基于WOS數據庫的海水海砂混凝土研究分析★

黃學開，于建軍，高健美，李 勇，李珊珊,2

(1.河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050000； 2.中土大地國際建筑設計有限公司，河北 石家莊 050000)

1 概述

淡水和細砂一直都是混凝土制作的兩種重要原材料，但隨著多年來地消耗，淡水河砂已經呈現出匱乏的趨勢。為解決資源儲備不足的問題，海水海砂作為新材料開始走入人們視線。相比之下，海水海砂具有儲存量大、易就地取材等優勢。但海水海砂中含有大量的氯離子、硫酸根離子等帶有侵蝕危害的物質，容易對結構或構件產生破壞。據報道顯示，早在2003年里，寧波市一年的建筑用砂中有80%為海砂，其中使用的未淡化的海砂所占比例高達65%，其對城市的建筑物質量造成巨大危害[1-2]。故在進行海水海砂對淡水河砂的替代應用之前，應更加深入全面地研究海水海砂對混凝土各方面性能的影響規律，是實現SWSSC在實際工程應用的前提與基礎。

2 文獻計量檢索及研究方向

本文在Web of Science數據庫中，輸入關鍵字“Sea sand concrete”(“海水海砂混凝土”)。由于本關鍵詞不存在關鍵詞分歧的問題，故不再需要增加關鍵詞，來提升其準確性。將所檢索到的文獻導入到可視化工具VOSviewer中，本文對檢索文獻各主要研究方向的數量進行了統計(如圖1所示)。由圖1可見，近年來研究的熱點緊緊圍繞在SWSSC使用性能中在不同環境條件下的耐久性問題。

3 海水海砂混凝土的工作性能研究進展

經研究表明，海水海砂對混凝土工作性能的影響主要體現在初凝時間、流動性與坍落度三個方面。Etxeberria等[3]研究表明，以海水為原料的混凝土相較于淡水攪拌的混凝土初凝時間減少30%。Safi等[4]通過試驗得出結論，海水海砂的流動性隨著海砂中貝殼類物質含量的增加而降低。Younis等[5]研究發現水膠比相同時，海水混凝土相比淡水混凝土坍落度降低了20%。陳人云[6]研究表明SWSSC的坍落度隨氯鹽和貝殼含量的增加而減小。

盡管目前對SWSSC的工作性能進行了大量的研究分析，可在研究結論上始終存在著一定的分歧，但研究的重心始終圍繞在其力學性能和長期耐久性問題分析。

3.1 海水和海砂混凝土力學性能的研究

在SWSSC的早期強度研究上，大多數學者認為海水海砂地加入會提升混凝土的早期抗壓強度。郭東等[7]研究了海水和珊瑚礁對混凝土的影響，研究發現其早期強度發展較快，但后期逐漸減慢，最終的抗折與抗劈裂強度與普通混凝土相差不大。李田雨等[8]研究表明相比淡水河砂混凝土，海水和海砂地使用可以使水泥水化更充分，從而使混凝土早期強度提高。然而在SWSSC的長期強度方面，一直存在較多的爭議。秦斌[9]研究發現，海水和海砂對基體的阻礙作用幾乎可以忽略不計，混凝土整體的力學性能與普通混凝土沒有明顯的差異。Xiao等[10]的研究結果表明，SWSSC甚至表現出更佳的長期抗壓強度。陳振等[11]研究發現，當在膠凝材料中摻入活性粉末且采用高溫養護時，混凝土抗壓強度可達到140 MPa,明顯高于SWSSC和普通混凝土。

筆者認為研究結果上產生的差異可能與研究環境和試驗材料的差異有關，研究人員要正確面對研究結論上產生的差異，用更多具有代表性和說服力的試驗數據來證明SWSSC性能的優劣。

3.2 加入纖維增強聚合物(FRP)后海水海砂混凝土力學性能的研究進展

李川川[12]證明了鋼纖維不僅能夠提高混凝土的劈裂抗拉強度，還能提高混凝土的延性，降低高荷載下大變形構件的破壞幾率。Huang等[13]探討了利用海水海砂生產高強度工程水泥基復合材料的可行性，研究了海砂粒度、纖維長度和纖維體積摻量對抗壓強度的影響，結果表明增加纖維(聚乙烯纖維)的長度和用量可提高拉伸應變能力。Li[14]進行了海水海砂鋼纖維混凝土抗拉強度試驗研究，發現少量的鋼纖維(體積摻量為1.5%以下)對SWSSC的抗拉強度有明顯的提升效果。

