利用海洋地材制备高耐久性混凝土的技术研究

陈旭元 曹伟

摘 要：针对国内利用海洋地材制备高耐久性混凝土存在的问题，分析其形成原因，研究了两种利用海洋地材制备混凝土的关键技术，并对提升混凝土耐久性提出了相应的技术措施。

关键词：海洋地材;高耐久性;混凝土

中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： In view of the problems existing in the preparation of high durable concrete by using marine floor materials in China， the causes are analyzed， Two key technologies of using marine floor materials to preparing concrete are studied， and the corresponding technical measures to enhance the durability of concrete are given.

Keywords： marine floor material;high durability;concrete

随着我国经济的高速发展，建筑业迎来了快速增长，因此混凝土的需求量与日俱增。据估算，我国建筑用砂年需求量将达到26亿t[1]。当前，我国建筑用砂多用河砂，粗骨料多是破山碎石，大量开采河道积砂和炸山凿洞的行为给环境带来了巨大的负面影响。目前，我国正处在节能减排的关键时期，因此研究制作混凝土新材料刻不容缓。

随着人口膨胀、资源短缺及环境恶化等问题的日益突出，各国纷纷加快了对海洋资源的开发与利用。在当今高速发展的中国，利用海洋地材制配高耐久性混凝土，不仅可以缓解内陆资源短缺的问题，避免过度开发影响环境，还可以满足我国可持续发展和节能减排的要求。

1 海洋地材对混凝土耐久性的影响分析

目前，国内使用的海洋地材主要集中在海砂和珊瑚礁。海砂为海底卵石在海浪冲击下形成的颗粒，除含少量贝壳外，矿物成分与河砂大致相同。珊瑚礁则是一种特殊的岩土类型，矿物成分以文石和高镁方解石为主。

①选用海洋地材制备的混凝土，产生的碳化破坏要远比选用普通资源配制的混凝土严重，是碳化破坏与氯盐破坏相互作用的结果。因为混凝土中碳化破坏与氯盐破坏是一个相互影响、相互作用的破坏过程，所以这个过程大大加速了混凝土结构的破坏。混凝土碳化过程如图1所示[2]。

②为保证混凝土耐久性，混凝土中的Cl-浓度通常有一定的限值。达到或超过限值时，钢筋表面的碱性钝化膜就会被严重破坏，从而造成钢筋表面局部腐蚀破坏。由于存在Cl-，混凝土中离子通路被加强，在混凝土结构中形成了以“铁基体为阳极、大面积钝化膜区为阴极”的腐蚀电池，导致混凝土结构耐久性能被进一步恶化。极端情况下，混凝土保护层会崩塌，造成结构永久失效[2]。

③贝壳等是海洋地材中常见的杂质。当杂质含量较多时，混凝土在搅拌和施工时的和易性及其体积稳定性将会受到严重影响，也会显著降低混凝土硬化后的抗拉、抗压和抗折等诸多基本力学性能，同时会降低混凝土的抗渗性、抗冻性和耐磨性等耐久性能[2]。

④由于海洋地材中杂质较多，通常在海砂和珊瑚礁等集料中也会含有一定量的碱活性矿物。当混凝土含有超过一定量的碱活性矿物时，它有可能与集料中其他活性组分之间产生碱-集料反应出现膨胀，从而破坏混凝土结构[2]。

⑤硫化物和磷化物是海洋地材中的有害物质。在混凝土组分中，当这些有害物质超过一定的限值时，混凝土的早期强度将降低，混凝土硬化的初凝时间会被推后，会对混凝土工程的质量产生较大影响[2]。

2 海洋地材制備高耐久性混凝土的关键技术

配制混凝土的骨料一般可分为细骨料和粗骨料。通常，粗细骨料在混凝土总体积中的占比可以达到75%左右。骨料的技术指标要求有害杂质含量低、体表面积小、颗粒形状规则、颗粒级配合适、粗细程度适中、坚固性强及碱集料反应小等[3]。下面分析海砂骨料混凝土制备关键技术。

2.1 海砂的筛分试验

依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005），利用筛分析法测定不同区域海砂的细度模数和砂的级配，将不同区域的海砂与标准砂进行物理性质比较。细度模数计算出来后，从中选出出产海砂质量较稳定的区域作为长期供砂选址[4]。

2.2 细集料棱角性测定

依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005），利用间隙率法测定细集料棱角性。一般情况下，测定的细集料棱角性越大，内摩擦角就越大;球状颗粒少，细集料的表面构造就越粗糙。测定海砂的棱角性，选取适合的海砂进行混凝土制备，可以提高海砂与混合料之间的黏结力与强度[5]。

2.3 海砂氯离子含量、云母贝壳类杂质等含量的测定

对于海砂杂质含量的测定，氯离子含量采用化学滴定法测定。通过将海砂反复多次洗涤，使氯离子在水中充分溶解，过滤后用合适浓度的硝酸银溶液去滴定，滴定终点指示剂则用合适浓度的铬酸钾溶液，待溶液调整呈砖红色时结束，此时滴定液的氯离子含量可通过硝酸银溶液的消耗量计算得出。

