關(guān)國浩，王學(xué)志，賀晶晶

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，錦州 121001；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710100)

0 引 言

2016年全球水泥生產(chǎn)總量已經(jīng)達(dá)到4.2×109t，混凝土產(chǎn)量超過2.5×1010t，骨料產(chǎn)量超過4.0×1010t，特別是在近幾十年時(shí)間內(nèi)發(fā)展中國家的混凝土需求量迅速增長。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，土木工程行業(yè)也順勢進(jìn)入快車道時(shí)代，從目前來看河砂仍然是作為混凝土細(xì)骨料的主力軍，但由于過度開采、監(jiān)管不力等原因造成河床決堤、河流改道、淡水資源白白流失等切實(shí)關(guān)乎到人民百姓的生活問題[1]。中國擁有廣闊的海域，僅海岸線就有1.8×104km，擁有大小島嶼6 500座，島嶼線更是達(dá)到了1.4×104km。如今面對全世界的資源枯竭、人口增速快的現(xiàn)象，將來的淡水必將成為地球上最為珍貴的資源之一。據(jù)報(bào)道，地球表面將近70%被水覆蓋，而能成為人類直接飲用的淡水資源與海水資源的比值為1 ∶32，因此將富余的海水資源加以技術(shù)的支持并充分利用必將為生態(tài)的友好發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。日本采用淡水沖洗、微生物作用等方法將海砂淡化處理后加以應(yīng)用，是世界上較早成功利用海砂拌合混凝土的國家之一。在英國的東南部及南部海砂的用量更是達(dá)到了90%以上。國內(nèi)采用海砂混凝土可追溯到20世紀(jì)80年代末期山東三山島金礦的建設(shè)，至今仍在服役期[2-3]。

1 原材料特性

1.1 海水特性

海水中含有大量對混凝土力學(xué)性能及耐久性有負(fù)效應(yīng)的化學(xué)離子。如濃度過高的Na+、K+、Mg2+等堿性陽離子存在混凝土中[13-14]，相當(dāng)于在混凝土中添加了堿性成分，增加了發(fā)生堿骨料反應(yīng)的概率。Cl-的破壞形式主要是通過對鋼筋的銹蝕侵襲，并增加鋼筋的銹蝕速率[15]，一般情況下混凝土內(nèi)部pH值在13～14，由于Cl-的侵蝕破壞造成堿度降低，從而鋼筋表面形成的致密鈍化膜也發(fā)生破壞[16-17]。當(dāng)Cl-含量在高性能混凝土中達(dá)到一定臨界濃度時(shí)腐蝕速率趨于穩(wěn)定，侵蝕程度不再繼續(xù)增加[18-19]，侵蝕機(jī)理如公式(1)、(2)[20]所示。

Fe(OH)2+O2+H2O→nFeO3·mH2O+Fe3O4

(1)

Fe(OH)2Cl+O2+H2O→mFe2O3·mH2O+HCl

(2)

(3)

由于地緣因素的不同，海水的成分含量也有波動(dòng)，在不同沿海城市產(chǎn)出的海水在試驗(yàn)研究中可能會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)偏差。表1給出了我國主要的四大海域海水成分及其含量[24]。

表1 中國部分海域海水成分[24]Table 1 Sea water composition in some sea areas of China[24]

續(xù)表

1.2 海砂特性

表2統(tǒng)計(jì)了我國不同海域的海砂化學(xué)成分含量，由表中數(shù)據(jù)可以看出，不同海域的貝殼含量具有不同程度的差別，甚至在相同海域的貝殼含量也有較大波動(dòng)，如珠江口的波動(dòng)在2%～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，除特殊說明，文中的含量與摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可能與多種海洋生物的活動(dòng)、氣候變化、潮汐等因素息息相關(guān)[25-27]。有學(xué)者研究[28-29]表明海砂與河砂的基本力學(xué)性能相似，原狀海砂與河砂相比主要以中粗砂為主，具有較低的含泥量和適中的細(xì)度等優(yōu)點(diǎn)，但貝殼及Cl-的含量相對較多[30]。高含量的貝殼能夠降低混凝土有效砂率從而降低混凝土的和易性、強(qiáng)度以及對后期混凝土的膨脹收縮、徐變等造成不利影響。Cl-的存在將導(dǎo)致混凝土構(gòu)筑物中的鋼筋發(fā)生銹蝕，破壞鋼筋表面鈍化膜，最終使得混凝土的耐久性及力學(xué)性能逐漸降低[31]。因此合理地利用海砂變得尤為重要，中國政府頒布《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JGJ 206—2010)來規(guī)范建筑行業(yè)用砂，避免“海砂屋”的悲劇再次重演[32]。

