海水珊瑚混凝土水分传输性能研究进展

何旭HE Xu；潘书才PAN Shu-cai；司强SI Qiang；曹旻骏CAO Min-jun

（①常州工程职业技术学院建工学院，常州 213164；②河海大学土木与交通学院，南京 210098）

0 引言

建设海洋强国已成为中国特色社会主义事业的重要组成部分。习近平总书记要求把海洋作为我国高质量发展的战略要地，“十四五”期间将大力协调推进海洋资源保护与开发[1]。随着我国海洋开发的推进，南海已然开启大量岛礁建设，并会有更多的近岸、离岸工程与填海造陆工程。

海洋开发与岛礁建设伴随着大量的土建工程，必然需要大量砂石资源与淡水资源。珊瑚礁（砂）是南海岛礁的主要构成物，是一种特殊的岩土类型，研究表明珊瑚礁（砂）可用于制备海工混凝土，海水更是用之不尽。用海水作为拌合水，珊瑚碎屑作为粗骨料，珊瑚砂作为细骨料，并采用海水养护的混凝土称之为海水珊瑚混凝土。这种混凝土不仅可以就地取材，节省材料成本与运输成本，并且建造的构筑物具有较好的适应海平面上升和海洋气候变化的优点[2]。上世纪90 年代海水珊瑚混凝土在西沙工程建设中得以初步应用，最近几年在南海岛礁建设中得以推广。因此海水珊瑚混凝土在南海岛礁建设中具有非常好的应用价值。

南海海域具有高盐、高温、高湿、以及温度湿度昼夜循环的特点，加上海水珊瑚混凝土较好的渗透性，导致南海海域海水珊瑚混凝土耐久性问题严重，经常会出现剥落、崩解、裂缝等破坏（图1），例如相对普通混凝土海水珊瑚混凝土具有较差的抗氯盐侵蚀能力[3]。大多数耐久性问题与水分在混凝土中的存在和传输密切相关，考虑到珊瑚特殊的孔隙结构，以及海水、珊瑚骨料作为拌合材料带入的大量可溶性盐，海水珊瑚混凝土的水分传输性能与普通混凝土有较大区别。

图1 南海岛礁环境珊瑚混凝土破坏现状[3]

海水珊瑚混凝土的应用研究推进了南海海洋资源开发利用，符合国家社会、政治、资源、航运和国防等多方面发展需求，同时减小了陆地不可再生砂石、淡水资源开发引发的环境破坏和生态破坏，减少了离岸建设中建筑材料的运输成本与碳排放。因此海水珊瑚混凝土是绿色、环保、低碳的建筑材料，有利于国家“双碳”战略目标的实施。水分传输性能是海水珊瑚混凝土能在南海海域安全应用必须面对的问题，是减小海水珊瑚混凝土耐久性问题的理论基础。因此海水珊瑚混凝土水分传输性能研究是海水珊瑚混凝土应用必须解决的科学问题。

1 国内外研究进展

1.1 海水珊瑚混凝土微观结构特征

珊瑚岛礁主要由珊瑚砂组成，由于长期浸泡在海水中，珊瑚砂含有与海水类似的可溶盐离子，主要有钠离子、镁离子、氯离子和硫酸根离子。珊瑚砂主要晶体晶型为文石、方解石和镁方解石等碳酸盐矿物，主要化学成分碳酸钙含量达96%以上，高碳酸钙含量的砂土一般质地脆、强度低，珊瑚砂也具备这种颗粒强度低的特征，导致其具有一般石英砂所不具备的颗粒破碎特性[4]。

