海水珊瑚混凝土水分傳輸性能研究進展

何旭HE Xu；潘書才PAN Shu-cai；司強SI Qiang；曹旻駿CAO Min-jun

（①常州工程職業技術學院建工學院，常州 213164；②河海大學土木與交通學院，南京 210098）

0 引言

建設海洋強國已成為中國特色社會主義事業的重要組成部分。習近平總書記要求把海洋作為我國高質量發展的戰略要地，“十四五”期間將大力協調推進海洋資源保護與開發[1]。隨著我國海洋開發的推進，南海已然開啟大量島礁建設，并會有更多的近岸、離岸工程與填海造陸工程。

海洋開發與島礁建設伴隨著大量的土建工程，必然需要大量砂石資源與淡水資源。珊瑚礁（砂）是南海島礁的主要構成物，是一種特殊的巖土類型，研究表明珊瑚礁（砂）可用于制備海工混凝土，海水更是用之不盡。用海水作為拌合水，珊瑚碎屑作為粗骨料，珊瑚砂作為細骨料，并采用海水養護的混凝土稱之為海水珊瑚混凝土。這種混凝土不僅可以就地取材，節省材料成本與運輸成本，并且建造的構筑物具有較好的適應海平面上升和海洋氣候變化的優點[2]。上世紀90 年代海水珊瑚混凝土在西沙工程建設中得以初步應用，最近幾年在南海島礁建設中得以推廣。因此海水珊瑚混凝土在南海島礁建設中具有非常好的應用價值。

南海海域具有高鹽、高溫、高濕、以及溫度濕度晝夜循環的特點，加上海水珊瑚混凝土較好的滲透性，導致南海海域海水珊瑚混凝土耐久性問題嚴重，經常會出現剝落、崩解、裂縫等破壞（圖1），例如相對普通混凝土海水珊瑚混凝土具有較差的抗氯鹽侵蝕能力[3]。大多數耐久性問題與水分在混凝土中的存在和傳輸密切相關，考慮到珊瑚特殊的孔隙結構，以及海水、珊瑚骨料作為拌合材料帶入的大量可溶性鹽，海水珊瑚混凝土的水分傳輸性能與普通混凝土有較大區別。

圖1 南海島礁環境珊瑚混凝土破壞現狀[3]

海水珊瑚混凝土的應用研究推進了南海海洋資源開發利用，符合國家社會、政治、資源、航運和國防等多方面發展需求，同時減小了陸地不可再生砂石、淡水資源開發引發的環境破壞和生態破壞，減少了離岸建設中建筑材料的運輸成本與碳排放。因此海水珊瑚混凝土是綠色、環保、低碳的建筑材料，有利于國家“雙碳”戰略目標的實施。水分傳輸性能是海水珊瑚混凝土能在南海海域安全應用必須面對的問題，是減小海水珊瑚混凝土耐久性問題的理論基礎。因此海水珊瑚混凝土水分傳輸性能研究是海水珊瑚混凝土應用必須解決的科學問題。

1 國內外研究進展

1.1 海水珊瑚混凝土微觀結構特征

珊瑚島礁主要由珊瑚砂組成，由于長期浸泡在海水中，珊瑚砂含有與海水類似的可溶鹽離子，主要有鈉離子、鎂離子、氯離子和硫酸根離子。珊瑚砂主要晶體晶型為文石、方解石和鎂方解石等碳酸鹽礦物，主要化學成分碳酸鈣含量達96%以上，高碳酸鈣含量的砂土一般質地脆、強度低，珊瑚砂也具備這種顆粒強度低的特征，導致其具有一般石英砂所不具備的顆粒破碎特性[4]。

珊瑚砂具有結構疏松多孔、體積質量相對較小、易破碎且高壓縮等特點[5]。珊瑚混凝土的細觀結構與普通混凝土不同，離子的傳輸路徑具有特殊性[6]。由珊瑚配制的混凝土水分傳輸通道除了水泥漿體外還有珊瑚骨料。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀測（圖2），珊瑚砂多孔隙，且孔隙聯通性較好，因此珊瑚砂具有較高的孔隙率、較好的滲透性與吸水性，其1 小時的吸水率最高可達16%，最終吸水率可高達20%[9]。珊瑚混凝土水分的傳輸速率和滲透深度遠大于普通混凝土，且珊瑚混凝土28 天的吸水率和干縮率都明顯大于普通混凝土，表明珊瑚混凝土更易受到干濕循環作用的影響[8]。目前，尚未發現珊瑚混凝土水分傳輸參數的測試數據。

