珊瑚混凝土研究進展

鄧志恒，劉 兵，盛 軍，溫小艷，周敬凱

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004)

0 引 言

珊瑚混凝土(Coral Concrete)是指使用珊瑚砂和珊瑚骨料分別代替天然河砂和天然骨料，海水代替淡水制作而成的混凝土，主要分為珊瑚砂混凝土、珊瑚骨料混凝土、全珊瑚混凝土三類。我國擁有廣闊的領(lǐng)海，領(lǐng)海內(nèi)有大量的島礁；黨的十八大報告提出要提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國。島礁遠離大陸，如采用傳統(tǒng)混凝土，砂、石、淡水等主要建筑材料均要從大陸運輸，能耗高、成本高昂、周期長。因此，就地取材，制作符合要求的混凝土，成為加快島礁建設(shè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。島礁上的珊瑚礁資源豐富，島礁附近殘積大量的珊瑚碎屑是制作混凝土的天然骨料。同時，發(fā)改委等三部門也提出要大力發(fā)展新型海洋混凝土，使珊瑚礁、砂就地取材利用率大于75%。早在1951年美國學者Dempsey[1]就指出將珊瑚作為骨料制作珊瑚混凝土是可行的，1974年美國技術(shù)情報局報告[2]中也指出使用珊瑚作為混凝土骨料是可行的，接著澳大利亞學者Vines[3]、中國學者王以貴[4]、陳兆林[5-6]、盧博[7-8]、李偉峰[9]、王磊[10]等的大量研究均表明利用珊瑚作為骨料配制珊瑚混凝土是可行的，將珊瑚混凝土用于防波堤、護岸、生活設(shè)施等海島工程，其社會經(jīng)濟效益顯著，大大節(jié)省了工程成本和施工時間。因此，針對遠離大陸的島礁，在不破壞島礁生態(tài)環(huán)境的條件下，就地取材制作珊瑚混凝土，對推進島礁建設(shè)具有重要意義。

通過對大量文獻的調(diào)研、分析，從珊瑚骨料特性、珊瑚混凝土的力學性能、耐久性、體積穩(wěn)定性、疲勞特性、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能等幾個方面對目前有關(guān)珊瑚混凝土的文獻資料結(jié)論進行了概述和分析，旨在為珊瑚混凝土的工程應(yīng)用和后續(xù)研究提供借鑒與參考。

1 珊瑚骨料特性

珊瑚骨料通常指珊瑚碎屑、珊瑚斷肢、珊瑚砂，由圖1珊瑚骨料的XRD和EDS譜可知其主要成分為CaCO3。表1匯總了一些具有代表性的文獻中珊瑚骨料的物理指標，從表中可以看出，雖然珊瑚骨料各物理指標隨珊瑚骨料來源不同有一些差異，但均具有堆積密度低、孔隙率大、吸水率大、壓碎指標大、筒壓強度低、壓縮性大等特點。Arumugam等[11]指出珊瑚骨料具有磨損值大、吸水率隨粒徑的減小而減小、化學穩(wěn)定性好等特點。通過掃描電鏡和圖像分析發(fā)現(xiàn)珊瑚骨料顆粒形狀不規(guī)則、棱角多、表面粗糙、孔多[12-13]。Wang等[14-15]通過切片觀察還發(fā)現(xiàn)珊瑚骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)也差異巨大，有的多孔，有的密實，有的雖然密實但有孔洞，如圖2所示。

圖1 珊瑚骨料的XRD譜和EDS譜Fig.1 XRD pattern and EDS spectrum of coral aggregates

圖2 不同結(jié)構(gòu)的珊瑚骨料[14]Fig.2 Coral aggregates with different structures[14]