表2 我國不同海域海砂化學(xué)成分及其含量[25-27]Table 2 Chemical composition of sea-sand and its content in different sea areas of China[25-27]

2 SSC材料的力學(xué)性能

2.1 SSC靜態(tài)力學(xué)性能

對于SSC的靜態(tài)力學(xué)性能研究，學(xué)者們大多數(shù)都集中于對齡期的不同，礦物摻合料及貝殼含量等幾個(gè)方面來展開試驗(yàn)研究[33]，具體研究成果從以下幾方面展開討論。

2.1.1 齡期影響

對于SSC長期強(qiáng)度的研究。Xiao等[39]對比研究強(qiáng)度等級(jí)C20～C50的SSC與OPC，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增長，28 d的混凝土強(qiáng)度等級(jí)無明顯差異，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到180 d時(shí)SSC抗壓強(qiáng)度明顯低于OPC。趙文成等[40]通過設(shè)計(jì)C20、C40、C60的SSC，研究表明28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大但低于OPC，隨著齡期的繼續(xù)增加，SSC抗壓強(qiáng)度與齡期呈反相關(guān)，OPC抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長且未有下降趨勢，通過添加濃度4%的亞硝酸鈣抑制劑后(相對于膠凝材料)可提高2%～8% 35周的SSC抗壓強(qiáng)度。也有學(xué)者得出其他結(jié)論，秦斌[41]通過制備不同強(qiáng)度等級(jí)的SSC與OPC做對比，試驗(yàn)表明SSC與OPC抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度基本無差別，在不考慮鹽分對鋼筋銹蝕的情況下海水海砂可以替代淡水河砂制備混凝土。

2.1.2 礦物摻合料影響

Karthikeyan等[42]配制M30級(jí)混凝土，海砂質(zhì)量替代率分別為10%、20%、30%和40%并加入礦物摻合料硅粉(SF)作為外加劑，研究表明當(dāng)海砂的替換率在30%，SF的摻加量5%時(shí)所得到混凝土強(qiáng)度最高，其原因可以歸結(jié)為SF是由球形顆粒組成，比表面積較大且含有大量的非晶體二氧化硅，高度細(xì)化顆粒形態(tài)能填充混凝土中部分孔隙使得密實(shí)度增加，另一方面SF可以促進(jìn)混凝土水化提升顆粒與骨料之間的化學(xué)膠結(jié)力。Shi等[43]研究發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土(MK)作為富含氧化鋁的輔助膠凝材料與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成沉淀物質(zhì)填充毛細(xì)孔通道，有利于混凝土微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展，他們還表明MK和海水結(jié)合后可以促進(jìn)“弗里德爾鹽”的形成并增加“弗里德爾鹽”化學(xué)結(jié)合Cl-能力，從而提高了混凝土抵抗Cl-侵蝕能力。Li等[44]也得出相同結(jié)論，并表示與OPC相比，摻有海水的混凝土在含MK的混凝土試樣中表現(xiàn)出最高的抗壓強(qiáng)度。Li等[45]在SSC中加入不同含量的熔渣，記為SW1(0%)、SW3(25%)、SW7(50%),通過圖1中XRD譜可以看出，SW1中“弗里德爾鹽”的峰值強(qiáng)度高于FW1(淡水拌合)，鋁酸三鈣(C3A)峰值強(qiáng)度的降低可以說明海水促進(jìn)水泥水化的同時(shí)消耗C3A，另一方面SW3與SW7峰值強(qiáng)度的持續(xù)增加，可以證實(shí)礦渣與海水及水泥水化產(chǎn)物相互作用對“弗里德爾鹽”的生成具有促進(jìn)作用。劉加平等[46]將水泥基材料用不同溶液(NaCl、Na2SO4，如55S10C5表示水灰比為0.55，混合溶液中Na2SO4與NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和5%，其他編號(hào)類推)浸泡侵蝕，通過XRD譜(見圖2)分析表明單一硫酸鹽浸泡后的侵蝕產(chǎn)物為AFt，而氯鹽-硫酸鹽耦合作用下侵蝕產(chǎn)物以AFt與“弗里德爾鹽”為主，并認(rèn)為耦合作用下試件膨脹劣化程度小于單一硫酸鹽侵蝕是因?yàn)椤案ダ锏聽桘}”的膨脹性小于AFt，文獻(xiàn)[47-48]認(rèn)為氯鹽延緩了硫酸鹽擴(kuò)散，并且優(yōu)先與水泥漿體內(nèi)的AFm、C3A反應(yīng)生成“弗里德爾鹽”抑制硫酸鹽的侵蝕。

圖1 SW與FW 3 d XRD譜[45]Fig.1 SW and FW 3 d XRD patterns[45]

圖2 不同溶液侵蝕60 d后的XRD譜[46]Fig.2 XRD patterns of different solutions after 60 d erosion[46]

