海洋骨料混凝土材料與結構性能研究進展*

楊樹桐, 孫忠科, 蔣濟同, 范國璽, 董 坤, 楊天戈

(中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100)

隨著中國“雙碳”戰略和“海洋強國”戰略的提出,合理開發與利用海洋資源,建設島礁,保護海洋生態環境,成為未來重要的發展戰略。現在的海島建設,只能依靠工程船遠洋運輸天然砂石,大大增加了建造成本,且天然砂石的開采破壞了生態環保,導致天然資源日益匱乏、越來越不易獲取。在濱海、近海及深遠海島礁建設中,如果能夠采用海砂和珊瑚兩類海洋骨料并結合海水拌合混凝土,生產綠色、低碳、環保的海洋骨料混凝土,不僅可以實現就地取材,而且節約工期、降低工程造價。

1 海洋骨料混凝土的研究現狀

使用海洋中的珊瑚、海砂作為骨料,與膠凝材料混合拌制而成的混凝土稱為海洋骨料混凝土。按照骨料組成的不同,主要可以分為海水海砂混凝土和海水珊瑚混凝土;按照膠凝材料的不同,主要可以分為普通水泥海洋骨料混凝土和堿激發海洋骨料混凝土。

1.1 普通水泥海洋骨料混凝土

采用硅酸鹽水泥與海洋骨料結合配制而成普通水泥海洋骨料混凝土。是現階段研究最多的一種海洋骨料混凝土。其研究最早可以追溯到20世紀中葉,現階段英國和日本都是使用海洋骨料建設工程較多的國家,而中國對海洋骨料混凝土的應用尚處于探索階段。

1.1.1 海水海砂混凝土 海砂作為一種天然的骨料,可以替代河砂用于混凝土的制備,海砂的組成成分和粒徑分布同河砂相似[1-2]。歐洲是世界上最早使用海砂作為建筑材料的地區,而日本在1938年便在一些無法獲取河砂的地區使用海砂進行混凝土的生產[3]。日本脫鹽海砂在建筑中的用量占到細骨料總量的12%以上[2]。

為了緩解淡水消耗造成的經濟問題,張茂輝等[4]使用海水拌和混凝土,并進行了不同齡期下混凝土的力學性能研究,結果發現:相比使用淡水,使用海水對水泥標準稠度用水量和體積安定性并無影響,但會使水泥的凝結時間縮短;海水混凝土的抗壓和抗折強度同淡水混凝土無明顯差別。縮短凝結時間的原因是海水中的氯鹽會與水泥中Ca2+結合生成CaCl2,進而與C3A發生反應,生成不溶于水的水化氯鋁酸鹽,同時也促進了C3S和C2S的水化反應。而經過配合比的優化設計,使用海砂拌制的混凝土坍落度可達到200 mm以上[1, 5],混凝土凝結硬化后,其前期強度發展較快,后期強度與普通混凝土相同[2],可以滿足C20—C80混凝土的設計要求,與普通河砂相同[1]。但是海水海砂中含有的Cl-進入混凝土后改變了PH值,破壞了鋼筋表面的鈍化膜,使得鋼筋表面出現電位差,造成鋼筋的銹蝕,而銹蝕的積累會引發混凝土的膨脹開裂[6]。中國曾在1955—1969年間開展了海水海砂拌制的混凝土對內部鋼筋的銹蝕情況的相關研究[7],發現Cl-含量和水膠比越小,內部鋼筋銹蝕的可能性越低。中國現行標準GB/T14684—2002[8]規定,建筑用砂中的氯化物含量要小于0.06%。肖建莊等[9]發現在保證海砂得到較好淡化效果的前提下,淡化海砂高性能混凝土的氯離子滲透性能符合標準要求。使用海砂后混凝土的凍融特性可能會略低于普通混凝土[10]。而海水海砂混凝土的抗滲、碳化和收縮性能基本與普通混凝土的相同,海水海砂拌和混凝土,氯離子加速了早期水化反應的進行,使水化反應更加充分,縮短了水化放熱時間,從而降低了自收縮,同時海砂比河砂含泥量更低,粒徑更加均勻,有利于抑制自收縮,收縮變形程度略有降低[11-13]。