2 珊瑚混凝土的力學性能

由于骨料本身具有多孔、易碎、強度低等特性，按常規(guī)方法配制的珊瑚混凝土的抗壓強度不高，目前實驗室內(nèi)研究珊瑚混凝土所配置的強度多在C20到C40之間，但通過改善攪拌工藝、摻入礦物摻合料等方式可以配制出C50以上的珊瑚混凝土[14,16-18]。由于珊瑚骨料強度低、彈性模量較低，珊瑚混凝土試塊在受壓前期，表現(xiàn)出延性性質(zhì)，在達到峰值強度后出現(xiàn)明顯豎向裂紋，最后試件側(cè)面迅速隆起剝落，表現(xiàn)出明顯的脆性[19]，其抗壓強度也比普通混凝土低[20]，與陶粒混凝土相近[21]。Arumugam[11]、趙艷林[22]、王磊[23]、沈錦林[24]、Wang[25]、Ma[26]等指出珊瑚混凝土的早期抗壓強度發(fā)展快，后期發(fā)展慢，7 d抗壓強度可達28 d抗壓強度的80%以上(圖3)，表2匯總了不同文獻中珊瑚混凝土的7 d和28 d立方體抗壓強度，從表2中還可以看出，強度等級越高，其7 d抗壓強度與28 d抗壓強度比值越大。趙艷林[22]、李林[13]、韋灼彬[27]、楊海成[28]等基于試驗數(shù)據(jù)建立了28 d強度預(yù)測經(jīng)驗公式，如表3所示。李仲欣等[29-30]表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、相關(guān)向量機技術(shù)能夠有效地預(yù)測珊瑚混凝土的抗壓強度。楊海成等[28]還指出珊瑚混凝土的抗壓強度與灰水比存在二階多項式關(guān)系(fcu=-3.9(c/w)2+30c/w-5.6)，與砂漿強度也存在多項式關(guān)系(fcu=35.4fce-97.5)。韓超[31]、韋灼彬[27]等指出珊瑚骨料的強度、粒徑和水灰比對珊瑚混凝土的抗壓強度影響較大，而砂率和養(yǎng)護條件的影響很小。孫瀟等[32]指出水泥用量對珊瑚混凝土抗壓強度的影響遠大于其他因素。糜人杰等[17]指出珊瑚混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之間存在線性關(guān)系(fc=0.644 2fcu+9.582 52)。韋灼彬[27]、韓超[31]、李林[13]等也提出了類似的關(guān)系式(韓超：fc=0.94fcu,李林：fc=0.95fcu,韋灼彬：fc=0.90fcu)。Wang等[21]指出珊瑚混凝土的軸壓比大于普通混凝土，接近陶粒混凝土。

表1 珊瑚骨料物理指標Table 1 Physical index of coral aggregates

Note: the "-" indicates that there is no data in the corresponding literature.

圖3 珊瑚混凝土抗壓強度隨齡期的變化[22]Fig.3 Variation of compressive strength of coralconcrete with curing age[22]

陳兆林[5]、潘柏州[19]等研究發(fā)現(xiàn)海水具有早強劑的作用，使海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土的早期強度大于淡水拌養(yǎng)珊瑚混凝土。韓超[31]也指出海水拌養(yǎng)有利于珊瑚混凝土早期強度的發(fā)展，但后期影響不大。Ehlert[36]指出珊瑚混凝土具有較好的長期強度。陳飛翔等[35]指出使用養(yǎng)護膜養(yǎng)護珊瑚混凝土比標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和水養(yǎng)護更有利于其抗壓強度的發(fā)展，可獲得更高的抗壓強度。陳飛翔等[37]發(fā)現(xiàn)預(yù)濕珊瑚骨料有利于提高珊瑚混凝土的抗壓性能，Arumugam等[11]也建議使用預(yù)濕珊瑚骨料配置珊瑚混凝土，而李林等[38]則發(fā)現(xiàn)未預(yù)濕珊瑚骨料配制的珊瑚混凝土抗壓強度更高。

表2 珊瑚混凝土力學性能Table 2 Mechanical properties of coral concrete

Note: the "-" indicates that there is no data in the corresponding literature.

表3 珊瑚混凝土28 d立方體抗壓強度預(yù)測公式Table 3 Prediction formulas of cube compressive strength at 28 d for coral concrete

圖4 活性礦物摻入對珊瑚混凝土抗壓強度的影響[20]Fig.4 Effect of active minerals on compressive strength of coral concrete[20]

