海工混凝土原材料的特點(diǎn)及技術(shù)要求

鄭育文 韋嘉偉 蔡華權(quán) 黎佳和 謝志紅

（廣州航海學(xué)院 土木與工程管理學(xué)院）

0 引言

隨著21 世紀(jì)人類(lèi)進(jìn)入了大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用海洋的時(shí)期，我國(guó)在十八大報(bào)告[1]提出“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”，十九大報(bào)告[2]中指出“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”，可以相信，未來(lái)海洋產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。因此研究發(fā)展海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)以促進(jìn)海洋資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，我國(guó)進(jìn)行了沿海核能或風(fēng)力發(fā)電站、石油鉆井、軍民港口建設(shè)、跨海大橋、海島建設(shè)等大型海洋工程的建設(shè)，用于海洋工程建設(shè)的混凝土材料（簡(jiǎn)稱(chēng)“海工混凝土”）的研究及應(yīng)用成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。天然砂、石和淡水作為混凝土的重要基礎(chǔ)原材料，已經(jīng)被大量的消耗，并且對(duì)于海上和海島建設(shè)，經(jīng)常面臨著原材料運(yùn)輸距離長(zhǎng)、淡水缺乏等難題，而我國(guó)是擁有300 萬(wàn)平方公里主張管轄海域、1.8 萬(wàn)公里大陸海岸線(xiàn)的海洋大國(guó)，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?xí)r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(yīng)用于海洋工程建設(shè)中，可以有效解決上述的問(wèn)題。因此，相關(guān)學(xué)者對(duì)海工混凝土的開(kāi)發(fā)和研究日益增加，目前海工混凝土的種類(lèi)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(xì)骨料的混凝土）和珊瑚混凝土（珊瑚替代天然粗、細(xì)骨料的混凝土）等。本文旨在總結(jié)現(xiàn)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(diǎn)、技術(shù)要求并提出合理的建議。

1 海工混凝土的主要原材料特點(diǎn)及技術(shù)要求

1.1 海水

水作為混凝土的基本組成成分，對(duì)混凝土的工作性能（如流動(dòng)性）、力學(xué)性能（如強(qiáng)度發(fā)展）和耐久性有顯著影響。Zhao 等[3]通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研不同海域的海水鹽度，發(fā)現(xiàn)海水的化學(xué)成分均接近美國(guó)的ASTMD1141-98 規(guī)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(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生有利或不利的影響。海水中Cl-、SO42-的含量較高，一般認(rèn)為，水的pH 值會(huì)受到Cl-高含量的影響，而高濃度的Cl-能加速鋼的腐蝕；SO42-對(duì)混凝土強(qiáng)度有顯著影響，其存在會(huì)加速石膏和鈣礬石的形成，從而導(dǎo)致混凝土的膨脹和開(kāi)裂。然而，海水中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)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(xué)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(huì)增加混凝土的強(qiáng)度[4]，并且海水對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度有顯著影響[5]。因此，采用不同化學(xué)成分的海水作為攪拌用水時(shí)，需考慮Cl-和SO42-或Na+、K+、Ca2+、Mg2等陽(yáng)離子對(duì)混凝土性能的聯(lián)合作用。

選擇合適的水灰比，有利于提高海工混凝土的力學(xué)性能，這與普通混凝土相似。通常來(lái)說(shuō)，水灰比的降低能明顯提高混凝土的強(qiáng)度[6]。Zhao 等[3]通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研統(tǒng)計(jì)了已有文獻(xiàn)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(qiáng)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(jīng)海水沖刷、滾動(dòng)、碰撞、打磨而成，主要礦物為石英(SiO2)和長(zhǎng)石((K,Ca,Na)(AlSi)4O8)。然而，由于海砂所處的氣候區(qū)不同，不同地域的海砂的化學(xué)和物理性質(zhì)也有很大的差異。Xiao 等[10]人通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研不同地區(qū)海砂顆粒的典型級(jí)配，發(fā)現(xiàn)大部分不同海砂的粒徑分布在我國(guó)的《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ206-2010）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7033:1987 規(guī)定的二級(jí)海砂范圍內(nèi)附近，適合用于混凝土生產(chǎn)，但是來(lái)自某些地區(qū)的海砂的分級(jí)可能不令人滿(mǎn)意，在使用海砂之前需要進(jìn)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(zhì)地粗糙，細(xì)度模數(shù)較低；而在海岸線(xiàn)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(zhì)地較河砂光滑，細(xì)度模數(shù)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(zhì)，對(duì)混凝土的性能有顯著的影響。但有研究發(fā)現(xiàn)，粗糙表面的低細(xì)粒度海砂的使用能提高混凝土界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度[11]；相反使用表面光滑的海砂可能會(huì)降低粘結(jié)強(qiáng)度，從而降低混凝土的強(qiáng)度[12]。