由于海水海砂混凝土多在海洋環境下應用,因此關于海水海砂混凝土的斷裂性能研究十分必要。Yang等[14]研究了海水海砂混凝土的斷裂特性,并與普通混凝土進行對比,結果表明:海水海砂的拉伸強度高于普通混凝土,且其斷裂韌度和斷裂能隨最大骨料粒徑的增大而提高。海水海砂混凝土斷裂橫截面如圖1所示。

圖1 海水海砂混凝土斷裂截面形貌[14]

1.1.2 海水珊瑚混凝土 珊瑚骨料是指珊瑚蟲死亡后形成的珊瑚礁體,其主要成分是CaCO3,具有質地較輕、疏松多孔、強度低、吸水能力強和保水能力較差的特點[15]。珊瑚骨料形貌如圖2所示。早在二戰時期,美國在遠離大陸的太平洋中的一些海島上修建機場跑道、公路和建筑物時,因為淡水及砂石不容易獲取,便利用海水和珊瑚作為原材料生產混凝土[16-17]。中國的學者在1988年就通過試驗研究證實了珊瑚混凝土在遠海島礁的海工結構建設中使用能夠節省人工和經費,加快工期[18]。

圖2 珊瑚骨料形貌[15]

珊瑚骨料的吸水率大,通常在拌制之前要進行預濕處理,其粗糙不平的表面會增大骨料之間的摩擦力,往往需要更多的漿體包裹潤滑以達到較好的工作性能[19]。而在使用珊瑚作為骨料的地區,海水往往比淡水更易獲取,因此珊瑚混凝土多使用海水拌制,珊瑚和海水中均含有CI-,使得混凝土具有較高的早期強度[19-21]。珊瑚疏松多孔的內部結構使得珊瑚混凝土內部孔隙較大,導致其強度低于天然砂石骨料,但珊瑚混凝土強度等級能夠達到C35[22],甚至是C80[23]。糜人杰等[24]發現疏松多孔的內部結構可以和水泥漿體更好的結合,大大提高了界面強度,使得裂縫多出現于骨料和漿體內部,因此其劈裂抗拉和抗折強度均高于普通混凝土。但其彈性模量要低于普通混凝土[19]。Yang等[25]通過對不同齡期(28和90 d)、不同養護環境(標準養護和海水浸泡)的珊瑚骨料混凝土斷裂性能的研究發現,浸泡在海水中的珊瑚混凝土拉伸強度高于標準養護條件下的珊瑚混凝土,且斷裂參數隨著養護齡期的增長而提高。

由于珊瑚骨料具有吸水、反水特性,導致珊瑚混凝土混凝土凝結硬化后前期收縮要大于普通混凝土,但是后期收縮小于普通混凝土,礦物摻合料的使用可以有效改善凝結硬化后的前期珊瑚混凝土發生收縮變形[22],但會使其抗滲性能和抗氯離子滲透能力比普通混凝土的差[19, 22-23]。珊瑚骨料具有比碎石更高的孔隙率,且骨料的孔隙率顯著大于漿體和界面過渡區,因此水和離子更容易通過骨料進行傳輸擴散,然后再通過界面過渡區和漿體中的孔隙在基體中擴散,進而對基體造成侵蝕破壞[26]。使用珊瑚作為混凝土骨料的地區多為中國南海地區,因此不存在凍融破壞問題[19]。

