珊瑚混凝土力学性能研究进展★

2021-11-23刘基程张俊男刘华超

山西建筑 2021年23期

周聪，刘基程，张俊男，刘华超

(陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京 210007)

南海及南海诸岛位于我国大陆南方，地处西太平洋与印度洋航道要冲，是我国同世界各国交流贸易的咽喉要道。近年来，菲律宾、越南等其他周边国家非法侵占我国南海岛礁(中业岛、弹丸礁、南威岛等)，其事关国家安全与稳定。因此，我国不得不加快推进南海岛礁工程建设，维护我国海洋合法权益。

混凝土材料是工程建设的主要材料，但南海岛礁远离大陆，传统砂石骨料及淡水资源匮乏，倘若所有建筑原材料均从大陆运输，不仅运输成本高昂，而且施工进度无法得到保证[1-2]。二战时期，美国率先于塞班岛、关岛等太平洋海岛上利用珊瑚礁石及海水资源制备混凝土以替代普通混凝土在海防工程建设中的地位，大量修建机场跑道、公路以及重要建筑，缓解了海岛建筑原材料匮乏等问题[3-4]。自此，包括中国在内的许多海洋权益国家对珊瑚混凝土在海洋工程中的推广应用达成了共识，先后开展了海水拌养珊瑚混凝土的力学特性试验研究，珊瑚混凝土逐渐成为岛礁工程建设主要承载体和建筑材料来源之一[5-7]。本文总结了珊瑚混凝土静/动态力学特性、耐久性及力学改性研究等方面成果，为岛礁工程建设提供了较为深远的技术支撑与应用价值。

1 珊瑚混凝土基本物理力学特性

1.1 珊瑚混凝土制备及基本物理性质

珊瑚混凝土是指利用海岛岛礁附近的珊瑚礁砂作为混凝土粗、细骨料，并与水泥凝胶体、矿物掺合料、水和外加剂搅拌浇筑养护而成的复合型材料。珊瑚礁石是珊瑚虫死亡后长时间沉积而形成的，主要分布在热带海洋中，多以文石和方解石形式存在，其主要化学成分为碳酸钙且表面附有大量氯离子，一般呈现出层状或笼状结构[8-9]。珊瑚砂单颗粒抗压强度低但具有明显的应变率效应[10]。珊瑚骨料的XRD谱见图1。

研究表明，珊瑚混凝土力学特性基本满足岛礁工程中普通建筑及构筑物施工要求，珊瑚混凝土的表观密度在1 950 kg/m3～2 500 kg/m3，纵波波速约为3 600 m/s～4 900 m/s，横波波速为1 400 m/s～2 500 m/s。

1.2 珊瑚混凝土基本力学性能及影响因素

珊瑚混凝土抗压强度范围一般是30 MPa～50 MPa之间，其弹性模量介于普通混凝土与轻骨料混凝土之间，约为23 GPa～37 GPa，泊松比在0.23～0.26范围内[11-13]。此外，如图2所示，珊瑚混凝土具有明显的早强特性，7 d龄期抗压强度可达到28 d强度的80%，后期强度增长速度趋缓。一方面是因为珊瑚骨料在搅拌阶段吸水，而养护阶段返水，这种“微泵效应”可以促使混凝土的 “内养护”作用更明显，混凝土内部发生二次水化作用，使得珊瑚混凝土早期强度增长较快；另一方面，珊瑚骨料及海水中含有高浓度的氯离子，而氯盐离子对珊瑚混凝土的早期强度发展可以起到促进作用[14-18](见图3)。

珊瑚混凝土的劈裂强度、轴心抗压强度、抗折强度与立方体抗压强度之间近似呈线性相关关系[19-20]。其整体抗压强度主要与水泥砂浆强度、珊瑚骨料强度以及骨料与水泥砂浆界面过渡区黏结强度有关[21]。一般地，珊瑚骨料自身强度低且易破碎，而其表面含有大量微孔隙结构，水泥砂浆能够更好地嵌入珊瑚骨料内部，界面过渡区黏结强度高于骨料强度；此外，水泥砂浆强度一般均高于珊瑚骨料强度，因此混凝土内部破坏通常由珊瑚骨料开始，沿“强度薄弱面”发生破坏，脆性特征显著[22]。因此，珊瑚混凝土整体强度主要受限于珊瑚骨料强度，优质珊瑚骨料(尽量避免使用枝棒状以及鹿角状珊瑚骨料)能够有效改善珊瑚混凝土的力学性能。

此外，水灰比的大小会直接影响珊瑚混凝土的强度，其范围一般在0.4～0.6之间。鉴于珊瑚骨料的强吸水性，倒入拌合料之后可以进行分批次加水，防止在搅拌的过程中出现泌水或者分层离析的现象[23]。

水泥品种、砂率、矿物掺合料、拌合水以及养护方式等同样对珊瑚混凝土的力学特性有一定程度的影响[24-26]。研究发现，体积掺量为20%～30%的硅灰等矿物掺合料可有效提高珊瑚混凝土的抗压强度以及劈裂抗拉强度，主要是归因于物理和化学两方面：一方面，硅灰凭借其细小的颗粒结构能够深入珊瑚骨料的孔隙结构中，改善了珊瑚骨料的原生孔隙缺陷，另一方面硅灰能与水泥凝胶体充分发生水化反应，使得水泥浆体渗入珊瑚骨料孔隙，界面黏结性能更好。

