珊瑚混凝土研究進(jìn)展

高 旭，張宜健（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引言

混凝土是結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要材料之一，大量的建筑興建之后使得拌制混凝土所用的砂、石子等資源日益匱乏。隨著我國(guó)南海島礁工程建設(shè)的發(fā)展，使用珊瑚骨料代替石子不僅可以就地取材，節(jié)約成本，同時(shí)，珊瑚的自然恢復(fù)性遠(yuǎn)超石子，是一種較優(yōu)的骨料替代性材料，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的可行性試驗(yàn)研究，本文對(duì)這些研究進(jìn)行總結(jié)，為島礁工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 珊瑚混凝土基本力學(xué)性能研究

1.1 珊瑚的特性

本文研究的珊瑚礁生長(zhǎng)于我國(guó)的南海沿海地區(qū)，是由死去的珊瑚遺骸經(jīng)時(shí)間延長(zhǎng)堆積在一起形成的一種特殊形態(tài)的巖石體。珊瑚骨料質(zhì)量較輕，并且內(nèi)部孔隙較多，屬于輕質(zhì)多孔材料（見(jiàn)圖1）。研究表明，在壓縮和剪切受力時(shí)，珊瑚骨料相比于天然石子較容易發(fā)生破碎。試驗(yàn)室實(shí)測(cè)珊瑚骨料的堆積密度918～1000kg/m3，表觀密度1806～2300kg/m3，孔隙率49.1%～56.5%，1h吸水率10.7%～15.4%，筒壓強(qiáng)度2.01～3.8MPa，以上數(shù)據(jù)表明珊瑚骨料是可以滿足混凝土骨料性能要求的。

圖1 天然石子和珊瑚外觀

1.2 珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度

趙艷林[1]通過(guò)對(duì)海水拌養(yǎng)的珊瑚混凝土進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)得出：珊瑚骨料混凝土相比于普通混凝土其早期的抗壓強(qiáng)度發(fā)展較快，7d時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的80%，并且提出以早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)28d強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，式（1）（2）分別是以3 d、7 d預(yù)測(cè)280d強(qiáng)度公式，相關(guān)性分別可達(dá)0.93、0.96。

余強(qiáng)[2]通過(guò)設(shè)計(jì)四組不同凈水膠比的珊瑚礁砂混凝土試驗(yàn)得出：不同齡期的珊瑚礁砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨凈水灰比的增大而增大，而且均符合線性關(guān)系，提出珊瑚礁砂混凝土凈水膠比與立方體抗壓強(qiáng)度的回歸關(guān)系如表1。

表1 珊瑚混凝土fcu與B/W的回歸關(guān)系

王磊[3]指出因珊瑚骨料孔隙較高，因此所需水泥用量和水的用量較大；珊瑚混凝土受壓力學(xué)試驗(yàn)的破壞形態(tài)脆性更加明顯于延性，荷載臨近峰值時(shí)試件出現(xiàn)一定延性的豎向裂紋，后期試件出現(xiàn)豎紋的同時(shí)有橫紋出現(xiàn)，呈現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。

韋灼彬[4]以抗硫酸鹽水泥為膠凝材料拌制珊瑚混凝土，發(fā)現(xiàn)水泥用量及珊瑚骨料用量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響明顯，砂率對(duì)坍落度影響最大。提出珊瑚混凝土早強(qiáng)的特性是因?yàn)樯汉鞴橇弦约鞍韬纤畠?nèi)氯鹽引起的早強(qiáng)作用，并且得出珊瑚混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的關(guān)系式，式（3）為珊瑚混凝土28d時(shí)fcu與fc的關(guān)系。

1.3 珊瑚混凝土抗拉強(qiáng)度

韋灼彬[4]通過(guò)珊瑚混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)得出：在立方體抗壓強(qiáng)度相同時(shí)，珊瑚混凝土劈裂抗壓強(qiáng)度大于其他類(lèi)型的輕骨料混凝土，遠(yuǎn)大于普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)樯汉鞔植诘谋砻婧洼^多的空隙使得骨料和砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度提高，較高的機(jī)械咬合力限制了裂縫的發(fā)展使其具有較高的抗拉強(qiáng)度。