1.2 堿激發海洋骨料混凝土

堿激發膠凝材料是以硅鋁酸鹽礦物(礦渣粉、粉煤灰、偏高嶺土、赤泥、硅灰等)作為前驅體,通過使用堿性激發劑(氫氧化鈉、氫氧化鉀、水玻璃等)解聚和縮聚反應,生成的一種低碳綠色環保的膠凝材料。堿激發膠凝材料凝結硬化后的前期強度高[27],同時具有抗氯離子滲透[28]、耐酸堿腐蝕[29]和抗凍融[30]的性能,適用于海水拌和以及在海洋環境下服役。而在海島建設以及近、濱海工程施工中,可以將海島原有建筑拆除產生的建筑垃圾作為骨料。因此,采用堿激發技術結合工業固體廢棄物(礦粉、粉煤灰等)取代水泥作為膠凝材料,并與珊瑚、海砂、再生骨料結合,經海水拌合后可配制成堿激發海水海砂混凝土、堿激發珊瑚混凝土和堿激發海砂再生骨料混凝土。

1.2.1 堿激發海水海砂混凝土 Yang等[31]設計了4種堿激發礦粉混凝土,即海水海砂混凝土、海水河砂混凝土、淡水海砂混凝土和淡水河砂混凝土,并對它們的基本力學性能、收縮性能和抗氯離子滲透性能進行了測試,結果表明:四種堿激發礦粉混凝土的力學性能極為相近,而且300 d內的收縮變化趨勢以及抗氯離子滲透性能也基本一致。

Lyu等[32]研究了不同堿激發劑和膠凝材料對混凝土強度的影響,發現液體堿激發劑比固體有更高的抗壓強度激發效果。這可能是因為在混合階段未溶解的固體顆粒減慢了反應的進度,進而削弱了抗壓強度。粉煤灰-礦渣粉基堿激發海砂混凝土抗壓強度比粉煤灰-偏高嶺土基堿激發海砂混凝土的更高。礦渣粉比偏高嶺土含鈣量更高,而鈣在堿激發海砂混凝土抗壓強度發展中起著至關重要的作用。Lao等[33]研究了抗壓強度140 MPa的堿激發海砂混凝土,發現同淡水拌合相比,海水拌合混凝土的放熱速率略低,海水使超高密度C-(N)-A-S-H的比例增加,但使低密度和高密度C-(N)-A-S-H的比例降低了。

在不同溫度(0、200、400、600、800 ℃)下堿激發海水海砂混凝土表現出不同的力學性能[34]。堿激發海水海砂混凝土的斷裂參數在小于400 ℃時變化不大,抗壓強度有較大的提升,而隨著溫度的進一步升高,斷裂參數和抗壓強度明顯降低。Li等[35]通過使用電子計算機斷層掃描(CT)和掃描電子顯微鏡觀察,進而研究了加熱過程中混凝土的宏-微觀結構變化。試驗結果表明,漿體中的裂縫主要是由溫度梯度、孔隙壓力和相變造成的,主要破壞機制是漿體和骨料之間的熱膨脹不相容引起的。

1.2.2 堿激發珊瑚混凝土 Xu等[15, 36]首次將珊瑚骨料與堿激發膠凝材料結合,配制出堿激發珊瑚骨料混凝土,研究了珊瑚骨料類型和珊瑚骨料替代普通骨料比例對混凝土力學性能的影響,進而得到了合理的堿激發珊瑚骨料混凝土配合比。結果表明,珊瑚粗骨料類型對堿激發珊瑚骨料混凝土凝結硬化后28 d的立方體抗壓強度和彈性模量無明顯影響。而隨著珊瑚對天然骨料替代率的增加,混凝土的抗壓強度逐漸下降。設計的堿激發珊瑚骨料混凝土凝結硬化后28 d的立方體抗壓強度可達到50 MPa左右,完全滿足工程需要。Zhang等[37]對堿激發珊瑚混凝土的凝結時間進行了研究,結果表明:相比普通砂石骨料,珊瑚骨料的使用加速了混凝土的凝結和硬化;通過對其斷裂性能的研究發現[15],由碎石狀珊瑚骨料制備得到的混凝土斷裂參數明顯高于柱狀珊瑚骨料混凝土。堿激發珊瑚骨料混凝土斷裂面如圖3所示。

