海工混凝土原材料的特點及技術要求

鄭育文 韋嘉偉 蔡華權 黎佳和 謝志紅

（廣州航海學院 土木與工程管理學院）

0 引言

隨著21 世紀人類進入了大規模開發利用海洋的時期，我國在十八大報告[1]提出“提高海洋資源開發能力，建設海洋強國”，十九大報告[2]中指出“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”，可以相信，未來海洋產業將成為我國國民經濟支柱產業之一。因此研究發展海洋開發技術以促進海洋資源可持續開發利用，具有重要的現實意義。

近年來，我國進行了沿海核能或風力發電站、石油鉆井、軍民港口建設、跨海大橋、海島建設等大型海洋工程的建設，用于海洋工程建設的混凝土材料（簡稱“海工混凝土”）的研究及應用成為各界關注的焦點。天然砂、石和淡水作為混凝土的重要基礎原材料，已經被大量的消耗，并且對于海上和海島建設，經常面臨著原材料運輸距離長、淡水缺乏等難題，而我國是擁有300 萬平方公里主張管轄海域、1.8 萬公里大陸海岸線的海洋大國，具備豐富的海水、海砂或珊瑚石等海洋資源，若能在制備海工混凝土時利用上述其中的一種或多種材料替代天然砂、石和淡水并應用于海洋工程建設中，可以有效解決上述的問題。因此，相關學者對海工混凝土的開發和研究日益增加，目前海工混凝土的種類包括但不限于海水混凝土（海水替代淡水澆筑的混凝土）、海砂混凝土（海砂替代天然細骨料的混凝土）和珊瑚混凝土（珊瑚替代天然粗、細骨料的混凝土）等。本文旨在總結現有的使用海水、海砂或珊瑚石的海工混凝土的原材料的特點、技術要求并提出合理的建議。

1 海工混凝土的主要原材料特點及技術要求

1.1 海水

水作為混凝土的基本組成成分，對混凝土的工作性能（如流動性）、力學性能（如強度發展）和耐久性有顯著影響。Zhao 等[3]通過文獻調研不同海域的海水鹽度，發現海水的化學成分均接近美國的ASTMD1141-98 規范，海水的pH 值在7.5～8.4 之間，平均值約為8.2。

海水中的大量化學物質會對混凝土的性能產生有利或不利的影響。海水中Cl-、SO42-的含量較高，一般認為，水的pH 值會受到Cl-高含量的影響，而高濃度的Cl-能加速鋼的腐蝕；SO42-對混凝土強度有顯著影響，其存在會加速石膏和鈣礬石的形成，從而導致混凝土的膨脹和開裂。然而，海水中的化學物質對混凝土的性能的影響并不都是不利的。由于海水中的其他化學離子可以相互作用或與混凝土部分原材料的其他離子相互作用，從而影響混凝土中的固相。因此有研究表明，有限的鹽水中的水會增加混凝土的強度[4]，并且海水對混凝土的早期強度有顯著影響[5]。因此，采用不同化學成分的海水作為攪拌用水時，需考慮Cl-和SO42-或Na+、K+、Ca2+、Mg2等陽離子對混凝土性能的聯合作用。

選擇合適的水灰比，有利于提高海工混凝土的力學性能，這與普通混凝土相似。通常來說，水灰比的降低能明顯提高混凝土的強度[6]。Zhao 等[3]通過文獻調研統計了已有文獻中利用海水或/和海砂制備普通混凝土的配合比，水灰比主要集中在0.3 到0.7 之間，其中Guo等[7]在水灰比為0.48 的條件下制備了強度為40MPa 的混凝土；利用海水或/和海砂制備高性能或超高性能混凝土的配合比，水灰比主要集中在0.13 到0.3 之間[8-9]。

