海洋骨料混凝土材料与结构性能研究进展*

2023-09-25杨树桐孙忠科蒋济同范国玺杨天戈

中国海洋大学学报（自然科学版） 2023年10期

杨树桐, 孙忠科, 蒋济同, 范国玺, 董坤, 杨天戈

(中国海洋大学工程学院, 山东青岛 266100)

随着中国“双碳”战略和“海洋强国”战略的提出,合理开发与利用海洋资源,建设岛礁,保护海洋生态环境,成为未来重要的发展战略。现在的海岛建设,只能依靠工程船远洋运输天然砂石,大大增加了建造成本,且天然砂石的开采破坏了生态环保,导致天然资源日益匮乏、越来越不易获取。在滨海、近海及深远海岛礁建设中,如果能够采用海砂和珊瑚两类海洋骨料并结合海水拌合混凝土,生产绿色、低碳、环保的海洋骨料混凝土,不仅可以实现就地取材,而且节约工期、降低工程造价。

1 海洋骨料混凝土的研究现状

使用海洋中的珊瑚、海砂作为骨料,与胶凝材料混合拌制而成的混凝土称为海洋骨料混凝土。按照骨料组成的不同,主要可以分为海水海砂混凝土和海水珊瑚混凝土;按照胶凝材料的不同,主要可以分为普通水泥海洋骨料混凝土和碱激发海洋骨料混凝土。

1.1 普通水泥海洋骨料混凝土

采用硅酸盐水泥与海洋骨料结合配制而成普通水泥海洋骨料混凝土。是现阶段研究最多的一种海洋骨料混凝土。其研究最早可以追溯到20世纪中叶,现阶段英国和日本都是使用海洋骨料建设工程较多的国家,而中国对海洋骨料混凝土的应用尚处于探索阶段。

1.1.1 海水海砂混凝土海砂作为一种天然的骨料,可以替代河砂用于混凝土的制备,海砂的组成成分和粒径分布同河砂相似[1-2]。欧洲是世界上最早使用海砂作为建筑材料的地区,而日本在1938年便在一些无法获取河砂的地区使用海砂进行混凝土的生产[3]。日本脱盐海砂在建筑中的用量占到细骨料总量的12%以上[2]。

为了缓解淡水消耗造成的经济问题,张茂辉等[4]使用海水拌和混凝土,并进行了不同龄期下混凝土的力学性能研究,结果发现:相比使用淡水,使用海水对水泥标准稠度用水量和体积安定性并无影响,但会使水泥的凝结时间缩短;海水混凝土的抗压和抗折强度同淡水混凝土无明显差别。缩短凝结时间的原因是海水中的氯盐会与水泥中Ca2+结合生成CaCl2,进而与C3A发生反应,生成不溶于水的水化氯铝酸盐,同时也促进了C3S和C2S的水化反应。而经过配合比的优化设计,使用海砂拌制的混凝土坍落度可达到200 mm以上[1, 5],混凝土凝结硬化后,其前期强度发展较快,后期强度与普通混凝土相同[2],可以满足C20—C80混凝土的设计要求,与普通河砂相同[1]。但是海水海砂中含有的Cl-进入混凝土后改变了PH值,破坏了钢筋表面的钝化膜,使得钢筋表面出现电位差,造成钢筋的锈蚀,而锈蚀的积累会引发混凝土的膨胀开裂[6]。中国曾在1955—1969年间开展了海水海砂拌制的混凝土对内部钢筋的锈蚀情况的相关研究[7],发现Cl-含量和水胶比越小,内部钢筋锈蚀的可能性越低。中国现行标准GB/T14684—2002[8]规定,建筑用砂中的氯化物含量要小于0.06%。肖建庄等[9]发现在保证海砂得到较好淡化效果的前提下,淡化海砂高性能混凝土的氯离子渗透性能符合标准要求。使用海砂后混凝土的冻融特性可能会略低于普通混凝土[10]。而海水海砂混凝土的抗渗、碳化和收缩性能基本与普通混凝土的相同,海水海砂拌和混凝土,氯离子加速了早期水化反应的进行,使水化反应更加充分,缩短了水化放热时间,从而降低了自收缩,同时海砂比河砂含泥量更低,粒径更加均匀,有利于抑制自收缩,收缩变形程度略有降低[11-13]。

