海水集料混凝土的研究进展

谷佳瑞，王仲刚

(后勤工程学院 军事土木工程系， 重庆 401311)

海水集料混凝土的研究进展

谷佳瑞，王仲刚

(后勤工程学院 军事土木工程系， 重庆 401311)

在南海岛礁上修建常规钢筋混凝土结构的房屋存在着钢筋极易腐蚀，建筑材料严重匮乏，材料运输价格昂贵等问题。国内外学者研究了一系列新型建筑材料来解决此问题，但效果有限。国内还开展了海水集料混凝土的材料特性，结构构件性能的研究。针对目前的研究进展，提出了今后关于海水集料混凝土研究的一些问题。

岛礁；建筑材料；海水集料混凝土；配合比；问题

南海岛礁远离大陆海岸线，严重缺乏碎石、淡水、河沙等常规的建筑材料。岛礁建设工程所需的建筑材料往往需要从内陆海运。其中就存在运输时间长，运输途中材料损耗大，运输成本高的问题。并且岛礁建筑物常年处于海水与盐雾的侵扰中[1]，钢筋在这种环境下极易腐蚀，从而导致混凝土保护层开裂，大大减弱结构的耐久性，产生严重的安全隐患。这些问题制约着我国岛礁建设工程的发展。

目前国内外对海工混凝土在海洋环境下的研究主要包括海工混凝土的配合比设计[2]、耐久性[3]、耐腐蚀性研究[4]等。然而包括珊瑚礁、珊瑚砂[5]、轻质骨料混凝土仍然存在破坏生态环境[6]，材料强度不够，材料运输依然存在困难等问题。因此最适合南海岛礁建设的材料应该是能够就地取材，完全替代常规混凝土中粗骨料的新型混凝土材料。

海水集料混凝土[7]是采用少量高性能吸水树脂(Super-Absorbent Polymer, SAP) 与海水制备大量的膨胀骨料，来替代常规混凝土中的所必需的碎石或卵石等大量骨料，通过相应自密实混凝土技术制备的一种新型混凝土材料。海水集料混凝土无需振捣，可以实现粗骨料的就地取材，采用海水拌和，节约了施工场地，从根本上解决了材料运输难的问题。海水集料混凝土具有密度小，弹性模量低，孔隙率高等特性，可以减轻结构的自重，具有良好的抗冲击性能，可作为一种新型的吸能缓冲材料。非金筋材[8](包括碳纤维筋，玄武岩纤维筋，玻璃纤维筋以及纤维混杂复合筋等)具有优良的耐腐蚀性，可以替代钢筋，解决钢筋易锈蚀的难题。在岛礁工程中，这两种材料可以协同使用，修建高度低，空间要求不高的建筑物。

1 海水集料混凝土的制备

1.1 海水集料混凝土的原材料

制成海水集料混凝土的主要原材料有高性能吸水树脂、胶凝材料、人工海水、海砂、纤维增韧材料、外加剂。

1.1.1 高性能吸水树脂

海水集料混凝土所用的高性能吸水树脂是通过反相悬浮聚合法[9]合成的，能在海水中膨胀至少20倍体积变成半固态性材料[10]，且在加压的情况下也不易失水，具有填充堵塞的作用。SAP还可通过设计合成使其在海水中仅需要少量的吸水树脂即可膨胀形成足量的人造骨料，满足混凝土搅拌所需的和易性，以及在成型过程中不断释放水分，保证胶凝材料全程水化反应所需的水分，提高胶凝材料的水化程度，减少其自收缩，增加混凝土的密实度[11-14]。

1.1.2 胶凝材料

由于饱和SAP海水集料替代了石子等粗集料，饱和SAP的弹性模量小于水泥石的弹性模量[15]，因此海水集料混凝土是多孔复合硬基材料。为提高混凝土的强度，必须提高水泥用量，采用高标号的水泥。所采用的水泥是强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥[16]。为提高混凝土的早期强度，减少终凝时间，提高材料的稳定性，在胶凝材料中加入少量42.5的硫铝酸盐水泥。硫铝酸盐水泥具有优良的早强性能[17]，养护3 d后的基本强度就相当于普通硅酸盐水泥混凝土养护28 d。硫铝酸盐水泥对减少终凝时间也具有明显的作用，其终凝时间较普通硅酸盐水泥缩短了4倍。除此之外，硫铝酸盐水泥对海水、氯盐、硫酸盐以及它们的复合盐等，都具有良好的耐腐蚀性[18]，非常适合于海水集料混凝土材料的使用环境。