1.2 海砂

海砂具有與河砂相似的礦物組成，其經海水沖刷、滾動、碰撞、打磨而成，主要礦物為石英(SiO2)和長石((K,Ca,Na)(AlSi)4O8)。然而，由于海砂所處的氣候區不同，不同地域的海砂的化學和物理性質也有很大的差異。Xiao 等[10]人通過文獻調研不同地區海砂顆粒的典型級配，發現大部分不同海砂的粒徑分布在我國的《海砂混凝土應用技術規范》（JGJ206-2010）和國際標準ISO7033:1987 規定的二級海砂范圍內附近，適合用于混凝土生產，但是來自某些地區的海砂的分級可能不令人滿意，在使用海砂之前需要進行處理。

在近海海岸的海砂有明顯的鹽晶體和高鹽度，其表面質地粗糙，細度模數較低；而在海岸線的海砂由于潮汐上升和消退的影響其鹽度分布較為均勻，其表面質地較河砂光滑，細度模數較低。一般而言，海砂比河砂含有更多的鹽、貝殼顆粒和其他潛在的有害物質，對混凝土的性能有顯著的影響。但有研究發現，粗糙表面的低細粒度海砂的使用能提高混凝土界面過渡區的力學性能，提高了混凝土的抗壓強度[11]；相反使用表面光滑的海砂可能會降低粘結強度，從而降低混凝土的強度[12]。

海砂的用量與混凝土的的各項性能息息相關，然而，目前關于海砂用量對海工混凝土力學性能和耐久性影響的研究較少。已有研究發現，使用多種細骨料時，海砂占總細骨料的百分比對混凝土性能的影響很顯著，建議海砂的摻量為25%～50%[13]。

1.3 珊瑚砂石

珊瑚是珊瑚蟲在生長過程中，通過吸收海水中的鈣和二氧化碳，然后產生石灰石作為其外殼，并經群集相互粘結石化形成。珊瑚的礦物成分主要為霰石和方解石，化學成分主要為CaCO3（含量高達96%以上），珊瑚石經過洗滌、破碎和篩分后，得到珊瑚礫石和珊瑚砂兩種形式的骨料。珊瑚礫石與正常的礫石相比最大的差異是有內部孔，其粒徑一般為5～20mm，堆積密度約為900kg/m3，表觀密度約為1800kg/m3，孔隙率高達50%，并具有較強的吸水性[14]。珊瑚砂的粒徑范圍主要集中在0.3～2.3mm，顆粒密度約為2700～2850kg/m3，大部分珊瑚沙分級集中在II 區[15]。

珊瑚砂石表面粗糙，多孔結構容易影響混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能。珊瑚骨料的多孔性一般會導致混凝土強度的降低，但由于制備過程中骨料會吸收部分拌合水，改變骨料周邊的局部水灰比，同時在硬化過程中又能釋放部分水實現“內養護”，促進水泥水化放熱，并且讓骨料界面過渡區更致密，使得其在改善混凝土力學性能和耐久性能存在一定的可能。研究發現，隨著粗骨料量的增加，珊瑚混凝土的強度先增加又降低，而強度隨著珊瑚砂率的增加而增加[16]。此外，蘇晨等[16]研究發現鹿角狀骨料對珊瑚混凝土抗壓強度的提高作用最顯著，其次是重質珊瑚礁骨料，最后是輕質珊瑚礁骨料[17]。

珊瑚骨料可視為天然輕質骨料，用于混凝土中的配合比完全按照普通混凝土的設計方法設計珊瑚混凝土是不合適的，更為合理的是采用《輕骨料混凝土技術規范》(JGJ51-2002)中的松散體積法進行設計。

