海砂海水混凝土材料及耐久性研究應用

安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001

海砂海水混凝土顧名思義，就是用海砂、海水代替普通混凝土中的砂子、水，從而節約淡水資源，減少環境污染。隨著我國海洋工程建設項目的增多，淡水和細骨料陸上運輸成本不斷提高，經濟效益低，交通運輸不便。因此，對海砂海水混凝土的研究不但有利于普通混凝土材料研發[1]，而且對我國海洋工程建設具有戰略性意義。然而，目前對海砂海水混凝土的研究還處于探索的早期階段，有很多理論和實踐問題（如抗腐蝕問題）亟待研究和解決。

1 海砂海水混凝土的主要原材料

1.1 海砂

海砂為入海口與海洋周圍區域的砂料，在配置海砂海水混凝土時，不能直接使用海砂，而是需要先對其進行凈化，并且不能單獨使用海砂，需要和人工砂或者天然砂配合使用。此外，海砂不能直接被制備成預應力混凝土，因為海砂的水溶液含有過高濃度的氯離子，氯離子濃度應低于0.03%，否則就會對混凝土結構的耐久性帶來負面影響[2]，使鋼筋的銹蝕更嚴重。

1.2 其他原材料

海砂海水混凝土的制作需要使用普通硅酸鹽水泥，同時還需要確保該水泥的氯離子占比低于0.025%。另外還需要使用其他幾種摻合料，如粉煤灰、硅灰等[3]，既能解決工業廢渣的再利用問題，也能顯著提升混凝土的耐久性和抗滲性。在海砂海水混凝土攪拌的過程中，應嚴格控制水體中氯離子的含量，即低于250mg/L。

2 海砂海水混凝土耐久性影響因素

混凝土結構耐久性實際上就是鋼筋與混凝土材料的耐久性[4]。材料的耐久性是指其處于相應的使用環境中時對諸多化學與物理作用進行抵御的能力。混凝土表面通常處于空氣中，一旦遇到較為惡劣的環境，就容易遭受各類有害物質的侵蝕。此外，外部環境的溫濕度動態變化也會對其產生影響，使得混凝土出現裂縫，進一步導致鋼筋出現腐蝕，從而減小混凝土結構的承載力。

2.1 混凝土的碳化

混凝土碳化是指空氣中二氧化碳持續地滲入混凝土孔隙中，進而和其中的堿性物質反應生成碳酸鈣，降低該孔隙中的堿度[5]。外部環境中的二氧化硫也會和混凝土中的堿性物質進行反應，使堿度降低。雖然碳化不會對混凝土產生危害，但是容易導致混凝土內部中的鋼筋銹蝕。由于堿性環境有助于使鋼筋表面形成氧化膜，能對鋼筋產生很好的保護作用。若鋼筋處于弱酸性環境，就容易破壞該氧化膜，引起鋼筋銹蝕，導致其周圍的混凝土出現拉應力，直到混凝土產生破壞。

2.2 氯離子侵蝕

如果水泥中含有較多的氯離子，那么就容易導致混凝土產生鋼筋腐蝕，進而影響到建筑物的使用年限和安全性能[6]。混凝土結構中的鋼筋在銹蝕時，水分子會參與其腐蝕過程，在水分和氧氣的共同作用下，鋼筋表層中的鐵因為電子的喪失開始被逐步腐蝕。而且電化學反應的發生會激發更大程度的鋼筋腐蝕，此過程中也不會損失氯離子，使電化學反應得以持續，最終使鋼筋產生嚴重腐蝕。通常，混凝土中的氯離子占比不能大于0.2%。在氯化物環境中，鋼筋橫截面區域的橫向宏觀裂紋會出現顯著的坑蝕，明顯降低鋼筋的延展性與承載力以及強度。因此，為了避免鋼筋產生銹蝕問題，需要減小水膠比，使其密實度、抗滲性能得到顯著增長，并進一步對氯離子占比進行科學控制，采用覆蓋層規避氯離子產生滲透問題。另外，還可以運用陰極保護機制對鋼筋進行科學保護。

2.3 硫酸根侵蝕

海砂海水混凝土不但容易受到氯離子影響，而且硫酸根離子也會不同程度上對其產生侵蝕效應[7]。海水中通常包含豐富的硫酸根離子，大多是以硫酸鎂的形式出現，它和混凝土孔隙中的鈣離子發生反應，由此產生氫氧化鎂、硫酸鈣沉積物。海水中硫酸根離子較多，化學反應進行得更徹底，這樣就會消耗豐富的氫氧化鈣溶液，于是混凝土的堿度就會隨之下降，使得水泥水化產物被分解，導致混凝土結構產生不同程度的破壞。另外，當混凝土受到硫酸根離子侵蝕時，會形成硫鋁酸鈣，這種物質的體積會顯著膨脹，使混凝土的應力明顯增大，嚴重破壞混凝土的結構。