2 耐久性

2.1 氯离子侵蚀

如图4所示，珊瑚混凝土结构服役于热带海洋湿热环境中，饱受海水冲刷，风浪侵蚀等威胁，而珊瑚骨料以及海水中含有大量氯离子，极易导致混凝土保护层开裂、剥落以及内部钢筋外露、锈蚀等后果，从而严重削减了珊瑚混凝土结构承载力，因此珊瑚混凝土结构的耐久性影响不容忽视。在同一服役环境中，相较于普通混凝土，珊瑚混凝土表面自由氯离子含量约高13倍～28倍[27-28]。

2.2 混凝土碳化

混凝土碳化作用是指环境中的CO2气体通过混凝土微孔隙进入混凝土内并与水化产物Ca(OH)2、水化酸钙等反应生成非溶解性盐(CaCO3)，此化学反应过程是混凝土(碱性材料)pH值降低的过程，也可称之为混凝土中性化，同样会对混凝土耐久性产生严重的影响(如图5所示)。碳化作用产生的非溶解性盐相较于水化产物体积膨胀，微观上改变了混凝土孔隙结构，进而影响混凝土的强度及耐久性；宏观上表现为混凝土膨胀、剥落、钢筋锈蚀，服役寿命缩短等特征[29]。

在海洋环境中，混凝土碳化与氯离子侵蚀的耦合作用对结构耐久性将造成极大威胁，混凝土内部氯离子含量与碳化程度呈正相关关系，因此碳化将加剧钢筋的锈蚀[30-31]。

3 珊瑚混凝土改性研究

3.1 强度的提升

一直以来，许多学者都在开展珊瑚混凝土改性试验研究，其中强度、韧性指标是岛礁防护工程的关注重点。鉴于珊瑚骨料孔隙率大，采用矿渣、粉煤灰[32]或者硅灰等细小矿物掺合料对颗粒孔隙结构进行填充，并在孔隙内与水泥凝胶体及其水化产物Ca(OH)2反应，改善骨料与水泥基体间的结构特征，提高两者之间的黏结性能，进而改善珊瑚混凝土整体强度。

剑麻纤维、碳纤维等也能够有效改良珊瑚混凝土的力学性能(见表1)，主要是因为混凝土硬化后，纤维材料在水泥砂浆之间起拉结作用，延缓了混凝土内部微裂缝的萌生和扩展，表现为阻裂特征，故强度与韧性均得到一定程度的提高，但纤维掺量存在最优值，过量纤维材料不易分散均匀，缠杂成团的纤维反而易与水泥浆体形成界面薄弱区，从而导致珊瑚混凝土力学性能得不到提升。因此，纤维改性存在一个最优掺量值，使得改性珊瑚混凝土力学性能发挥到极致。

表1 纤维改性研究成果

3.2 耐久性改良

珊瑚混凝土孔隙率大，氯离子以及CO2气体扩散系数较大，氯离子侵蚀与混凝土碳化联合作用导致珊瑚混凝土耐久性差，一般表现为混凝土剥落，钢筋锈蚀等现象。为减缓氯离子的扩散速度，可适当增加混凝土保护层厚度，并在施工时适当增加搅拌时间并且加强振捣，能够有效提高混凝土密实度以及抗渗性能。通过极化电阻法对钢筋锈蚀程度定量监测，研究发现海防工程珊瑚混凝土结构保护层厚度设计至少为55 mm，强度等级至少为C50。此外，相较于普通硅酸盐水泥，抗硫酸盐水泥对于改善混凝土抗渗性能效果更好，大幅减小了氯离子扩散速度。适当降低水灰比，增加碱性物质储备即水化产物含量，同样有利于减缓碳化作用，进而提高混凝土结构的耐久性。

另外，涂层钢筋、纤维筋及复合筋等特殊筋材的研发也在一定程度上弥补了珊瑚混凝土结构耐久性差的缺陷，其中有机涂层钢筋防锈性价比最优；在结构外表面增添附加防护措施(防腐蚀涂层等)也同样能够延长珊瑚混凝土结构的服役寿命。

4 动态力学特性

与准静态条件相比，混凝土类材料在高速冲击条件下展现出的力学特性存在明显区别，混凝土的动态强度、破坏应变、能量演化以及破坏模式等均随着应变率的变化而变化。全珊瑚混凝土在分离式霍普金森压杆高速冲击压缩条件下，应变率范围在101～103之间，抗压强度及动态强度增长因子(DIF)均随着应变率的增加而增加，这主要是因为试样在高速冲击条件下微裂纹开展滞后于试样整体变形，从而动态压缩强度表现为应变率效应；并且应变率越大，输入能量越大，试样的吸收能也越大，试样的破碎程度也越高[39]。吴彰钰等[40]和Ma H等[41]分别对强度等级为C45和C75的珊瑚混凝土动态压缩力学特性进行了试验研究，发现普通和高强珊瑚混凝土的动态压缩强度与DIF值均表现出明显的应变率正相关性，并通过LS-DYNA模拟得到试样的动态应力-应变曲线以及破坏形态，模拟研究与试验结果相吻合(见图6，图7)。

此外，剑麻纤维的掺入与碱式硫酸镁水泥都可以明显改善珊瑚混凝土的动态力学性能、阻裂性能以及韧性指标[42-43]；珊瑚混凝土在冲击锤冲击作用下表现出了显著的脆性特征，而纤维的掺入能够有效提高珊瑚混凝土抗冲击性能以及韧性指标[44]。珊瑚混凝土的动态抗压强度同样具备显著的尺寸效应，可表示为幂函数形式，因此考虑应变率效应与尺寸效应的耦合作用对珊瑚混凝土的力学性能的预测评估具有较为深远的工程意义[45]。