圖2 SEM 觀測珊瑚砂微觀結構[9]

珊瑚骨料具有“吸水-返水”的“微泵效應”[10，11]：初期拌制混凝土時，珊瑚骨料的強吸水性可以避免拌和水在骨料附近聚集，而且水泥漿體會深入骨料表面的開口孔隙，增強水泥漿體與珊瑚骨料之間的黏結性能[12]；早期養護階段，珊瑚骨料中的水分被重新釋放出來，進一步促進內部水化反應，繼而大大提高珊瑚混凝土的早期強度。珊瑚骨料表面粗糙、多孔、長棒狀及“微泵效應”使水泥基體與珊瑚骨料界面過渡區比普通混凝土更加致密，珊瑚混凝土與普通混凝土的孔隙差異主要發生在100nm 左右[13，14]。

由珊瑚砂配制的混凝土微觀特征與普通混凝土有較大差異，珊瑚骨料特殊的孔隙結構為水分傳輸提供新的通道，這些均增加了海水珊瑚混凝土水分傳輸研究的難度與復雜性，有關海水珊瑚混凝土水分傳輸的微觀影響機理研究較為缺乏。

1.2 海水珊瑚混凝土的內部鹽侵蝕作用

根據侵蝕鹽來源于拌合材料還是外部環境，可將鹽侵蝕作用分為內部鹽侵蝕與外部鹽侵蝕。海水、珊瑚骨料攜帶可溶鹽離子對海水珊瑚混凝土產生內部侵蝕作用。考慮到珊瑚骨料所含可溶鹽離子與海水相似，海水珊瑚混凝土主要受到氯鹽、硫酸鹽的侵蝕作用，而陽離子主要是鈉離子與鎂離子。

海水珊瑚混凝土較大的滲透性導致人們更多地關注外部鹽侵蝕作用，而忽視內部鹽侵蝕作用。內部鹽侵蝕通過可溶性無機鹽對水泥漿體的化學反應或物理結晶改變混凝土的微觀結構特征。海水、珊瑚骨料的可溶性無機鹽帶入混凝土的方式屬于內摻型，在水化早期可溶性無機鹽可與漿體中的羥鈣石和水化鋁酸鈣反應，生成不溶性產物填充在混凝土毛細孔和裂縫處，使基體更為致密[15]。

海水珊瑚混凝土的內部鹽侵蝕作用沒有引起人們足夠的重視，與此類似的是骨料中鐵硫化物氧化釋放的硫酸鹽引起的內部硫酸鹽侵蝕作用[16-18]，該作用導致大量的鈣礬石生成引發混凝土膨脹、開裂，從而影響混凝土的正常使用[19]，氧擴散系數、巖相特征、骨料級配、環境濕度和硫化鐵含量等因素均是影響硫化鐵內部侵蝕的主要原因[20]。

珊瑚砂屬于海砂的一種，混凝土中海砂攜帶的無機鹽是逐漸從顆粒內部向附近漿體和孔隙液釋放，海水作為拌合水自帶的無機鹽在混凝土中分布則是相對均勻的[21]。因此混凝土中海砂附近漿體無機鹽的含量與距海砂顆粒距離有關，即由近及遠不斷降低[22，23]，且該過程是長期的[24]。海水海砂混凝土拌合時帶入的氯鹽會減小水泥漿體的孔隙率，且主要是減小100～300nm 的孔隙體積，100nm 以下孔隙含量反會隨氯離子含量的增加而遞增[25]。

有研究顯示混凝土的抗滲性能只取決于混凝土本身的孔隙結構，而與混凝土原材料是否含有氯離子無關[26]。但是內部鹽侵蝕作用會明顯改變混凝土孔隙結構，且這個過程是長久的。因此內部鹽侵蝕作用對海水珊瑚混凝土水分傳輸的影響是復雜、間接且長期的。