Cheng等[20,42]研究表明,添加偏高嶺土(MK)比添加粉煤灰(FA)和高爐礦渣(BFS)更能夠有效地提高珊瑚混凝土的抗壓強度(圖4)。陳友治等[43]則發(fā)現(xiàn)粉煤灰非但不能提高珊瑚混凝土的抗壓強度，反而會降低珊瑚混凝土的抗壓強度；而礦粉對于珊瑚混凝土的抗壓強度影響較小。Wang等[44]指出硅灰和粒化高爐礦渣對珊瑚混凝土的強度有負面作用。Wu等[45-46]則指出硅灰對珊瑚混凝土有增強作用，且增強作用在早期更明顯，而粉煤灰對珊瑚混凝土的早期強度有負面作用，對后期強度有增強作用。朱壽永等[47]指出合理的復(fù)摻偏高嶺土、粉煤灰、礦粉可將珊瑚混凝土的抗壓強度提高17.7%～21%。王磊等[48-51]指出劍麻纖維和聚丙烯纖維可以提高珊瑚混凝土的抗壓強度，且隨著纖維摻量的增加，劍麻/聚丙烯纖維珊瑚混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。陸金馳等[52]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維也能提高珊瑚混凝土的抗壓強度，最佳摻量約1～2 kg/m3。Liu等[53]則發(fā)現(xiàn)抗堿玻璃纖維的加入會輕微降低珊瑚混凝土的抗壓強度。

Liu等[53]指出抗堿玻璃纖維可以提高珊瑚混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度和韌性。王磊等[48-51]指出劍麻纖維和聚丙烯纖維可以顯著的改善珊瑚混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度，且隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。陸金馳等[52]指出玻璃纖維同樣可以提高珊瑚混凝土的劈裂抗拉強度，摻入玻璃纖維的珊瑚混凝土的劈裂抗拉破壞形式是塑性破壞。孫寶來[46]指出硅灰的摻入能有效地提高珊瑚混凝土的劈裂抗拉強度。

Li等[54]研究表明珊瑚混凝土的彈性模量比普通混凝土略低。郭超等[55]指出珊瑚混凝土的彈性模量不僅低于普通混凝土，還低于輕骨料混凝土。韓超[31]指出珊瑚混凝土的彈性模量大于輕骨料混凝土。Wang等[21]則指出珊瑚混凝土的彈性模量高于輕骨料混凝土中的浮石混凝土，但低于陶粒混凝土。Da等[16]指出珊瑚混凝土的彈性模量和其他混凝土一樣，都會隨著強度的提高而提高。Li等[54]指出加入粉煤灰和礦渣可一定程度上提高珊瑚混凝土的彈性模量。王磊等[51]指出聚丙烯纖維可以輕微地提高珊瑚混凝土的彈性模量，但仍低于普通混凝土。表4列出了部分文獻中給出的彈性模量計算公式，可見各文獻中給出的系數(shù)均有所差異。

表4 珊瑚混凝土彈性模量計算公式Table 4 Calculation formulas of elastic modulus for coral concrete

圖5 各種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比[16]Fig.5 Comparison of stress-strain curves for different typesof concrete[16]

Da等[16]指出珊瑚混凝土在單軸壓下，當荷載接近極限荷載時，棱柱體試件會迅速的發(fā)生劈裂破壞；珊瑚混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，下降段非常的短且比普通混凝土和輕骨料混凝土都陡，表現(xiàn)出更加明顯的脆性；提出了分段式本構(gòu)方程(式(1))，該式能反映珊瑚混凝土在單軸壓時的所有特征。Wang等[14]得到了類似結(jié)論，并指出其原因是珊瑚骨料本身強度低，在破壞時，珊瑚骨料發(fā)生破碎。韓超[31]指出由于珊瑚骨料的強度低，當珊瑚混凝土試塊出現(xiàn)裂縫后，即使荷載增加很小，也會導(dǎo)致裂縫不斷地擴展，并且破壞時表現(xiàn)出明顯的脆性；還發(fā)現(xiàn)CEB/FIP推薦的本構(gòu)模型能夠很好地擬合珊瑚混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，且這一本構(gòu)方程與王鵬[56]得出的陶粒混凝土本構(gòu)方程近似，這表明珊瑚混凝土的變形性能與陶粒混凝土類似。莫倩等[57]發(fā)現(xiàn)劍麻纖維珊瑚混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土類似，當劍麻纖維增加時，極限應(yīng)變隨之增加，但極限應(yīng)力卻隨之降低，提出了兩段式應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達式，但參數(shù)較多。

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余紅發(fā)、許瑋瀅等[58-62]還對堿式硫酸鎂水泥珊瑚混凝土、堿激發(fā)礦粉珊瑚混凝土、地質(zhì)聚合物基珊瑚混凝土、改性海水海砂珊瑚混凝土等新型珊瑚混凝土的制備技術(shù)、力學性能等進行了研究。