珊瑚砂具有结构疏松多孔、体积质量相对较小、易破碎且高压缩等特点[5]。珊瑚混凝土的细观结构与普通混凝土不同，离子的传输路径具有特殊性[6]。由珊瑚配制的混凝土水分传输通道除了水泥浆体外还有珊瑚骨料。通过扫描电子显微镜（SEM）观测（图2），珊瑚砂多孔隙，且孔隙联通性较好，因此珊瑚砂具有较高的孔隙率、较好的渗透性与吸水性，其1 小时的吸水率最高可达16%，最终吸水率可高达20%[9]。珊瑚混凝土水分的传输速率和渗透深度远大于普通混凝土，且珊瑚混凝土28 天的吸水率和干缩率都明显大于普通混凝土，表明珊瑚混凝土更易受到干湿循环作用的影响[8]。目前，尚未发现珊瑚混凝土水分传输参数的测试数据。

图2 SEM 观测珊瑚砂微观结构[9]

珊瑚骨料具有“吸水-返水”的“微泵效应”[10，11]：初期拌制混凝土时，珊瑚骨料的强吸水性可以避免拌和水在骨料附近聚集，而且水泥浆体会深入骨料表面的开口孔隙，增强水泥浆体与珊瑚骨料之间的黏结性能[12]；早期养护阶段，珊瑚骨料中的水分被重新释放出来，进一步促进内部水化反应，继而大大提高珊瑚混凝土的早期强度。珊瑚骨料表面粗糙、多孔、长棒状及“微泵效应”使水泥基体与珊瑚骨料界面过渡区比普通混凝土更加致密，珊瑚混凝土与普通混凝土的孔隙差异主要发生在100nm 左右[13，14]。

由珊瑚砂配制的混凝土微观特征与普通混凝土有较大差异，珊瑚骨料特殊的孔隙结构为水分传输提供新的通道，这些均增加了海水珊瑚混凝土水分传输研究的难度与复杂性，有关海水珊瑚混凝土水分传输的微观影响机理研究较为缺乏。

1.2 海水珊瑚混凝土的内部盐侵蚀作用

根据侵蚀盐来源于拌合材料还是外部环境，可将盐侵蚀作用分为内部盐侵蚀与外部盐侵蚀。海水、珊瑚骨料携带可溶盐离子对海水珊瑚混凝土产生内部侵蚀作用。考虑到珊瑚骨料所含可溶盐离子与海水相似，海水珊瑚混凝土主要受到氯盐、硫酸盐的侵蚀作用，而阳离子主要是钠离子与镁离子。

海水珊瑚混凝土较大的渗透性导致人们更多地关注外部盐侵蚀作用，而忽视内部盐侵蚀作用。内部盐侵蚀通过可溶性无机盐对水泥浆体的化学反应或物理结晶改变混凝土的微观结构特征。海水、珊瑚骨料的可溶性无机盐带入混凝土的方式属于内掺型，在水化早期可溶性无机盐可与浆体中的羟钙石和水化铝酸钙反应，生成不溶性产物填充在混凝土毛细孔和裂缝处，使基体更为致密[15]。

海水珊瑚混凝土的内部盐侵蚀作用没有引起人们足够的重视，与此类似的是骨料中铁硫化物氧化释放的硫酸盐引起的内部硫酸盐侵蚀作用[16-18]，该作用导致大量的钙矾石生成引发混凝土膨胀、开裂，从而影响混凝土的正常使用[19]，氧扩散系数、岩相特征、骨料级配、环境湿度和硫化铁含量等因素均是影响硫化铁内部侵蚀的主要原因[20]。

珊瑚砂属于海砂的一种，混凝土中海砂携带的无机盐是逐渐从颗粒内部向附近浆体和孔隙液释放，海水作为拌合水自带的无机盐在混凝土中分布则是相对均匀的[21]。因此混凝土中海砂附近浆体无机盐的含量与距海砂颗粒距离有关，即由近及远不断降低[22，23]，且该过程是长期的[24]。海水海砂混凝土拌合时带入的氯盐会减小水泥浆体的孔隙率，且主要是减小100～300nm 的孔隙体积，100nm 以下孔隙含量反会随氯离子含量的增加而递增[25]。

