利用海洋地材制備高耐久性混凝土的技術(shù)研究

陳旭元 曹偉

摘 要：針對國內(nèi)利用海洋地材制備高耐久性混凝土存在的問題，分析其形成原因，研究了兩種利用海洋地材制備混凝土的關(guān)鍵技術(shù)，并對提升混凝土耐久性提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：海洋地材;高耐久性;混凝土

中圖分類號：P75 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑業(yè)迎來了快速增長，因此混凝土的需求量與日俱增。據(jù)估算，我國建筑用砂年需求量將達到26億t[1]。當前，我國建筑用砂多用河砂，粗骨料多是破山碎石，大量開采河道積砂和炸山鑿洞的行為給環(huán)境帶來了巨大的負面影響。目前，我國正處在節(jié)能減排的關(guān)鍵時期，因此研究制作混凝土新材料刻不容緩。

隨著人口膨脹、資源短缺及環(huán)境惡化等問題的日益突出，各國紛紛加快了對海洋資源的開發(fā)與利用。在當今高速發(fā)展的中國，利用海洋地材制配高耐久性混凝土，不僅可以緩解內(nèi)陸資源短缺的問題，避免過度開發(fā)影響環(huán)境，還可以滿足我國可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的要求。

1 海洋地材對混凝土耐久性的影響分析

目前，國內(nèi)使用的海洋地材主要集中在海砂和珊瑚礁。海砂為海底卵石在海浪沖擊下形成的顆粒，除含少量貝殼外，礦物成分與河砂大致相同。珊瑚礁則是一種特殊的巖土類型，礦物成分以文石和高鎂方解石為主。

①選用海洋地材制備的混凝土，產(chǎn)生的碳化破壞要遠比選用普通資源配制的混凝土嚴重，是碳化破壞與氯鹽破壞相互作用的結(jié)果。因為混凝土中碳化破壞與氯鹽破壞是一個相互影響、相互作用的破壞過程，所以這個過程大大加速了混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。混凝土碳化過程如圖1所示[2]。

②為保證混凝土耐久性，混凝土中的Cl-濃度通常有一定的限值。達到或超過限值時，鋼筋表面的堿性鈍化膜就會被嚴重破壞，從而造成鋼筋表面局部腐蝕破壞。由于存在Cl-，混凝土中離子通路被加強，在混凝土結(jié)構(gòu)中形成了以“鐵基體為陽極、大面積鈍化膜區(qū)為陰極”的腐蝕電池，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能被進一步惡化。極端情況下，混凝土保護層會崩塌，造成結(jié)構(gòu)永久失效[2]。

③貝殼等是海洋地材中常見的雜質(zhì)。當雜質(zhì)含量較多時，混凝土在攪拌和施工時的和易性及其體積穩(wěn)定性將會受到嚴重影響，也會顯著降低混凝土硬化后的抗拉、抗壓和抗折等諸多基本力學(xué)性能，同時會降低混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐磨性等耐久性能[2]。

④由于海洋地材中雜質(zhì)較多，通常在海砂和珊瑚礁等集料中也會含有一定量的堿活性礦物。當混凝土含有超過一定量的堿活性礦物時，它有可能與集料中其他活性組分之間產(chǎn)生堿-集料反應(yīng)出現(xiàn)膨脹，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)[2]。

⑤硫化物和磷化物是海洋地材中的有害物質(zhì)。在混凝土組分中，當這些有害物質(zhì)超過一定的限值時，混凝土的早期強度將降低，混凝土硬化的初凝時間會被推后，會對混凝土工程的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響[2]。

2 海洋地材制備高耐久性混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

配制混凝土的骨料一般可分為細骨料和粗骨料。通常，粗細骨料在混凝土總體積中的占比可以達到75%左右。骨料的技術(shù)指標要求有害雜質(zhì)含量低、體表面積小、顆粒形狀規(guī)則、顆粒級配合適、粗細程度適中、堅固性強及堿集料反應(yīng)小等[3]。下面分析海砂骨料混凝土制備關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 海砂的篩分試驗

依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005），利用篩分析法測定不同區(qū)域海砂的細度模數(shù)和砂的級配，將不同區(qū)域的海砂與標準砂進行物理性質(zhì)比較。細度模數(shù)計算出來后，從中選出出產(chǎn)海砂質(zhì)量較穩(wěn)定的區(qū)域作為長期供砂選址[4]。

2.2 細集料棱角性測定

依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005），利用間隙率法測定細集料棱角性。一般情況下，測定的細集料棱角性越大，內(nèi)摩擦角就越大;球狀顆粒少，細集料的表面構(gòu)造就越粗糙。測定海砂的棱角性，選取適合的海砂進行混凝土制備，可以提高海砂與混合料之間的黏結(jié)力與強度[5]。

2.3 海砂氯離子含量、云母貝殼類雜質(zhì)等含量的測定

對于海砂雜質(zhì)含量的測定，氯離子含量采用化學(xué)滴定法測定。通過將海砂反復(fù)多次洗滌，使氯離子在水中充分溶解，過濾后用合適濃度的硝酸銀溶液去滴定，滴定終點指示劑則用合適濃度的鉻酸鉀溶液，待溶液調(diào)整呈磚紅色時結(jié)束，此時滴定液的氯離子含量可通過硝酸銀溶液的消耗量計算得出。

2.4 海砂的淡化處理方法

海砂的淡化處理一般是指經(jīng)過淡水洗涮、過濾凈化后去除海砂中的鹽分，尤其是要將大部分Cl-去除，再通過篩除雜質(zhì)與粗顆粒，使得海砂的性能滿足混凝土結(jié)構(gòu)的工程要求。目前，國內(nèi)對海砂淡化處理的主要方法如表1所示。