1.4 彈性模量

珊瑚混凝土的彈性模量隨抗壓強(qiáng)度的增大而單調(diào)增大，相同強(qiáng)度時(shí)珊瑚混凝土彈性模量介于普通混凝土與輕骨料混凝土之間，珊瑚骨料中孔隙較天然石子多，這是影響珊瑚混凝土彈性模量的重要原因。魯于[5]通過(guò)外摻聚丙烯纖維和不銹鋼纖維使珊瑚混凝土受力變形能力有明顯改善，從原始的受壓脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐那覐?qiáng)度有所提高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)單摻不銹鋼纖維改善效果最明顯。

2 珊瑚混凝土耐久性

珊瑚混凝土都用于南海附近的軍事結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)丨h(huán)境處于高溫、高濕、高鹽、臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境，由于長(zhǎng)期氯離子侵蝕和高溫暴曬下碳化效應(yīng)造成保護(hù)層開(kāi)裂、起鼓、垮塌、鋼筋銹蝕等破壞現(xiàn)象。碳化降低了珊瑚骨料內(nèi)部微液的pH值使氯離子從游離化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂陕入x子，氯離子結(jié)合水泥水化反應(yīng)生成氫氧化鈣和水鋁酸鈣等難溶物質(zhì)，使珊瑚混凝土內(nèi)部膨脹產(chǎn)生微裂縫影響耐久性；另一方面環(huán)境中氯離子滲入與鋼筋混凝土構(gòu)建內(nèi)部鋼筋表面發(fā)生反應(yīng)，使鋼筋銹蝕體積膨脹至保護(hù)層剝離脫落，并且這種現(xiàn)象會(huì)持續(xù)循環(huán)發(fā)生。已有文獻(xiàn)建議在珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)中盡量使用涂層鋼筋、不銹鋼筋或其他非金屬筋。

3 珊瑚混凝土構(gòu)件研究

胡喬[6]通過(guò)珊瑚混凝土梁抗彎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：材料強(qiáng)度一致時(shí)，鋼筋珊瑚混凝土梁抗彎性能與鋼筋混凝土梁接近，但鋼筋表面發(fā)生明顯銹蝕破壞；碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）筋珊瑚混凝土梁承載力的變性能力有所下降，但均能滿足工程要求，主要是因?yàn)镃FRP筋表面凸起較弱，強(qiáng)度為線彈性沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象，梁構(gòu)件材料間很好發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，避免銹蝕發(fā)生，極大提高了海洋環(huán)境下構(gòu)件的耐久性。

高屹[7]研究發(fā)現(xiàn)：鋼管珊瑚混凝土柱軸壓試驗(yàn)中，其破壞形態(tài)與鋼管混凝土管柱相同，均為腰鼓性破壞，在相同的鋼管套箍性能時(shí)，鋼管珊瑚混凝土短柱軸壓承載能力小于鋼管混凝土短柱。

4 展望

在南海地區(qū)軍事國(guó)防建筑、天然石子匱乏的地區(qū)等島礁建設(shè)項(xiàng)目中，就地取材使用珊瑚骨拌制混凝土是較好的方法，可大大降低運(yùn)輸成本和生產(chǎn)成本，有利于保護(hù)我國(guó)內(nèi)陸資源及海洋資源的開(kāi)發(fā)利用，符合國(guó)家海洋工程戰(zhàn)略要求。珊瑚骨料混凝土存在其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量較低，存在一定的耐久性問(wèn)題等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其一定的改性、內(nèi)摻材料可獲得較好的力學(xué)性能。珊瑚混凝土相比于普通混凝土在研究方面仍有很大欠缺，對(duì)其今后功能性應(yīng)用還需進(jìn)行深入研究。