1.3 海水珊瑚混凝土水分傳輸模型

通常采用毛細吸水試驗中的單位面積吸水率來評價混凝土的水分傳輸特征，并將其作為描述混凝土耐久性的一個重要指標[27，28]，其中I 為單位橫截面面積累計吸水量，t為吸水時間。試驗測試發現I-t0.5分布是非線性的，有學者認為I-t0.5分布偏離直線是由于重力的影響[29]，但是Zaccardi 等[30]認為這不太可能，因為在毛細水上升到接近平衡高度時重力的影響更加明顯，但是早在吸水24 小時這種偏差就開始顯現，此時距毛細作用達到平衡還有很長時間，Zaccardi 等[30]認為吸水腫脹是混凝土I-t0.5分布偏離直線主要原因，關于水分傳輸I-t0.5分布非線性特征的原因仍然存在爭論。

規范ASTM C1585-2011[28]建議將I-t0.5曲線分為兩段進行描述（圖3），兩段均采用線性函數擬合得到初始吸水率和第二吸水率，但是這種表示方式是不夠準確且不方便的，不利于混凝土水分傳輸性能的數值預測。水分傳輸過程可以用FICK 第二定律描述，最常見的擴散系數主要有兩種表現形式：冪形式與指數形式[31，32]。將這兩種表現形式擴散系數帶入擴散方程中，可以理論預測模擬混凝土的水分分布，但是這兩種理論模型均無法表征I-t0.5分布非線性特征[33，34]。海水珊瑚混凝土受到內部鹽侵蝕作用導致微觀結構特征變化，進一步影響混凝土吸水性能或水分傳輸性能，這種影響是跟隨內部鹽侵蝕長期作用而變化的，然而這兩種水分傳輸理論模型均無法表征內部鹽侵蝕長期作用的影響。

圖3 混凝土吸水測試的兩個吸水階段（ASTM C1585-2011[28]）

實測由海水、珊瑚砂、石子拌合而成混凝土的I 與t0.5的關系并不是線性的，反而I 與t0.25具有較好的線性關系[9]（圖4）。這一特征并不是海水珊瑚砂混凝土獨有的，對于吸水性能較差的混凝土也會出現這種特征[35-37]。目前針對這種非線性I-t0.5分布特征僅在試驗中得以證實，缺乏相關水分傳輸模型的理論研究。

對于混凝土耐久性研究，準確模擬水分傳輸是非常關鍵的理論前提。描述混凝土水分傳輸的I-t0.5分布具有非線性特征，且內部鹽侵蝕作用導致海水珊瑚混凝土水分傳輸性能長期變化，能夠同時兼顧以上兩種特征的海水珊瑚混凝土水分傳輸預測模型有待建立。

2 結論

海水珊瑚混凝土是符合國家“雙碳”政策的綠色、環保、低碳建筑材料，迎合國家南海海域社會、政治、經濟和國防等多方面發展需求。針對南海海域海水珊瑚混凝土長期應用，水分傳輸性能研究是必須解決的科學問題，是海水珊瑚混凝土安全應用的基礎與保障。基于上述背景與相關調研，海水珊瑚混凝土水分傳輸性能研究存在下列問題：

①海水珊瑚混凝土水分傳輸性能不同于普通混凝土，具有雙重水分傳輸通道，有關海水珊瑚混凝土水分傳輸的微觀影響機理研究較為缺乏。

②海水、珊瑚骨料作為拌合材料對混凝土的內部鹽侵蝕作用會改變微觀結構以及水分傳輸性能，這種改變是復雜、間接且長期的，有關海水珊瑚混凝土水分傳輸性能的長期微觀影響機理尚待研究。

③現有的混凝土水分傳輸理論模型沒有考慮水分傳輸I-t0.5分布的非線性特征，以及內部鹽侵蝕作用的長期影響，目前缺乏能夠同時兼顧以上兩種特征的海水珊瑚混凝土水分傳輸預測模型。