2 海工混凝土的其他原材料特點及技術要求

2.1 水泥

水泥是無機膠凝材料，加水攪拌后成漿體，能在空氣中或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。由于海工混凝土是由海水、海砂或珊瑚石等海洋資源中的一種或多種制備而成，含有的Cl-和SO42-具有較強的腐蝕能力，通用的硅酸鹽水泥抗腐蝕能力一般，因此用于海工混凝土的水泥一般為海工硅酸鹽水泥[18]。與傳統的硅酸鹽水泥相比，海工硅酸鹽水泥28 天抗蝕系數大于0.99，具有較強的抵抗Cl-、SO42-的能力，能使部分陽離子K+、Ca2+固結到C-S-H 凝膠中，降低混凝土的堿含量，防止堿骨料反應。此外，其水化熱低、抗滲性能好，能提高混凝土的抗裂、抗滲能力。

2.2 礦物摻合料

海工混凝土含有的Cl-和SO42-與礦物摻合料的相結合，對海工混凝土性能的影響與普通混凝土不同。相關文獻[3]調研得到粉煤灰(FA)、礦渣(GGBS)、偏高嶺土(MK)、硅灰(SF)的置換水平一般在0～30%、0～70%、0～10%、和0～5%之間。

研究發現，使用粉煤灰可以降低水泥基材料的C3A含量，降低其氯離子結合能力[19]；含有40%～70%礦渣含量的海水混凝土氯離子擴散系數和水滲透系數比含有相同礦渣含量的普通混凝土要低[20]；加入6%偏高嶺土明顯使海水混凝土的抗壓強度高于普通混凝土，并且含偏高嶺土的海水混凝土的干縮明顯低于含偏高嶺土的淡水混凝土[21]；海水降低了水化過程中硅灰與水泥的相互作用[19]。由此，對于礦物摻合料的選擇，可以考慮采用粉煤灰、礦渣、偏高嶺土中的一種或多種以提升海工混凝土的相關性能。

2.3 化學外加劑

在實際的施工環境和施工條件下，需要對工期進行把控，因此需要在海工混凝土中添加化學外加劑，如減水劑、早強劑、緩凝劑等。減水劑能夠滿足低水灰比條件下混凝土和易性的損失，聚羧酸系高性能減水劑是世界上最前沿、科技含量最高、應用前景最好、綜合性能最優的一種混凝土減水劑；緩凝劑可以延緩海水中水泥水化的加速和較高的水化熱釋放，常用的類型包括葡萄糖酸鈉、檸檬酸和四硼酸鈉等；早強劑能提高混凝土早期強度，常用類型包括無水氯化鈣，無水硫酸鈉以及三乙醇胺等。孫冊[22]對不同類型的緩凝劑和早強劑進行了研究，發現緩凝劑類型中葡萄糖酸鈉對28 天混凝土的抗壓強度影響最明顯，最佳摻量為0.075%；早強劑類型中無水硫酸鈉摻量在0.5%左右時發揮的作用較好，無水氯化鈣摻量在2%～3%時影響較為良好。

3 結語與展望

海水混凝土、海砂混凝土和珊瑚混凝土等海工混凝土已經在很多重要工程中得以應用，在工程經濟合理性、安全試用性、環境適用性等方面有取得進一步開發并廣泛應用的可能性。然而，海砂海水混凝土的應用依然有不少問題需要解決，其中由于不同文獻中海水、海砂和珊瑚砂石的不同性能以及所采用的配合比的不同，海工混凝土的力學性能、工作性能和耐久性能往往存在相互矛盾的結論。因此，進行海工混凝土的生產時，選用的主要原材料如海水、海砂、珊瑚砂石等要進行去雜質處理，保證主要原材料的質量；選用的水泥為海工硅酸鹽水泥，選用的礦物摻合料考慮采用粉煤灰、礦渣、偏高嶺土中的一種或多種，選用合適的化學外加劑（減水劑、緩凝劑、早強劑），并通過合適的配合比設計方法優化各組分材料配合比，制備出滿足實際工程的、具有良好性能保證的海工混凝土。海工混凝土的深入研究和廣泛應用，將促進我國海港建設和島礁建設的發展，有利于海洋資源化利用和環境的可持續發展。