2.4 海砂的淡化处理方法

海砂的淡化处理一般是指经过淡水洗涮、过滤净化后去除海砂中的盐分，尤其是要将大部分Cl-去除，再通过筛除杂质与粗颗粒，使得海砂的性能满足混凝土结构的工程要求。目前，国内对海砂淡化处理的主要方法如表1所示。

3 未经淡化海砂制配混凝土新技术

3.1 电化学除氯技术

电化学除氯技术是在不需要破坏原混凝土结构保护层的前提下，利用外加电场直接排出侵入混凝土保护层的氯盐等有害组分，是使已经锈蚀的钢筋表面重新钝化的一种新技术，可高效、快速、低成本、非破损型地修复钢筋混凝土。

3.2 电渗阻锈技术

在混凝土表面铺设阳极，并使之处于含有一定浓度的阻锈剂碱性电解质中，在阴极（钢筋）与阳极之间通以直流电流。在电场的作用下，外部电解质溶液中的阳离子阻锈基团快速向混凝土内部迁移。混凝土内带负电荷的氯离子向外部迁移，同时在阴极上发生生成OH-的阴极反应。当钢筋周围混凝土孔隙液中有效阻锈基团的含量与氯离子含量达到一定比例时，原先腐蚀的钢筋恢复钝态，停止腐蚀[6]。

3.3 双向电渗技术

双向电渗技术是将钢筋混凝土结构中的钢筋作为阴极，在结构外表面铺设不锈钢或铝合金网片作为阳极，在阳极和结构表面的范围内布设含阻锈剂的阳极电解液，并在阴阳极之间施以直流电压。在外加电场作用下，电解液中的阻锈剂阳离子会进入保护层，并向阴极（钢筋）迁移，而试件中的氯离子则会向阳极迁移，迁出混凝土[7]。

4 使用珊瑚礁混凝土的关键技术

4.1 珊瑚骨料的基本特性研究

珊瑚骨料为无胶结松散珊瑚碎屑沉积物，是一种天然轻骨料。它不同于天然碎石类粗骨料，与轻骨料混凝土中的陶粒、浮石类轻骨料也不完全相同。因为其孔隙率较大，所以其吸水率较高。粗骨料几何外形与表面粗糙程度对混凝土和易性影响较大，珊瑚颗粒表面比较粗糙，与水泥石之间的摩擦力也较大，且珊瑚碎屑形状特殊无规律，因此要想得到较好的施工性能，需要更多的水泥浆体将其包裹[8]。

4.2 珊瑚骨料混凝土的配合比研究

珊瑚骨料的性质决定了珊瑚骨料混凝土的配比及其基础性与普通混凝土不同。有研究测定了珊瑚骨料混凝土的水灰比在0.55～0.60，坍落度约为7.6 cm，粗骨料与细骨料占比分别为51%～54%和46%～49%，28 d龄期抗压强度约为20.7 MPa[9]。在制配珊瑚骨料混凝土时，在上述基础上配制多份混凝土试样，调整其水灰比及集料占比，通过力学试验来比较得出较为适宜的配合比。

4.3 珊瑚骨料混凝土的力学性能研究

影响珊瑚骨料混凝土强度的主要因素是水泥用量和用水量。因为珊瑚碎屑形状特殊无规律、比表面积大、自身强度低，所以水泥浆硬化的强度及程度对珊瑚骨料混凝土强度有着决定性影响。在配制珊瑚混凝土前，需对不同区域开采的珊瑚礁进行力学性能试验，制作成混凝土立方体进行力学性能试验，在系统分析珊瑚混凝土各力学指标间的关系及研究龄期与强度发展的规律后，最终选取合适的区域作为珊瑚礁供应地[10]。

5 结语

增强混凝土的耐久性，主要在于阻止海洋地材中的Cl-锈蚀钢筋。复合型阻锈剂能够在海洋地材制备的混凝土结构中有效降低钢筋的锈蚀，同时在对海洋地材制备的砂浆自身强度性能影响不大的前提下大幅提升其流动性。在进行混凝土配合比设计时，应对混凝土拌合物添加阻锈剂，根据添加的剂量不同来测定混凝土的力学性能，最终确定阻锈剂的选择及剂量。

粉煤灰、磨细矿渣和硅粉等作为目前研究和使用较普遍的矿物掺和料，其中含有的活性氧化硅与水泥水化产物CH反应产生一种新的CSH凝胶。这种凝胶有着较大的比表面积，通常能有效提升游离Cl-的吸附量，还能抑制其渗透到混凝土的内部。矿物掺和料中含有的另一种活性氧化铝与CH反应产生一种新的水化铝酸钙，也会结合游离Cl-生成一种水化氯铝酸钙晶体，使得混凝土中游离Cl-含量有所减少，还会使混凝土中的孔隙率大幅度减小，提升混凝土抗Cl-的滲透性能，同时大大提升混凝土结构的使用寿命。

表面涂覆阻锈剂也是提高混凝土耐久性的方式之一。目前，研究和使用较多的主要是氨基醇类的表面迁移型有机阻锈剂[6]。它的主要成分氨基醇以气相或液相快速迁移至混凝土内部，以物理方式或是化学方式吸附于钢筋表面，形成疏水单分子层保护膜，可有效隔离钢筋与腐蚀介质，使得钢筋表面难以铁离子化，达到阻止钢筋锈蚀、提高混凝土耐久性的效果。

参考文献：

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