綜上可見，FRP對SWSSC的性能可能存在提升的效果，筆者認為未來會有更多優質的FRP被應用到SWSSC中，研究人員可在多方面進行探索試驗。如多種纖維的混雜、纖維的各項基本指標的改良和纖維使用方法的開發等，都具有一定的研究意義和工程實際應用價值。同時，針對各種纖維的材料特性的不同，可充分利用各種纖維的優勢對結構和構件進行增強作用。

4 海水海砂混凝土在環境條件下的耐久性研究進展

SWSSC在環境條件下的耐久性問題是實現SWSSC應用實際工程的阻礙所在，本文將重點分析SWSSC自身耐久性問題和SWSSC在堿性環境(如海水)下的耐久性問題，旨在通過分析其影響機理，對問題的解決起到促進的作用。

4.1 海水海砂混凝土自身耐久性研究

處在常規條件下SWSSC的耐久性主要受自身氯離子和硫酸根離子的侵蝕，其中氯離子侵蝕產生的危害更大。當混凝土中氯離子的含量較多時，將會對結構中的鋼筋產生腐蝕作用，進而對結構或構件的使用性能和安全性產生影響。其對鋼筋的銹蝕機理主要分為以下幾個方面[15]:1)破壞鈍化膜;2)形成“腐蝕電池”;3)陽極去極化作用;4)導電作用(如圖2所示)。

針對鋼筋腐蝕問題，其現有的解決辦法主要分為兩大類，即添加新型復合腐蝕劑和用FRP筋替代傳統鋼筋。新型復合腐蝕劑的作用機理是通過化學緩沖來提高氯化物閾值和在腐蝕發生時降低腐蝕的速率，該方法可以有效減緩腐蝕的發生，但并未從源頭解決問題。而FRP筋完全替代鋼筋可以有效地避免鋼筋腐蝕問題，雖然此技術還沒有達到成熟的地步，但可為SWSSC耐久性研究提供一個方向。

4.2 海水海砂混凝土在堿性環境下的研究

SWSSC作為海洋強國和遠海開發戰略的研究項目，其實際的應用環境離不開海洋中海水的侵蝕。近年來，許多的研究人員開始考慮FRP和SWSSC的有機組合，以此來改善SWSSC的耐久性。然而， 隨著實際環境長期的侵蝕 FRP也會逐漸發生降解，進而會對SWSSC的使用性能產生影響。鑒于此，本文選取了兩個具有前沿性的研究難題，即海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環境中的降解和FRP管與SWSSC在海水條件下的黏結性能做出了重點分析。

4.2.1 海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環境中的降解機理分析

當纖維纏繞海水海砂鋼管時，其可為SWSSC提供很好的保護作用，同時也將直接暴露在海水等堿性環境中。纖維在堿性環境的降解機理包括樹脂基體的劣化、纖維的損傷和纖維/樹脂界面的弱化。其中，樹脂基體降解引起的損傷類型包括溶脹、分層、塑化、開裂和堿性水解，這些損傷可能是由于水分吸收或化學擴散引起。在現有研究中，碳纖維表現出較好的耐化學腐蝕性,而在其他FRP中，基體滲透開裂、分層和界面脫黏是導致纖維/樹脂界面劣化的主要原因。

經研究發現，纖維中腐蝕殼的存在對纖維的危害巨大。纖維在堿性環境中形成腐蝕殼的主要原因是纖維中的硅酸鹽與堿離子發生反應，導致纖維網絡破壞并逐漸溶解。腐蝕殼的形成是發生降解反應的初始(如式(1)所示)，隨后發生的硅酸鹽網絡的破壞和逐漸溶解過程如式(2)所示[16],解釋了纖維形成腐蝕殼后的破壞機理。

≡Si-OR+(H++OH-)→Si-OH+ROH

(1)

≡Si-O-Si≡+(R++OH-)→≡Si-OH+RO-Si

(2)