2.1.3 貝殼含量影響

2.2 SSC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

靜態(tài)力學(xué)作為混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者已有大量的研究成果并且取得了巨大成就，但在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中,混凝土構(gòu)筑物和結(jié)構(gòu)物服役所處的環(huán)境更為復(fù)雜,不僅涉及到混凝土耐久性以及靜態(tài)力學(xué)的問題，往往還需要遭受地震、海嘯以及突然性的爆炸破壞等外部動(dòng)荷載的威脅,因此對混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究變得尤為重要[50-51]。

動(dòng)態(tài)力學(xué)特性具有較為明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。為了明確海水珊瑚骨料混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系研究，國內(nèi)學(xué)者徐金俊等[52]采用了大直徑的分離式霍普金森壓桿(SHPB)開展了對SSC與全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete， CASC)兩種混凝土的動(dòng)態(tài)受壓性能測試，研究表明SSC破壞大多發(fā)生在碎石與水泥漿膠結(jié)的界面區(qū)域，CASC的破壞表現(xiàn)為珊瑚的剪切斷裂，而且兩者的靜動(dòng)態(tài)受壓發(fā)展過程都經(jīng)歷彈性、塑性發(fā)展以及全塑性階段，另外SSC動(dòng)態(tài)受壓力學(xué)性能受應(yīng)變率效應(yīng)的影響較大，而且在相同強(qiáng)度等級(jí)和應(yīng)變率條件下，CASC受壓強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)(DIF)大于SSC。

岳承軍等[53]利用SHPB進(jìn)行了對CASC和劍麻纖維增強(qiáng)全珊瑚海水混凝土(SFCASC)的沖擊壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明SFCASC的抗沖擊性能要優(yōu)于CASC，原因可能是劍麻纖維在混凝土內(nèi)部的橋連效應(yīng)提升了混凝土的抗沖擊性能。通過LS-DYNA軟件對CASC的抗沖擊性能進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)DIF與立方體抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變率相關(guān)，并建立了兩者之間的二元函數(shù)模型。

吳家文等[54]利用SHPB對CASC進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)，深入分析了CASC動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長的應(yīng)變率效應(yīng)，研究結(jié)果表明CASC的應(yīng)變率與DIF的平方成正相關(guān)，且CASC的DIF要高于相同強(qiáng)度等級(jí)的OPC。

Liu等[55]采用了落錘沖擊試驗(yàn)研究了不同碳纖維摻量下的全珊瑚混凝土的抗沖擊性能，試驗(yàn)結(jié)果表明碳纖維的加入有效的提高了全珊瑚混凝土的抗沖擊性能，使得破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)向延性破壞，最后指出碳纖維增強(qiáng)珊瑚混凝土的初始開裂與最終破壞時(shí)的沖擊次數(shù)的概率近似服從WeiBull分布。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于SSC及CASC的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究的方法一般采用落錘沖擊法、SHPB試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法，普遍得出結(jié)論：(1)SSC和CASC的破壞模式為脆性破壞，通常采用加入適量纖維的方法優(yōu)化這種破壞形式，使其轉(zhuǎn)化為延性破壞從而提高抗沖擊性能；(2)SSC與CASC同樣具有應(yīng)變率效應(yīng)且較為敏感，另外DIF要高于OPC。

3 干濕循環(huán)及凍融環(huán)境下對混凝土耐久性的影響

3.1 干濕循環(huán)

3.2 凍融循環(huán)

沿海、島礁地區(qū)大部分混凝土構(gòu)筑物服務(wù)于海浪沖刷、潮汐區(qū)等，特別是我國北方沿海城市的海工混凝土在實(shí)際應(yīng)用中往往遭受更加惡劣的環(huán)境考驗(yàn)，其中就有對混凝土耐久性能影響極大的凍融循環(huán)[60]。有研究表明骨料中存在的玻璃空心微珠因其內(nèi)部具備良好的蜂窩孔隙結(jié)構(gòu)和良好的保水能力可以減少凍融循環(huán)的劣化，從而提高抗凍性能[61]。曹衛(wèi)群等[62]采用河砂、淡化海砂、原狀海砂配制不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行淡水凍融循環(huán)和鹽水(3%NaCl溶液)凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過快速凍融循環(huán)后，三種混凝土的抗凍性能均有較大的降低，其中原狀海砂混凝土的強(qiáng)度損失最大。Li等[63]利用粉煤灰、硅灰替代部分膠凝材料制備高性能和超高性能SSC，并進(jìn)行1 000次的凍融循環(huán)，抗壓強(qiáng)度由原來的151.5 MPa降低到139.9 MPa，強(qiáng)度損失率約為7.7%。Islam等[64]對不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土抗?jié)B性及抗壓強(qiáng)度的損失程度進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明粉煤灰的質(zhì)量替代率為30%和40%時(shí)在清水和海水中完成凍融循環(huán)360次后與OPC相比滲透系數(shù)分別降低22%～26%和38%～44%，抗壓強(qiáng)度分別降低16%～20%和27%～34%，Cl-的抗?jié)B透性分別達(dá)到15%和20%，說明粉煤灰的摻加可以降低混凝土的滲透系數(shù)及提升抗Cl-滲透能力，另外對比不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土具有較好的強(qiáng)度保持能力。