3 珊瑚混凝土的耐久性

Cheng等[20,42-43]研究表明珊瑚混凝土比普通混凝土具有更好的抗氯離子滲透性，添加偏高嶺土(MK)能夠有效地提高珊瑚混凝土的抗氯離子滲透性。Wattanachai等[63]則發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土的抗氯離子滲透性能較差。Da等[64]發(fā)現(xiàn)珊瑚混凝土表面的自由氯離子濃度和擴散系數(shù)與暴露時間之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系,指出使用抗硫酸鎂水泥配制珊瑚混凝土可以提高抗氯離子滲透性能。Ehlert[36]也指出珊瑚混凝土的氯離子滲透性很高，會對其中鋼筋的長期耐久性產(chǎn)生不利影響。Kakooei等[65-66]指出在珊瑚混凝土中鋼筋的腐蝕速度是普通混凝土中鋼筋腐蝕速度的兩倍。余紅發(fā)等[67]指出在鋼筋珊瑚混凝土中摻入氨基醇類阻銹劑能有效地降低鋼筋銹蝕速率。Wang等[44]指出摻入硅灰和粒化高爐礦渣后，珊瑚骨料中的氯離子不會引起鋼筋的銹蝕。竇雪梅等[68-69]指出在海洋環(huán)境中，珊瑚混凝土的表面氯離子濃度隨著暴露時間的延長而呈冪指數(shù)的增長，隨著養(yǎng)護齡期的延長而下降，隨著混凝土強度等級的增加而下降；珊瑚混凝土的表面氯離子濃度和增長速率遠大于相同條件下的普通混凝土，建議盡量延長養(yǎng)護時間。韋灼彬等[45,70]指出降低預(yù)濕程度有利于提升珊瑚混凝土的抗氯離子滲透性能,摻入粉煤灰、偏高嶺土和硅灰能顯著地提高珊瑚混凝土的抗氯離子滲透能力。朱壽永等[47]指出合理的復(fù)摻偏高嶺土、粉煤灰、礦粉能夠?qū)⑸汉骰炷恋穆入x子滲透系數(shù)降低66.7%～71%。陸金馳等[52]指出玻璃纖維的摻入對珊瑚混凝土的氯離子抗?jié)B性無顯著影響。

Cheng等[20,42]研究表明珊瑚混凝土的抗碳化性比普通混凝土差，添加偏高嶺土比添加粉煤灰和高爐礦渣更能夠有效地提高珊瑚混凝土的抗碳化性能。Li等[54]研究表明經(jīng)歷凍融循環(huán)后，珊瑚混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率都比普通混凝土大，但通過加入粉煤灰可以減少凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率，摻入礦渣則會使其抗凍性能更差。

4 珊瑚混凝土的其他研究

Ma、汪稔等[26,71]研究指出珊瑚混凝土的動態(tài)強度比普通混凝土具有更加明顯的應(yīng)變率敏感性，在相同條件下，珊瑚混凝土的抗沖擊性能優(yōu)于普通混凝土。王磊、余紅發(fā)等[72-73]指出摻入劍麻纖維、聚丙烯纖維和使用堿式硫酸鎂水泥均可以提高珊瑚混凝土的抗沖擊性能，復(fù)合使用纖維和堿式硫酸鎂水泥具有更好的增強效果。

Arumugam等[11]指出用干燥珊瑚碎屑配制珊瑚混凝土時其流動性相對同水灰比的普通混凝土差，使用預(yù)濕的珊瑚碎屑則可在一定程度上改善珊瑚混凝土的流動性。陳飛翔等[37]也指出對珊瑚骨料進行預(yù)濕，有利于改善珊瑚混凝土的工作性能。韋灼彬等[27]發(fā)現(xiàn)砂率對珊瑚混凝土的坍落度影響非常的顯著，坍落度隨體積砂率的增加而快速減小，其原因是珊瑚顆粒棱角度高、比表面積大、吸水率大，需要更多的水泥漿包裹。

Cheng等[20,42]指出珊瑚混凝土的干收縮性大于普通混凝土。郭超[34]指出珊瑚混凝土干收縮、溫縮系數(shù)大是由于水泥用量大，由水泥石收縮引起，可以通過摻入礦物摻和料、膨脹劑或減縮劑等改善珊瑚混凝土的收縮性能。Cheng等[20]還發(fā)現(xiàn)添加偏高嶺土比添加粉煤灰和高爐礦渣更能夠有效地降低珊瑚混凝土干收縮值。朱壽永等[47]指出合理的復(fù)摻偏高嶺土、粉煤灰、礦粉能夠?qū)⑸汉骰炷恋母稍锸湛s率降低36.7%～57.0%。

