珊瑚混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展★

周 聰，劉基程，張俊男，劉華超

(陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

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(mào)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(yè)島、彈丸礁、南威島等)，其事關(guān)國家安全與穩(wěn)定。因此，我國不得不加快推進(jìn)南海島礁工程建設(shè)，維護我國海洋合法權(quán)益。

混凝土材料是工程建設(shè)的主要材料，但南海島礁遠(yuǎn)離大陸，傳統(tǒng)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(jìn)度無法得到保證[1-2]。二戰(zhàn)時期，美國率先于塞班島、關(guān)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(shè)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(nèi)的許多海洋權(quán)益國家對珊瑚混凝土在海洋工程中的推廣應(yīng)用達(dá)成了共識，先后開展了海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土的力學(xué)特性試驗研究，珊瑚混凝土逐漸成為島礁工程建設(shè)主要承載體和建筑材料來源之一[5-7]。本文總結(jié)了珊瑚混凝土靜/動態(tài)力學(xué)特性、耐久性及力學(xué)改性研究等方面成果，為島礁工程建設(shè)提供了較為深遠(yuǎn)的技術(shù)支撐與應(yīng)用價值。

1 珊瑚混凝土基本物理力學(xué)特性

1.1 珊瑚混凝土制備及基本物理性質(zhì)

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(xì)骨料，并與水泥凝膠體、礦物摻合料、水和外加劑攪拌澆筑養(yǎng)護而成的復(fù)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(xué)成分為碳酸鈣且表面附有大量氯離子，一般呈現(xiàn)出層狀或籠狀結(jié)構(gòu)[8-9]。珊瑚砂單顆粒抗壓強度低但具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)[10]。珊瑚骨料的XRD譜見圖1。

研究表明，珊瑚混凝土力學(xué)特性基本滿足島礁工程中普通建筑及構(gòu)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(xué)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(nèi)[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(dá)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(yǎng)護階段返水，這種“微泵效應(yīng)”可以促使混凝土的 “內(nèi)養(yǎng)護”作用更明顯，混凝土內(nèi)部發(fā)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(fā)展可以起到促進(jìn)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(guān)關(guān)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(qū)黏結(jié)強度有關(guān)[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(jié)構(gòu)，水泥砂漿能夠更好地嵌入珊瑚骨料內(nèi)部，界面過渡區(qū)黏結(jié)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(nèi)部破壞通常由珊瑚骨料開始，沿“強度薄弱面”發(fā)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(yōu)質(zhì)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(xué)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(jìn)行分批次加水，防止在攪拌的過程中出現(xiàn)泌水或者分層離析的現(xiàn)象[23]。

水泥品種、砂率、礦物摻合料、拌合水以及養(yǎng)護方式等同樣對珊瑚混凝土的力學(xué)特性有一定程度的影響[24-26]。研究發(fā)現(xiàn)，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(xué)兩方面：一方面，硅灰憑借其細(xì)小的顆粒結(jié)構(gòu)能夠深入珊瑚骨料的孔隙結(jié)構(gòu)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(fā)生水化反應(yīng)，使得水泥漿體滲入珊瑚骨料孔隙，界面黏結(jié)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(jié)構(gòu)服役于熱帶海洋濕熱環(huán)境中，飽受海水沖刷，風(fēng)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(dǎo)致混凝土保護層開裂、剝落以及內(nèi)部鋼筋外露、銹蝕等后果，從而嚴(yán)重削減了珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)承載力，因此珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響不容忽視。在同一服役環(huán)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(huán)境中的CO2氣體通過混凝土微孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)并與水化產(chǎn)物Ca(OH)2、水化酸鈣等反應(yīng)生成非溶解性鹽(CaCO3)，此化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)生嚴(yán)重的影響(如圖5所示)。碳化作用產(chǎn)生的非溶解性鹽相較于水化產(chǎn)物體積膨脹，微觀上改變了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響混凝土的強度及耐久性；宏觀上表現(xiàn)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(huán)境中，混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用對結(jié)構(gòu)耐久性將造成極大威脅，混凝土內(nèi)部氯離子含量與碳化程度呈正相關(guān)關(guān)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(xué)者都在開展珊瑚混凝土改性試驗研究，其中強度、韌性指標(biāo)是島礁防護工程的關(guān)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(xì)小礦物摻合料對顆粒孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，并在孔隙內(nèi)與水泥凝膠體及其水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，改善骨料與水泥基體間的結(jié)構(gòu)特征，提高兩者之間的黏結(jié)性能，進(jìn)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(xué)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(jié)作用，延緩了混凝土內(nèi)部微裂縫的萌生和擴展，表現(xiàn)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(yōu)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(qū)，從而導(dǎo)致珊瑚混凝土力學(xué)性能得不到提升。因此，纖維改性存在一個最優(yōu)摻量值，使得改性珊瑚混凝土力學(xué)性能發(fā)揮到極致。

