我國南海開發具有深遠的意義。

2 珊瑚砂混凝土鋼筋/復合材料筋研究

雖然珊瑚砂混凝土強度可以較好地滿足島礁實際工程建設需求，但由于其孔隙率較大，外部有害物質易滲入混凝土內部，采用普通鋼筋制作珊瑚砂混凝土極易誘發結構筋銹蝕破壞，進而影響結構的耐久性。針對珊瑚砂混凝土結構存在的問題，國內外學者開展了不銹鋼鋼筋、復合材料筋等特種鋼筋的應用研究。馮興國[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。結果表明，珊瑚砂混凝土內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，采用不銹鋼作為加強筋制作珊瑚砂混凝土，其耐蝕性、耐久性滿足遠洋島礁工程要求，具有重要應用價值。

纖維增強復合材料筋（FRP）具有抗疲勞、抗磁性、電絕緣性、耐腐蝕、比重小等優點，而且 FRP筋熱膨脹系數與混凝土的熱膨脹系數接近，用于混凝土結構中，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）筋等纖維增強復合材料筋應用于珊瑚砂混凝土結構，其全壽命周期成本較普通鋼筋混凝土結構具有優勢[20]，可解決珊瑚砂混凝土在島礁工程應用中面臨的高性能長壽命問題。

研究人員[21]對比了鋼筋珊瑚砂混凝土和 CFRP筋珊瑚砂混凝土的抗彎性能，結果顯示，CFRP和珊瑚砂混凝土能可靠地協同工作，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強度研究，提出隨著CFRP筋直徑的增加，珊瑚砂混凝土的粘結強度顯著減小。楊超[23]研究了BFRP筋與珊瑚砂混凝土的粘結性能，通過中心拉拔試驗驗證了最大平均粘結應力隨直徑與粘結長度的增加顯著減小。金云東[24]也通過試驗證明了BFRP筋與珊瑚砂混凝土具有良好的粘結性能，通過設計合理的參數，珊瑚砂混凝土與BFRP筋之間的粘結強度可以超過與鋼筋的粘結強度。同時BFRP筋珊瑚砂混凝土承載力較高，破壞時具有一定的脆性。李彪[25]通過抗彎性能試驗對比研究指出，由于BFRP筋比CFRP筋具有更高的伸長率，但是極限強度偏低。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，同時撓度偏低。

3 珊瑚砂混凝土改性技術研究

珊瑚砂強度較低的性質決定了若不經特殊處理難以用于 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生，減少混凝土內部的應力集中，有效防止裂縫的生成和擴展。同時研究表明，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]通過對珊瑚粗骨料采用非飽和預濕處理，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，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、復摻和三摻形式加入珊瑚砂混凝土中進行改性試驗。結果表明，礦物摻合料能優化水泥漿體的水化產物組成與亞微觀孔結構，增強漿體與骨料間的結合，通過不同的組合方式加入到珊瑚砂混凝土中，其 28天齡期抗壓強度提高17.7%～21%，氯離子滲透系數降低66.7%～71.0%，干燥收縮率降低36.7%～57.0%。彭自強[33]采用24%粉煤灰、70%礦渣和 6%堿激發劑組成的無機聚合物對珊瑚砂混凝土進行改性，結果表明，同強度等級時，劈裂抗拉強度可提高62%，拉壓強度比增加，靜力彈性模量也略有提高。針對珊瑚砂混凝土孔隙率大、骨料強度低、吸水率高的特點，郭曈[34]采用聚乙烯醇溶液對珊瑚砂骨料進行強化改性處理，改性后的珊瑚砂表面形成致密的有機質薄膜，使珊瑚砂孔隙率明顯降低，同時增加了與水泥的咬合強度。改性后珊瑚砂混凝土 7天齡期抗壓強度可提升 21%，28天齡期抗壓強度提升可達 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度及劈裂抗拉強度，改善珊瑚砂混凝土的脆性。摻入劍麻纖維的量不同，對珊瑚砂混凝土的抗剪強度和抗壓強度的影響也不同。研究表明，提高珊瑚砂混凝土抗剪強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度的最佳劍麻纖維摻量為3 kg/m3。由于水泥水化后產生的塊狀 Ca(OH)2在劍麻纖維的內腔和孔隙內結晶，使得劍麻纖維變脆、疏松，逐漸失去增強的作用，同時導致劍麻纖維與水泥漿體的界面粘結力降低，進而導致劍麻纖維增強珊瑚砂混凝土的耐久性下降。劉存鵬等[36]通過試驗證明，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的特點，方祥位、歐益希等[37-39]通過微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術對松散珊瑚砂進行固化，生成與珊瑚砂主要化學成分相同，同時具有較好的微觀結構與粘結特性的碳酸鈣，該技術有望在島礁工程岸坡防護、砂質地表加固等領域得到應用。

4 發展趨勢

采用珊瑚砂制備混凝土在遠海島礁建設具有較為廣泛的應用前景，目前國內外對其研究主要集中在耐久性、加強筋材料、改性技術等方面，隨著工程應用的不斷深入，研究也將會向著以下幾個方面發展：與我國南海海域環境特征結合，開展珊瑚砂混凝土性能退化、損傷機理與預防、修復機制研究；針對珊瑚砂混凝土開展新型加強筋材料，改性、防護等技術研究，同時推動新技術、新成果的工程應用，有效提升珊瑚砂混凝土結構的耐久性；針對南海島礁現有工程，開展耐久性長期跟蹤監檢測，為今后研究及工程提供可靠依據。

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