4 FRP-SSC組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

影響FRP-SSC組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的因素可以歸納為：(1)FRP-SSC組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能隨筋材直徑的增加而減小，原因是隨著筋材直徑的增大，筋材截面面積中心與筋材的表面相繼變形的滯后程度加深，隨之產(chǎn)生剪應(yīng)力的滯后現(xiàn)象，不利于粘結(jié)性能的發(fā)展；另一方面，筋材直徑越大，則下表面可能出現(xiàn)泌水現(xiàn)象增大孔隙率，降低強(qiáng)度，損害筋材與混凝土之間的粘結(jié)性能。(2)FRP筋在SSC中的前期粘結(jié)性能優(yōu)于OPC，是因?yàn)楹ＫＩ爸泻卸喾N化學(xué)成分與FRP筋材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增大與混凝土之間的膠結(jié)能力，其次由于筋材受到侵蝕和自由水的侵入，開始發(fā)生膨脹，從而增加了與混凝土之間的聯(lián)鎖效應(yīng)。(3)混雜纖維的摻加對粘結(jié)性能的正向影響大于負(fù)向影響，混雜纖維的摻入主要是以控制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展為主，充分發(fā)揮不同種類纖維的優(yōu)點(diǎn)，對混凝土起到類似箍筋的約束效應(yīng)，延遲混凝土的開裂破壞，但會(huì)因?yàn)槔w維的分散性能較差而出現(xiàn)打團(tuán)分層現(xiàn)象，降低密實(shí)度以及FRP筋材與混凝土之間的粘結(jié)能力。(4)筋材表面特征也是影響混凝土粘結(jié)性能的重要因素之一，加肋的FRP筋要比表面做噴砂處理的FRP筋的粘結(jié)性能優(yōu)，噴砂處理的筋材與混凝土之間的粘結(jié)性能主要是依靠摩阻力，但在制作過程中可能出現(xiàn)膠結(jié)基體(樹脂)對筋材纖維束的包裹不均勻而導(dǎo)致受力初期表面樹脂的裂縫發(fā)展較快，促進(jìn)了SSC中的有害化學(xué)物質(zhì)對纖維結(jié)構(gòu)的溶解破壞，從而降低粘結(jié)性能，其破壞模式一般為拔出破壞；加肋筋材則主要依靠與混凝土之間的機(jī)械咬合力，以及混凝土與筋材之間的剪切破壞而喪失粘結(jié)性，其破壞模式一般為劈裂破壞或劈裂拔出破壞。

5 結(jié) 語

(1)目前國內(nèi)外學(xué)者對于SSC已經(jīng)有大量的研究成果，并廣泛應(yīng)用于沿海城市的建設(shè)當(dāng)中。研究表明SSC與OPC基本力學(xué)性能及耐久性并沒有特別明顯的差別，而且Cl-的存在可以促進(jìn)水化的進(jìn)行，導(dǎo)致SSC早期強(qiáng)度大于OPC。少量貝殼的存在會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性，但對整體的工作性能影響并不顯著。隨著齡期的延長，SSC強(qiáng)度略低于OPC，添加適量的礦物摻合料，在一定程度上可以彌補(bǔ)這種缺陷。也有少部分學(xué)者得出相反結(jié)論，究其原因可能是原材料的生產(chǎn)地不同，海水海砂的物理性質(zhì)及陰陽離子的含量不同，導(dǎo)致結(jié)論的差異性。

(3)早期凍融循環(huán)作用下SSC內(nèi)部形成的冰塊及部分膨脹性物質(zhì)填充孔隙，提升混凝土密實(shí)度使得強(qiáng)度及耐久性得到進(jìn)一步的提升，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部微裂縫開始發(fā)展直至開裂，降低混凝土使用壽命。

(4)FRP-SSC組合結(jié)構(gòu)的提出對SSC發(fā)展起到強(qiáng)有力的促進(jìn)作用。FRP筋與鋼筋相比較，具有較好的抗腐蝕性能及強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜多樣的海洋工程中具有良好的發(fā)展前景。目前主要在實(shí)驗(yàn)室靜力條件下的研究較多，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注FRP-SSC組合結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載及真實(shí)的海洋環(huán)境條件下的試驗(yàn)研究。