3 未經(jīng)淡化海砂制配混凝土新技術(shù)

3.1 電化學(xué)除氯技術(shù)

電化學(xué)除氯技術(shù)是在不需要破壞原混凝土結(jié)構(gòu)保護層的前提下，利用外加電場直接排出侵入混凝土保護層的氯鹽等有害組分，是使已經(jīng)銹蝕的鋼筋表面重新鈍化的一種新技術(shù)，可高效、快速、低成本、非破損型地修復(fù)鋼筋混凝土。

3.2 電滲阻銹技術(shù)

在混凝土表面鋪設(shè)陽極，并使之處于含有一定濃度的阻銹劑堿性電解質(zhì)中，在陰極（鋼筋）與陽極之間通以直流電流。在電場的作用下，外部電解質(zhì)溶液中的陽離子阻銹基團快速向混凝土內(nèi)部遷移。混凝土內(nèi)帶負電荷的氯離子向外部遷移，同時在陰極上發(fā)生生成OH-的陰極反應(yīng)。當鋼筋周圍混凝土孔隙液中有效阻銹基團的含量與氯離子含量達到一定比例時，原先腐蝕的鋼筋恢復(fù)鈍態(tài)，停止腐蝕[6]。

3.3 雙向電滲技術(shù)

雙向電滲技術(shù)是將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，在結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)不銹鋼或鋁合金網(wǎng)片作為陽極，在陽極和結(jié)構(gòu)表面的范圍內(nèi)布設(shè)含阻銹劑的陽極電解液，并在陰陽極之間施以直流電壓。在外加電場作用下，電解液中的阻銹劑陽離子會進入保護層，并向陰極（鋼筋）遷移，而試件中的氯離子則會向陽極遷移，遷出混凝土[7]。

4 使用珊瑚礁混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 珊瑚骨料的基本特性研究

珊瑚骨料為無膠結(jié)松散珊瑚碎屑沉積物，是一種天然輕骨料。它不同于天然碎石類粗骨料，與輕骨料混凝土中的陶粒、浮石類輕骨料也不完全相同。因為其孔隙率較大，所以其吸水率較高。粗骨料幾何外形與表面粗糙程度對混凝土和易性影響較大，珊瑚顆粒表面比較粗糙，與水泥石之間的摩擦力也較大，且珊瑚碎屑形狀特殊無規(guī)律，因此要想得到較好的施工性能，需要更多的水泥漿體將其包裹[8]。

4.2 珊瑚骨料混凝土的配合比研究

珊瑚骨料的性質(zhì)決定了珊瑚骨料混凝土的配比及其基礎(chǔ)性與普通混凝土不同。有研究測定了珊瑚骨料混凝土的水灰比在0.55～0.60，坍落度約為7.6 cm，粗骨料與細骨料占比分別為51%～54%和46%～49%，28 d齡期抗壓強度約為20.7 MPa[9]。在制配珊瑚骨料混凝土?xí)r，在上述基礎(chǔ)上配制多份混凝土試樣，調(diào)整其水灰比及集料占比，通過力學(xué)試驗來比較得出較為適宜的配合比。

4.3 珊瑚骨料混凝土的力學(xué)性能研究

影響珊瑚骨料混凝土強度的主要因素是水泥用量和用水量。因為珊瑚碎屑形狀特殊無規(guī)律、比表面積大、自身強度低，所以水泥漿硬化的強度及程度對珊瑚骨料混凝土強度有著決定性影響。在配制珊瑚混凝土前，需對不同區(qū)域開采的珊瑚礁進行力學(xué)性能試驗，制作成混凝土立方體進行力學(xué)性能試驗，在系統(tǒng)分析珊瑚混凝土各力學(xué)指標間的關(guān)系及研究齡期與強度發(fā)展的規(guī)律后，最終選取合適的區(qū)域作為珊瑚礁供應(yīng)地[10]。

5 結(jié)語

增強混凝土的耐久性，主要在于阻止海洋地材中的Cl-銹蝕鋼筋。復(fù)合型阻銹劑能夠在海洋地材制備的混凝土結(jié)構(gòu)中有效降低鋼筋的銹蝕，同時在對海洋地材制備的砂漿自身強度性能影響不大的前提下大幅提升其流動性。在進行混凝土配合比設(shè)計時，應(yīng)對混凝土拌合物添加阻銹劑，根據(jù)添加的劑量不同來測定混凝土的力學(xué)性能，最終確定阻銹劑的選擇及劑量。

粉煤灰、磨細礦渣和硅粉等作為目前研究和使用較普遍的礦物摻和料，其中含有的活性氧化硅與水泥水化產(chǎn)物CH反應(yīng)產(chǎn)生一種新的CSH凝膠。這種凝膠有著較大的比表面積，通常能有效提升游離Cl-的吸附量，還能抑制其滲透到混凝土的內(nèi)部。礦物摻和料中含有的另一種活性氧化鋁與CH反應(yīng)產(chǎn)生一種新的水化鋁酸鈣，也會結(jié)合游離Cl-生成一種水化氯鋁酸鈣晶體，使得混凝土中游離Cl-含量有所減少，還會使混凝土中的孔隙率大幅度減小，提升混凝土抗Cl-的滲透性能，同時大大提升混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

表面涂覆阻銹劑也是提高混凝土耐久性的方式之一。目前，研究和使用較多的主要是氨基醇類的表面遷移型有機阻銹劑[6]。它的主要成分氨基醇以氣相或液相快速遷移至混凝土內(nèi)部，以物理方式或是化學(xué)方式吸附于鋼筋表面，形成疏水單分子層保護膜，可有效隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)，使得鋼筋表面難以鐵離子化，達到阻止鋼筋銹蝕、提高混凝土耐久性的效果。

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