圖3 堿激發珊瑚骨料混凝土[15]

1.2.3 堿激發海砂再生骨料混凝土 Yang等[38]采用建筑拆除產生的建筑垃圾破碎而成的再生骨料作為粗骨料,海砂作為細骨料,以堿激發礦渣和粉煤灰混合物作為膠材,經海水拌合制備堿激發海砂再生骨料混凝土[38],其斷裂面如圖4所示。礦渣粉使用量對混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度影響最明顯,而水灰比主要影響新拌混凝土的坍落度[39]。

圖4 堿激發海砂再生骨料混凝土[38]

Yang等[31]通過改變粉煤灰取代礦粉的用量配制了兩種類型的堿激發海砂再生骨料混凝土,其中Ⅰ和Ⅱ型分別為25%粉煤灰摻量和50%粉煤灰摻量,并對其基本力學性能和斷裂性能進行了研究。由試驗結果可知:這兩種類型的堿激發海砂再生骨料混凝土在凝固硬化后7 d的抗壓強度超過了其凝固硬化后28 d抗壓強度的80%,且隨著礦粉與粉煤灰質量比的增加,斷裂參數隨之增大;基于邊界效應理論并結合極限荷載,推得真實拉伸強度、斷裂韌度與斷裂能的閉合解,建立了最大斷裂荷載的預測模型[38](見圖5)。

2 海洋骨料混凝土在結構構件中的應用

現有的FRP主要分為碳纖維增強復合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和玻璃纖維增強復合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)。

2.1 FRP筋與海洋骨料混凝土界面黏結性能

混凝土結構構件中,筋材與混凝土間的黏結性能是影響筋材與混凝土協同工作的重要因素。李雨珊等[40]研究發現改變珊瑚骨料混凝土的強度對FRP筋與混凝土黏結應力以及黏結-滑移影響不大,GFRP筋的黏結-滑移曲線分布同BFRP筋的相似,比CFRP筋海水珊瑚骨料混凝土分布更加均勻。用FRP筋增強的海洋骨料混凝土具有相當明顯的效果,但是海洋骨料混凝土中的堿度可能降低FRP筋的耐久性能。王磊等[41]研究發現:海水浸泡后CFRP筋損傷程度低于GFRP筋;FRP筋與珊瑚混凝土的界面黏結性能表現為先升高后降低的變化規律,隨著浸泡時間增加,部分GFRP筋與珊瑚混凝土間的拉拔破壞模式由筋被拔出轉變為筋材斷裂,增加混凝土保護層厚度能緩解海水浸泡條件下GFRP筋與珊瑚混凝土間的黏結強度的降低程度。Yang等[42]通過中心拉拔試驗研究了FRP筋與珊瑚骨料混凝土之間的黏結性能,分析了FRP筋直徑、黏結長度以及養護條件對黏結行為的影響,并因此提出了一種適用于FRP筋與海洋骨料混凝土的四線性局部黏結—滑移本構模型[42-43],如圖6所示,該模型具有四個特征參數。結果表明:最大平均黏結應力隨著黏結長度和FRP筋直徑的增加而減小;標準養護條件下海洋骨料混凝土與FRP筋的最大平均黏結應力比海水浸泡條件下的略高[42];鋼筋在海洋骨料混凝土中的黏結強度下降較為明顯。

(τ和δ分別為剪切強度和剪切滑移;τf和δ1分別為局部剪切強度和對應的剪切滑移;τs和δ2分別為殘余摩擦力和對應的剪切滑移;τ0為筋材與混凝土間的靜摩擦應力;GⅡf為局部剪切斷裂能。τ and δ are the shear strength and the shear slip, respectively; τf and δ1 are the local shear strength and the corresponding shear slip, respectively; τs and δ2 are the residual friction and the corresponding shear slip, respectively; τ0 is the static friction stress between the bar and concrete; GⅡf is the local shear fracture energy.)