有研究显示混凝土的抗渗性能只取决于混凝土本身的孔隙结构，而与混凝土原材料是否含有氯离子无关[26]。但是内部盐侵蚀作用会明显改变混凝土孔隙结构，且这个过程是长久的。因此内部盐侵蚀作用对海水珊瑚混凝土水分传输的影响是复杂、间接且长期的。

1.3 海水珊瑚混凝土水分传输模型

通常采用毛细吸水试验中的单位面积吸水率来评价混凝土的水分传输特征，并将其作为描述混凝土耐久性的一个重要指标[27，28]，其中I 为单位横截面面积累计吸水量，t为吸水时间。试验测试发现I-t0.5分布是非线性的，有学者认为I-t0.5分布偏离直线是由于重力的影响[29]，但是Zaccardi 等[30]认为这不太可能，因为在毛细水上升到接近平衡高度时重力的影响更加明显，但是早在吸水24 小时这种偏差就开始显现，此时距毛细作用达到平衡还有很长时间，Zaccardi 等[30]认为吸水肿胀是混凝土I-t0.5分布偏离直线主要原因，关于水分传输I-t0.5分布非线性特征的原因仍然存在争论。

规范ASTM C1585-2011[28]建议将I-t0.5曲线分为两段进行描述（图3），两段均采用线性函数拟合得到初始吸水率和第二吸水率，但是这种表示方式是不够准确且不方便的，不利于混凝土水分传输性能的数值预测。水分传输过程可以用FICK 第二定律描述，最常见的扩散系数主要有两种表现形式：幂形式与指数形式[31，32]。将这两种表现形式扩散系数带入扩散方程中，可以理论预测模拟混凝土的水分分布，但是这两种理论模型均无法表征I-t0.5分布非线性特征[33，34]。海水珊瑚混凝土受到内部盐侵蚀作用导致微观结构特征变化，进一步影响混凝土吸水性能或水分传输性能，这种影响是跟随内部盐侵蚀长期作用而变化的，然而这两种水分传输理论模型均无法表征内部盐侵蚀长期作用的影响。

图3 混凝土吸水测试的两个吸水阶段（ASTM C1585-2011[28]）

实测由海水、珊瑚砂、石子拌合而成混凝土的I 与t0.5的关系并不是线性的，反而I 与t0.25具有较好的线性关系[9]（图4）。这一特征并不是海水珊瑚砂混凝土独有的，对于吸水性能较差的混凝土也会出现这种特征[35-37]。目前针对这种非线性I-t0.5分布特征仅在试验中得以证实，缺乏相关水分传输模型的理论研究。

对于混凝土耐久性研究，准确模拟水分传输是非常关键的理论前提。描述混凝土水分传输的I-t0.5分布具有非线性特征，且内部盐侵蚀作用导致海水珊瑚混凝土水分传输性能长期变化，能够同时兼顾以上两种特征的海水珊瑚混凝土水分传输预测模型有待建立。

2 结论

海水珊瑚混凝土是符合国家“双碳”政策的绿色、环保、低碳建筑材料，迎合国家南海海域社会、政治、经济和国防等多方面发展需求。针对南海海域海水珊瑚混凝土长期应用，水分传输性能研究是必须解决的科学问题，是海水珊瑚混凝土安全应用的基础与保障。基于上述背景与相关调研，海水珊瑚混凝土水分传输性能研究存在下列问题：

①海水珊瑚混凝土水分传输性能不同于普通混凝土，具有双重水分传输通道，有关海水珊瑚混凝土水分传输的微观影响机理研究较为缺乏。

②海水、珊瑚骨料作为拌合材料对混凝土的内部盐侵蚀作用会改变微观结构以及水分传输性能，这种改变是复杂、间接且长期的，有关海水珊瑚混凝土水分传输性能的长期微观影响机理尚待研究。

③现有的混凝土水分传输理论模型没有考虑水分传输I-t0.5分布的非线性特征，以及内部盐侵蚀作用的长期影响，目前缺乏能够同时兼顾以上两种特征的海水珊瑚混凝土水分传输预测模型。