表1 纖維改性研究成果

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(shù)較大，氯離子侵蝕與混凝土碳化聯(lián)合作用導(dǎo)致珊瑚混凝土耐久性差，一般表現(xiàn)為混凝土剝落，鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。為減緩氯離子的擴散速度，可適當(dāng)增加混凝土保護層厚度，并在施工時適當(dāng)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?jié)B性能。通過極化電阻法對鋼筋銹蝕程度定量監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)海防工程珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度設(shè)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?jié)B性能效果更好，大幅減小了氯離子擴散速度。適當(dāng)降低水灰比，增加堿性物質(zhì)儲備即水化產(chǎn)物含量，同樣有利于減緩碳化作用，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

另外，涂層鋼筋、纖維筋及復(fù)合筋等特殊筋材的研發(fā)也在一定程度上彌補了珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差的缺陷，其中有機涂層鋼筋防銹性價比最優(yōu)；在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的服役壽命。

4 動態(tài)力學(xué)特性

與準(zhǔn)靜態(tài)條件相比，混凝土類材料在高速沖擊條件下展現(xiàn)出的力學(xué)特性存在明顯區(qū)別，混凝土的動態(tài)強度、破壞應(yīng)變、能量演化以及破壞模式等均隨著應(yīng)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(yīng)變率范圍在101～103之間，抗壓強度及動態(tài)強度增長因子(DIF)均隨著應(yīng)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(tài)壓縮強度表現(xiàn)為應(yīng)變率效應(yīng)；并且應(yīng)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(tài)壓縮力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)普通和高強珊瑚混凝土的動態(tài)壓縮強度與DIF值均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率正相關(guān)性，并通過LS-DYNA模擬得到試樣的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及破壞形態(tài)，模擬研究與試驗結(jié)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(tài)力學(xué)性能、阻裂性能以及韌性指標(biāo)[42-43]；珊瑚混凝土在沖擊錘沖擊作用下表現(xiàn)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(biāo)[44]。珊瑚混凝土的動態(tài)抗壓強度同樣具備顯著的尺寸效應(yīng)，可表示為冪函數(shù)形式，因此考慮應(yīng)變率效應(yīng)與尺寸效應(yīng)的耦合作用對珊瑚混凝土的力學(xué)性能的預(yù)測評估具有較為深遠(yuǎn)的工程意義[45]。

5 展望

目前，珊瑚混凝土基礎(chǔ)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(zhì)材料對珊瑚骨料進(jìn)行顆粒填充，改善骨料孔隙結(jié)構(gòu)，從而達(dá)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(huán)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(fā)的承載力削弱等問題，但其與珊瑚混凝土之間的黏結(jié)性能及影響因素還有待進(jìn)一步探索。

3)鑒于結(jié)構(gòu)服役的特殊性，珊瑚混凝土豎向及水平構(gòu)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(tài)力學(xué)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(xiàn)島礁防護工程結(jié)構(gòu)以及構(gòu)筑掩體的快速建設(shè)與搶修工程。