此外,Yang等[43]基于所提出的四線性模型,考慮了如圖7所示的界面區域的非連續性與非均勻性,通過引入離散系數C和界面區域微觀特征參數G分別反映界面的非連續性和非均勻性[43],基于界面變形協調條件,建立了界面真實抗剪強度τf與剪切斷裂能GⅡf的預測模型。

(τf為局部剪切強度;τc為臨界剪切應力;C為離散系數;G為微觀特征參數;Fmax最大荷載。τf is the local shear strength; τc is the critical shear stress; C is the dispersion coefficient; G is the microstructure characteristic parameter; Fmax is the maximum load.)

2.2 FRP筋和網增強海洋骨料混凝土梁

與FRP增強普通混凝土梁相比,FRP增強珊瑚骨料混凝土梁的延性降低,進而脆性更明顯,混凝土破碎面積明顯更大。FRP增強珊瑚骨料混凝土梁的極限承載力低于FRP增強普通混凝土梁[44]。周瑞等[45]研究了FRP筋海水海砂混凝土梁的抗剪性能,結果發現剪跨比對梁的破壞影響最為明顯,即剪跨比越小,破壞越顯著。Hu等[46]研究了FRP筋海水海砂混凝土梁的耐久性能,結果發現,FRP筋與混凝土間的協同工作能力弱于鋼筋混凝土;在腐蝕性環境中長期使用后,FRP筋海水海砂混凝土梁的性能下降比鋼筋混凝土梁低,由此可見,雖然FRP筋對混凝土的增強作用弱于鋼筋,但面向海洋環境的耐久性能優于鋼筋。海洋骨料混凝土梁性能下降程度還與FRP筋類型有關,BFRP筋的抗拉強度隨浸泡海水時間和環境溫度的升高而降低。此外,BFRP筋在淡水中的抗拉強度下降幅度比在海水中更明顯[47]。混凝土內部的堿性環境同海砂和海水中的鹽離子相結合,加劇了FRP筋(尤其是BFRP筋)的樹脂溶解和纖維-樹脂界面的脫黏[48]。與BFRP筋相比,GFRP筋在模擬混凝土孔隙溶液和鹽水侵蝕條件下都表現出更好的抵抗力[49]。海水海砂混凝土中,GFRP筋的耐久性能最好,其次是CFRP筋,而BFRP筋的耐久性最差[50]。Wang等[51]使用FRP網加固了BFRP筋增強海水海砂混凝土梁的受拉區,對其進行了抗彎性能研究,結果表明:隨著梁底加固層厚度和FRP網材層數的增加,加固后梁的極限承載力有所提高。

此外,由于FRP筋與海洋骨料混凝土均屬于脆性材料,與普通鋼筋混凝土梁不同,FRP筋混凝土梁的最終破壞模式為:受壓區邊緣混凝土被壓碎,而FRP筋未發生斷裂。鑒于此,蔣濟同等[52]通過區域約束的方法在混凝土受壓區采用箍筋加密,從而顯著提高了梁的抗彎承載力和延性。