海砂的用量與混凝土的的各項(xiàng)性能息息相關(guān)，然而，目前關(guān)于海砂用量對(duì)海工混凝土力學(xué)性能和耐久性影響的研究較少。已有研究發(fā)現(xiàn)，使用多種細(xì)骨料時(shí)，海砂占總細(xì)骨料的百分比對(duì)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(chóng)在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)吸收海水中的鈣和二氧化碳，然后產(chǎn)生石灰石作為其外殼，并經(jīng)群集相互粘結(jié)石化形成。珊瑚的礦物成分主要為霰石和方解石，化學(xué)成分主要為CaCO3（含量高達(dá)96%以上），珊瑚石經(jīng)過(guò)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(nèi)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(dá)50%，并具有較強(qiáng)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(jí)集中在II 區(qū)[15]。

珊瑚砂石表面粗糙，多孔結(jié)構(gòu)容易影響混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。珊瑚骨料的多孔性一般會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低，但由于制備過(guò)程中骨料會(huì)吸收部分拌合水，改變骨料周邊的局部水灰比，同時(shí)在硬化過(guò)程中又能釋放部分水實(shí)現(xiàn)“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”，促進(jìn)水泥水化放熱，并且讓骨料界面過(guò)渡區(qū)更致密，使得其在改善混凝土力學(xué)性能和耐久性能存在一定的可能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著粗骨料量的增加，珊瑚混凝土的強(qiáng)度先增加又降低，而強(qiáng)度隨著珊瑚砂率的增加而增加[16]。此外，蘇晨等[16]研究發(fā)現(xiàn)鹿角狀骨料對(duì)珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用最顯著，其次是重質(zhì)珊瑚礁骨料，最后是輕質(zhì)珊瑚礁骨料[17]。

珊瑚骨料可視為天然輕質(zhì)骨料，用于混凝土中的配合比完全按照普通混凝土的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)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(shù)規(guī)范》(JGJ51-2002)中的松散體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 海工混凝土的其他原材料特點(diǎn)及技術(shù)要求

2.1 水泥

水泥是無(wú)機(jī)膠凝材料，加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，能在空氣中或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)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(qiáng)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(tǒng)的硅酸鹽水泥相比，海工硅酸鹽水泥28 天抗蝕系數(shù)大于0.99，具有較強(qiáng)的抵抗Cl-、SO42-的能力，能使部分陽(yáng)離子K+、Ca2+固結(jié)到C-S-H 凝膠中，降低混凝土的堿含量，防止堿骨料反應(yīng)。此外，其水化熱低、抗?jié)B性能好，能提高混凝土的抗裂、抗?jié)B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(jié)合，對(duì)海工混凝土性能的影響與普通混凝土不同。相關(guān)文獻(xiàn)[3]調(diào)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(fā)現(xiàn)，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(jié)合能力[19]；含有40%～70%礦渣含量的海水混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和水滲透系數(shù)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(qiáng)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(guò)程中硅灰與水泥的相互作用[19]。由此，對(duì)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(guān)性能。

2.3 化學(xué)外加劑

在實(shí)際的施工環(huán)境和施工條件下，需要對(duì)工期進(jìn)行把控，因此需要在海工混凝土中添加化學(xué)外加劑，如減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑等。減水劑能夠滿(mǎn)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(yīng)用前景最好、綜合性能最優(yōu)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(lèi)型包括葡萄糖酸鈉、檸檬酸和四硼酸鈉等；早強(qiáng)劑能提高混凝土早期強(qiáng)度，常用類(lèi)型包括無(wú)水氯化鈣，無(wú)水硫酸鈉以及三乙醇胺等。孫冊(cè)[22]對(duì)不同類(lèi)型的緩凝劑和早強(qiáng)劑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)緩凝劑類(lèi)型中葡萄糖酸鈉對(duì)28 天混凝土的抗壓強(qiáng)度影響最明顯，最佳摻量為0.075%；早強(qiáng)劑類(lèi)型中無(wú)水硫酸鈉摻量在0.5%左右時(shí)發(fā)揮的作用較好，無(wú)水氯化鈣摻量在2%～3%時(shí)影響較為良好。

3 結(jié)語(yǔ)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(jīng)在很多重要工程中得以應(yīng)用，在工程經(jīng)濟(jì)合理性、安全試用性、環(huán)境適用性等方面有取得進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用的可能性。然而，海砂海水混凝土的應(yīng)用依然有不少問(wèn)題需要解決，其中由于不同文獻(xiàn)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(xué)性能、工作性能和耐久性能往往存在相互矛盾的結(jié)論。因此，進(jìn)行海工混凝土的生產(chǎn)時(shí)，選用的主要原材料如海水、海砂、珊瑚砂石等要進(jìn)行去雜質(zhì)處理，保證主要原材料的質(zhì)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(xué)外加劑（減水劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑），并通過(guò)合適的配合比設(shè)計(jì)方法優(yōu)化各組分材料配合比，制備出滿(mǎn)足實(shí)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(yīng)用，將促進(jìn)我國(guó)海港建設(shè)和島礁建設(shè)的發(fā)展，有利于海洋資源化利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。