2.4 材料的質量

鋼筋混凝土材料耐久性深受混凝土材料的影響，大量研究結果顯示，混凝土采用的水膠比大小會對混凝土質量產生顯著影響。在混凝土澆筑成型之后，沒有參與水化反應的水分在蒸發效應下，會使水泥漿體與集料界面產生不同程度的微小裂縫，水膠比越高產生的微裂縫就越多，對材料的耐久性就會產生更大的影響。

2.5 混凝土的抗滲性

混凝土的抗滲性是混凝土在潮濕環境下對干濕交替作用進行抵抗的能力[8]。因為混凝土拌和物有離析泌水效應，在水泥漿體和集料區域會產生較為明顯的水分蒸發效應，進而產生一定數量的微裂縫，增大滲透性，對混凝土耐久性有著較大影響，所以要盡量減小水膠比，在混凝土拌和物中可以適度地增加摻合料，以增加混凝土的密實度。另外，還需要做到以下幾點：粗集料粒徑不能過大，細集料的表面需要保持清潔，充分沖洗干凈；科學地運用外加劑，如膨脹劑、減水劑等；在澆筑混凝土后注意加強養護，避免施工時產生干濕交替的作用。

2.6 混凝土的抗凍性

混凝土的抗凍性能是指在冷熱循環下對凍融交替效應進行抵御的能力。混凝土之所以會產生凍結破壞問題，是因為混凝土孔隙內部的飽和水在結冰后產生了體積膨脹問題，進而破壞了混凝土結構。混凝土孔隙中的水在溫度降至0℃以下時開始凍結，體積開始膨脹，使混凝土中的應力增加。在應力的作用下，經過多次的凍融循環，混凝土結構的裂縫會增多并逐漸發展，最終導致混凝土結構的破壞。因此，在具體施工環節，需要對水膠比進行科學控制，盡可能運用硅酸鹽水泥，適量地摻入減水劑、防凍劑等外加劑，以改善混凝土的抗凍性[9]。

3 工程應用

海砂海水混凝土已經在很多重要工程中得以應用，在大跨度橋梁工程、海港建設工程中展現出了獨特的優勢，在工程經濟合理、安全試用期、環境適用性等方面獲得了較為突出的成就。為了滿足成本利益、環保等方面的需求，海砂海水等相關材料呈現出典型的資源化趨向。

我國曾在海砂海水混凝土的應用方面遭遇了嚴重的失敗教訓。例如，在二十世紀七八十年代，由于當地資源較為匱乏，臺灣使用了較多沒有被嚴格處理的海砂，導致之后相當長的時間內頻發“海砂屋”問題，這種建筑就是因為使用了不滿足使用條件的海砂，使混凝土結構中的鋼筋出現了銹蝕，甚至造成了房屋倒塌等嚴重危害。1999年臺灣發生地震，“海砂屋”的受損情況最為嚴重，造成了大量人員傷亡，這是我國應用海砂海水混凝土的一次慘痛教訓。

因此，完善海砂海水混凝土施工技術規范，采用優良的建筑原材料和科學的施工方法，在海砂海水混凝土的應用中顯得尤為重要[10]。

4 結束語

海砂海水混凝土的研制打破了傳統混凝土的技術局限，緩解了對淡水和河砂的依賴。地球上的淡水資源和河砂資源非常有限，而海水資源和海砂比較豐富，海砂海水混凝土的研制充分地利用了自然界中的資源，有利于海砂海水建材資源化發展，能節約成本、保護環境，促進我國海港建設和島礁建設的發展。然而，海砂海水混凝土的應用依然有不少問題需要解決，其中硫酸鹽、氯化物等都容易導致混凝土結構中的鋼筋出現腐蝕，嚴重影響混凝土結構的耐久性，同時也對海砂海水在混凝土中的科學應用帶來了明顯的制約。因此，阻銹劑的開發和利用是廣大學者和從業者今后研究的重點，亦為今后較長時間內混凝土技術重要的發展趨向。海砂海水混凝土的研究是混凝土發展歷程中極為重要的里程碑，未來海砂海水混凝土在海港等多方面建設領域將會得到更廣泛的應用，獲得更好的經濟技術效益。