2.3 FRP約束海洋骨料混凝土柱

FRP管約束海水海砂混凝土柱后可以有效提高柱的受壓承載力[53]。相比CFRP管,BFRP和GFRP管填充海水海砂混凝土后力學性能下降[54],CFRP管斷裂時的脆性比BFRP和GFRP管的更明顯。FRP管約束海水海砂混凝土(SWSSC)的力學性能主要體現在抗壓強度和極限應變上,而FRP管的截面形狀、管徑厚度比和FRP性能都會影響其力學性能[55]。Zhang等[56]研究了不同層數的BFRP約束對堿激發海水珊瑚混凝土的軸向應力-應變行為的影響。結果表明,FRP約束是提高圓柱體試樣承載能力和變形的有效方法。隨著BFRP約束層數的增加,軸向抗壓強度和極限軸向壓應變都逐漸增強。同非約束試件相比,6層BFRP約束時軸向抗壓強度約提高了2倍。Li等[57]分別將CFRP、GFRP和BFRP約束的海水海砂混凝土柱浸泡在40 ℃的人工海水中進行了長達6個月的耐久性試驗;結果表明,CFRP約束的海水海砂混凝土柱同GFRP和BFRP約束的海水海砂混凝土柱相比,抗拉強度降低最少,表現出最佳的耐久性能。Wang等[58]使用海砂和珊瑚骨料混凝土作為FRP-鋼復合管結構的核心混凝土,進行了單調軸壓試驗。結果發現,增加FRP層數同減小鋼管直徑與厚度比,試件的極限應力和應變有了顯著的改善。當其他試驗參數保持不變時,改變FRP的類型發現,CFRP約束試樣具有較高的極限強度,BFRP約束試樣具有較高的極限變形能力。而使用FRP包裹加固的方法亦可有效提高海洋骨料混凝土柱的抗壓承載力[59-60]。

但FRP片材加固混凝土結構易存在界面剝離、提前失效和加固效率低等問題。鑒于此,Yang等[61]采用樹脂預涂層(Resin pre-coating,RPC)對混凝土表面進行預處理,隨后粘貼FRP片材,從而有效填充表層范圍內的裂隙。與傳統加固方式相比,RPC處理技術可以顯著提高片材加固效率,大大提升了界面的黏結強度[61]。

3 結論與展望

海砂和珊瑚碎屑作為海洋骨料無論是同硅酸鹽水泥結合還是同堿激發水泥結合,都能在未來的海洋開發、島礁建設中發揮出巨大的優勢和應用潛力。本文還對FRP同海洋骨料混凝土結合使用的應用前景表示認可,并對海洋骨料混凝土材料性能以及與FRP結合后結構性能的研究進展進行了總結,基于現有的研究可以得出以下結論:

(1)海水海砂混凝土的基本力學性能、抗滲性能、收縮性能和斷裂性能與普通混凝土基本相同,能夠滿足工程上的需求。

(2)珊瑚混凝土的抗滲性能較差,可以通過礦物摻合料進行改善,而其斷裂性能與普通混凝土差別不大。

(3)堿激發海洋骨料混凝土力學性能以及斷裂性能能夠滿足正常工程設計要求,且在凝結硬化后早期性能方面比普通混凝土更有優勢。

(4)將再生骨料與海洋骨料混合使用會在未來的海島建設中節約更多的人力、物力和財力。

(5)FRP材料的種類具有多樣性,這使得其可同海洋骨料混凝土的多種構件形式結合,且均能有效提高結構的承載能力,相比鋼筋更適用于海洋環境。但是FRP筋與海洋骨料混凝土的協同工作能力弱于普通鋼筋混凝土。

(6)海洋環境下,海洋骨料混凝土的堿性對FRP中纖維與樹脂基體的黏結性能產生不利影響,從而影響FRP的耐久性。

目前,對海洋骨料混凝土材料和結構耐久性方面的研究還不夠全面,因此在現有工作的基礎上提出以下幾點展望:

(1)對海水海砂混凝土在海洋環境下的長期耐久性能需要進一步探究。

(2)對于海水珊瑚混凝土的工作性能和抗滲性能尚需優化。

(3)現階段關于堿激發海洋骨料混凝土的研究較少,對其在海洋環境下的耐久性能還未有全面的報道。

(4)尋求新的結構組合形式和結合方法以使混凝土與FRP之間可以更好地協同工作。對FRP增強海洋骨料混凝土結構的長期耐久性能還需進一步研究。