Wang、丁沙等[14,25,74]指出珊瑚混凝土中水泥基體與珊瑚砂界面過渡區(qū)比普通混凝土更加致密(圖6)，珊瑚混凝土與普通混凝土的孔差異主要發(fā)生在孔徑100 nm左右的孔。李林[13]指出珊瑚混凝土中界面過渡區(qū)的顯微硬度高于普通混凝土，但顯微硬度標準差大大高于普通混凝土，珊瑚混凝土的強度與0～30 μm范圍內(nèi)界面過渡區(qū)的顯微硬度存在線性關(guān)系，界面過渡區(qū)顯微硬度又與齡期存在對數(shù)關(guān)系。張栓柱[39]指出珊瑚混凝土界面區(qū)水化產(chǎn)物主要是氫氧化鈣、凹凸棒石、方英石等，其中凹凸棒石是珊瑚混凝土界面區(qū)顯微硬度早期增長的主要原因，而雪花狀、晶粒狀礦物是珊瑚混凝土后期強度增長的主要原因。袁征[33]則指出珊瑚混凝土中碳酸鎂的相對含量隨齡期增長而增加，其對珊瑚混凝土界面過渡區(qū)強度的發(fā)展具有重要影響。朱壽永等[47]發(fā)現(xiàn)礦物摻合料中的活性組分能與水化產(chǎn)物CH發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)化了珊瑚砂混凝土的內(nèi)部水化產(chǎn)物比例和孔結(jié)構(gòu)。

圖6 界面過渡區(qū)[14]Fig.6 Interface transition zone[14]

胡喬、李彪等[75-77]研究表明玄武巖、碳纖維等FRP筋珊瑚混凝土梁受彎時，其跨中截面應(yīng)變基本符合平截面假定，撓度和裂縫寬度比鋼筋普通混凝土大；FRP筋珊瑚混凝土梁受剪時，梁端部的珊瑚混凝土發(fā)生崩壞；FRP筋珊瑚混凝土梁的抗彎承載力比現(xiàn)行 FRP 規(guī)范計算的結(jié)果略低。王磊、陳爽等[78-83]指出FRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)強度能滿足一般工程需要；粘結(jié)破壞形態(tài)與FRP筋-普通混凝土粘結(jié)破壞形態(tài)無明顯差異，但更容易發(fā)生劈裂破壞；海水浸泡對GFRP筋的侵蝕較大、對CFRP筋侵蝕較小。趙鶴、王芳等[14,84-87]指出鋼管/FRP管珊瑚混凝土柱的軸壓承載力小于鋼管普通混凝土；混凝土強度等級和鋼筋類型對鋼筋珊瑚混凝土柱偏壓性能影響較小，鋼筋珊瑚混凝土柱中鋼筋分擔的荷載百分比大于普通鋼筋混凝土柱。Zhang等[88]也對GFRP約束珊瑚混凝土短柱的性能進行了研究。

5 總結(jié)與展望

綜上可見，在遠海島礁建設(shè)工程中，珊瑚混凝土是一種非常有應(yīng)用前景的新材料，近年來許多學者對珊瑚混凝土開展了一系列研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1)海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土具有明顯的早強性質(zhì)，且強度等級越高，早強性質(zhì)越明顯。

(2)珊瑚混凝土的抗壓強度相對較低，但通過特殊拌制工藝及摻入礦物摻合料等也可以配制出高強度珊瑚混凝土。

(3)珊瑚混凝土的抗拉強度、抗折強度略好于同等級普通混凝土，但其脆性比普通混凝土大，其彈性模量介于普通混凝土和輕骨料混凝土之間。

(4)珊瑚混凝土與普通混凝土相比，其工作性能和耐久性較差，但動態(tài)性能優(yōu)于普通混凝土。

目前對珊瑚混凝土的研究還處于起步階段，為了推廣其在實際工程中的應(yīng)用，還需要對其做大量的研究，可以從以下方向?qū)ι汉骰炷灵_展后續(xù)研究：

(1)珊瑚混凝土的抗凍性、抗碳化性、抗紫外線、抗腐蝕、耐疲勞、延性性能等。

(2)改性珊瑚混凝土、高性能珊瑚混凝土。

(3)珊瑚混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度破壞準則和本構(gòu)關(guān)系等。

(4)珊瑚混凝土構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的承載性能、抗震性能、耐候性能等。