1.1.3 人工海水

人工海水采用海水晶加自来水配制的拌合水[19]。由于SAP是用海水浸泡，为避免SAP因为离子浓度差导致渗透压增大而释水[20]，从而使得混凝土拌合物的工作性能损失，导致混凝土的强度降低，不能采用淡水。与此同时，在岛礁工程中，淡水不易取得，采用海水便于就地取材。

1.1.4 外加剂

由于水泥净浆中的水分含量远低于SAP饱水集料，SAP集料颗粒会在其表面胶凝颗粒的作用下快速释水，从而产生SAP集料体积减小、胶凝浆体严重泌水的现象。为平衡SAP集料内外水分环境，采用聚羧酸高效减水剂[21]可缓解SAP饱水集料在混凝土拌制过程中的释水行为，此外，聚羧酸高效减水剂与水泥及SAP的相容性好，掺入其中可使混凝土具有良好的流变性能。

1.1.5 纤维

与普通混凝土中粗骨料的运动轨迹不同，海水集料混凝土中的饱和SAP在养护成型过程中会不断上浮，造成混凝土孔隙不均匀。使用聚甲醛纤维(POM)和聚丙烯纤维(PP)，能够防止饱和SAP上浮[22]，减小混凝土的分层离析程度，使混凝土内部空洞更加均匀，从而增加混凝土的黏度，增强整体性。

1.2 海水集料混凝土的配合比

影响海水集料混凝土力学性能的因素有很多，比如SAP体积分数、水泥用量、普硅水泥与硫铝酸盐水泥复配比例、水胶比、胶砂比、复合外加剂掺量、纤维含量等等。其中主要的因素是SAP体积分数、水泥用量、水胶比、复合外加剂掺量[23]，通过对四种主要因素进行正交配合比试验[24]可以得出影响海水集料混凝土性能的主要因素，设计出各种强度的配合比。通过试验研究得出，影响抗压强度主要因素的重要性是SAP体积分数>水泥用量>水胶比>复合外加剂掺量。表1给出SAP含量不同的配合比[25]。

表1 海水集料混凝土配合比

从表1中可以看出，SAP体积分数越高，海水集料混凝土的抗压强度越低。这是由于SAP取代了混凝土中的粗骨料，使材料内部孔隙率变大，从而密度降低，弹性模量降低。而在实际工程中，SAP体积分数不宜过小，否则将失去海水集料混凝土的意义，成为单纯的水泥砂浆。因此SAP体积分数应控制在20%～60%之间。

2 海水集料混凝土的性能

海水集料混凝土是一种新型的混凝土材料，目前关于它的研究还比较少，主要集中在海水集料混凝土的制备工艺、内养护机理、内部结构、静态力学性能、蠕变特性、动态力学性能等方面的初步研究。对于海水集料混凝土结构构件的力学性能研究还有待完善。试样截面见图1。

图1 海水集料混凝土试样截面

Wang F Z等[26-28]的研究表明，饱和海水集料的水分释放主要是由渗透压和湿度梯度决定的，其中最主要的因素是渗透压，pH值不能决定海水集料的水分释放。饱和海水集料在混凝土内部具有比传统轻集料(例如发泡聚苯乙烯EPS)更加复杂的水分释放机理，海水集料的内养护持续时间更长，单个颗粒的内养护覆盖范围更宽。因海水集料的持续内养护作用，可在混凝土内球孔周围形成致密的壳体层，增加了与周围水泥砂浆的粘结程度，相比传统多孔混凝土能更加有效保证整体强度。

叶敏[23,25]对海水集料混凝土进行了基本力学性能试验的研究，通过正交配合比试验得出了影响海水集料混凝土强度的因素，并指出SAP含量影响最大，其次是水泥用量和水胶比。研究得出了聚丙烯纤维掺量可以有效提高其抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，并得出最佳掺量为0.16%。研究了SAP体积分数对应的孔隙率对海水集料混凝土基本力学性能的影响规律，给出了基于经验关系式的海水集料混凝土配合比设计方法。

张新等[29-30]建立了基于蒙特卡洛随机模拟的三维均匀化理论建立了海水集料混凝土ANSYS模型，推导了海水集料混凝土的等效弹性模量的有限元求解方法。通过试验对比有限元分析结果表明，该方法能较好地计算出不同SAP体积分数海水集料混凝土的等效弹性模量。