4.2.2 FRP管與海水海砂混凝土在海水條件下的黏結性能機制分析

FRP材料與SWSSC在海水條件下的黏結性能與FRP材料的結構形式密切相關，而目前常見的FRP管和混凝土之間的黏結強度主要是通過摩擦阻力與化學黏附來控制，尤其是在化學黏結斷裂后僅通過摩擦阻力來控制。不同階段的黏結強度可用式(3)～式(5)來計算(τ,μs,μk,q,C分別表示黏結應力、靜摩擦系數、動摩擦系數、表面之間的法向應力和化學黏結應力)。式(3)用于計算化學鍵斷裂前的鍵強度，式(4)用于計算化學鍵斷裂后和滑動起始前的鍵強度，最終用式(5)計算獲得滑動起始后的鍵強度[17]。

τ=μs+C

(3)

τ=μsq

(4)

τ=μkq

(5)

4.3 研究難題解決辦法的提出

4.3.1 海水海砂填充纖維纏繞鋼管在堿性環境中的降解問題的解決方法

經研究發現，選擇具有多個不同纖維取向的碳纖維纏繞玻璃鋼管，其會表現出較好的堿性環境中的耐久性。碳纖維由于其高強度耐腐蝕的材料特點，即使長期暴露在堿性環境下，幾乎不會發生明顯的界面退化和纖維損傷，同時還可為SWSSC提供長期的環向強度。除此之外，筆者認為以下幾個方面也是解決問題的關鍵。

1)改變纖維的長細比，降低纖維在受力和環境條件下的損傷。

2)改善樹脂基體的環境，通過增加保護膜，降低條件環境對樹脂基體的影響，減少劣化反應。

3)在混凝土配比中增加密實劑，減少混凝土中的孔隙數量，提高密實度。

4.3.2 海水條件下混凝土與FRP管材的界面黏結問題解決辦法的提出

經研究發現，碳纖維增強聚合物(CFRP)管具有最大的黏結強度，不考慮成本因素時，是FRP材料的首選。當提供的約束足夠時，降低管直徑與管厚的比值(D/t)可顯著提升黏結強度，而對于實際約束較低的拉擠FRP管，使用較厚的管可能不會對黏強度產生顯著影響。同時纖維的取向對黏結能力有著一定的影響，不同纖維取向之間存在著較大的差異，具有89°纖維的纖維纏繞管(如果提供足夠的軸向強度)表現出最佳性能，而拉擠FRP管(0°纖維)表現出最弱的性能。綜上，即選取89°纖維的碳纖維纏繞管和基體表現出最佳的黏結性能。

綜合學者們研究可知，海水滲透所導致的管內膨脹是造成混凝土與FRP管材發生破壞的重要原因，使其增加了混凝土和管之間的聯鎖，從而增加摩擦阻力，降低了管的承載力。管與混凝土之間的摩擦系數增大，管的承載力降低，導致混凝土滑移，管表面破碎。鑒于此，筆者認為應該從以下三個方面嘗試解決問題。

1)通過調節海砂的細度分布和細度模數，來減小管材與混凝土之間的摩擦力。

2)在FRP管材的表面和與SWSSC的接觸面添加防水材料，來降低海水的滲透效率。

3)在FRP管材與SWSSC的接觸面添加隔離物，可以降低兩者的聯鎖反應，降低摩擦阻力。

5 結論與展望

目前，盡管在提升SWSSC耐久性研究上已經取得了一些成就，但還達不到在實際工程應用的水平，筆者認為今后的研究可從以下幾個方面進行深入。

1)優化SWSSC的配合比和優質礦物摻合料地加入去提升SWSSC的耐久性。

2)充分利用FRP的高耐腐蝕性，結合目前提出的SWSSC與纖維纏繞鋼管的結構形式，開發更加有效具有保護作用的新的結構組合形式。

3)實現宏觀與微觀的有機結合，通過分析其內部微觀的腐蝕機理，提高具有針對性的解決辦法。

4)海洋環境中應用的混凝土建筑物所處的實際環境多是復雜多變的，在條件允許的情況下，應著重研究真實環境下多因素耦合對SWSSC耐久性的影響。