王发洲等[31]还对SAP混凝土的保温隔热、吸声降噪性能进行了试验研究。结果表明，由于SAP混凝土内部会形成规则均匀的球形孔洞，混凝土的保温隔热性能和吸声降噪性能都能得到显著提高，导热系数降至0.316 W/(m·K)，降噪系数达0.348，峰值吸声系数达0.877，有利于节能环保的要求。

朱国华等[32-34]对海水集料混凝土结构构件有了进一步研究，对非金筋材海水集料混凝土梁进行了设计方法和试验研究，对碳-玻纤维筋和海水集料混凝土的黏结性能和常温蠕变特性进行了试验研究。针对非金筋材和海水集料混凝土弹性模量小，受荷载作用相对钢筋混凝土结构变形较大的特点，提出了基于刚度控制的非金筋材海水集料混凝土受弯构件的设计方法。通过试验结果给出了具有25年不发生蠕变断裂的应力水平为极限应力的41%以下，建议碳-玻纤维筋海水集料混凝土梁正常使用极限状态的挠度限值值为l/125。

邓智平等[35-37]研究了海水集料混凝土的动态力学性能。通过不同配比海水集料混凝土在准静态和动态加载下的单轴压缩试验，指出海水集料混凝土的单轴压缩力学性能具有明显的应变率相关性，抗压强度、弹性模量和峰值韧度均随应变率升高而增大。通过SHPB试验和数值模拟的结果，得出高孔洞率海水集料混凝土的材料本身应变率效应相对低孔洞率更加显著。对海水集料混凝土中的应力波传播特性进行数值模拟研究，结果显示海水集料混凝土具有衰减应力波的作用，且孔洞率越高，对应力波的衰减作用越强。

3 结 语

当前，对南海岛礁进行基础设施建设，混凝土等建筑材料的运输一直是瓶颈问题。运用海水集料混凝土材料，可显著减少混凝土固体原材料的运输量，降低海上运输费用，同时不需要大型堆积料场，降低施工造价。由于没有普通混凝土的粗骨料，也避免了影响混凝土寿命的碱骨料反应。这是海水集料混凝土最大的优势。

但在目前海水集料混凝土的研究过程中，仍然存在着以下需要研究解决的问题。

(1) 海水集料混凝土中饱和SAP替代了粗骨料。在试验中发现，在海水集料混凝土试件浇筑完成，室内环境养护6个月后，混凝土试件内部仍然存在大量水分，这是由于饱和SAP的内养护机理所致的。但在工程应用中，这些水分会对建筑物防火防爆带来很大的负面影响，水分受高温迅速蒸发后会产生大量气体，可能导致混凝土开裂甚至爆开，存在严重的安全隐患。所以下一步的研究应当考虑这一方面的问题。

(2) 由于海水集料混凝土和非金筋材的弹性模量相对混凝土和钢筋都比较低，所以在设计结构构件时，为了提高构件刚度，往往在设计截面时将尺寸增大。但在工程应用中，一味地增大截面面积也会存在设计施工和使用等方面的问题。所以，应当在满足刚度的前提下，研究避免截面设计过大的解决方法。

(3) 海水集料混凝土多应用于岛礁场坪工程和低层建筑工程，低层建筑主要是砌体结构和砖混结构，而目前制砖机等材料制造设备的研制还未完成，进行大规模地生产海水集料混凝土砌块还无法实现。

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Research Progress of Cellular Concrete Utilizing Millimeter-size Spherical Saturated SAP

GU Jiarui, WANG Zhonggang

(Dept.ofCivilEngineering,LEU,Chongqing401311,China)

There are some problems when we try to construct buildings in the islands and reefs, such as the rebar is easy to corrosion, the lacks of building materials, the price of transportation is expensive to build houses of the conventional reinforced concrete structure in the islands off the mainland. Scholars all over the world have studied a series of new building materials to solve these problems. The characteristics of the materials and properties of the concrete are also carried in domestic. In this paper, we proposed some questions with the structures of cellular concrete according to the current research results.

islands and reefs; building materials; cellular concrete; mix proportion design; questions

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.011

2017-04-05

2017-05-03

全军后勤科研计划项目(BY214J013)

谷佳瑞(1991—)，男，重庆北碚人，硕士研究生，研究方向为军事土木工程抢修抢建。E-mial: 609676198@qq.com

TU528.2

A

1672—1144(2017)04—0058—04