由于海水海砂混凝土多在海洋环境下应用,因此关于海水海砂混凝土的断裂性能研究十分必要。Yang等[14]研究了海水海砂混凝土的断裂特性,并与普通混凝土进行对比,结果表明:海水海砂的拉伸强度高于普通混凝土,且其断裂韧度和断裂能随最大骨料粒径的增大而提高。海水海砂混凝土断裂横截面如图1所示。

图1 海水海砂混凝土断裂截面形貌[14]

1.1.2 海水珊瑚混凝土珊瑚骨料是指珊瑚虫死亡后形成的珊瑚礁体,其主要成分是CaCO3,具有质地较轻、疏松多孔、强度低、吸水能力强和保水能力较差的特点[15]。珊瑚骨料形貌如图2所示。早在二战时期,美国在远离大陆的太平洋中的一些海岛上修建机场跑道、公路和建筑物时,因为淡水及砂石不容易获取,便利用海水和珊瑚作为原材料生产混凝土[16-17]。中国的学者在1988年就通过试验研究证实了珊瑚混凝土在远海岛礁的海工结构建设中使用能够节省人工和经费,加快工期[18]。

图2 珊瑚骨料形貌[15]

珊瑚骨料的吸水率大,通常在拌制之前要进行预湿处理,其粗糙不平的表面会增大骨料之间的摩擦力,往往需要更多的浆体包裹润滑以达到较好的工作性能[19]。而在使用珊瑚作为骨料的地区,海水往往比淡水更易获取,因此珊瑚混凝土多使用海水拌制,珊瑚和海水中均含有CI-,使得混凝土具有较高的早期强度[19-21]。珊瑚疏松多孔的内部结构使得珊瑚混凝土内部孔隙较大,导致其强度低于天然砂石骨料,但珊瑚混凝土强度等级能够达到C35[22],甚至是C80[23]。糜人杰等[24]发现疏松多孔的内部结构可以和水泥浆体更好的结合,大大提高了界面强度,使得裂缝多出现于骨料和浆体内部,因此其劈裂抗拉和抗折强度均高于普通混凝土。但其弹性模量要低于普通混凝土[19]。Yang等[25]通过对不同龄期(28和90 d)、不同养护环境(标准养护和海水浸泡)的珊瑚骨料混凝土断裂性能的研究发现,浸泡在海水中的珊瑚混凝土拉伸强度高于标准养护条件下的珊瑚混凝土,且断裂参数随着养护龄期的增长而提高。

由于珊瑚骨料具有吸水、反水特性,导致珊瑚混凝土混凝土凝结硬化后前期收缩要大于普通混凝土,但是后期收缩小于普通混凝土,矿物掺合料的使用可以有效改善凝结硬化后的前期珊瑚混凝土发生收缩变形[22],但会使其抗渗性能和抗氯离子渗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,且骨料的孔隙率显著大于浆体和界面过渡区,因此水和离子更容易通过骨料进行传输扩散,然后再通过界面过渡区和浆体中的孔隙在基体中扩散,进而对基体造成侵蚀破坏[26]。使用珊瑚作为混凝土骨料的地区多为中国南海地区,因此不存在冻融破坏问题[19]。

1.2 碱激发海洋骨料混凝土

碱激发胶凝材料是以硅铝酸盐矿物(矿渣粉、粉煤灰、偏高岭土、赤泥、硅灰等)作为前驱体,通过使用碱性激发剂(氢氧化钠、氢氧化钾、水玻璃等)解聚和缩聚反应,生成的一种低碳绿色环保的胶凝材料。碱激发胶凝材料凝结硬化后的前期强度高[27],同时具有抗氯离子渗透[28]、耐酸碱腐蚀[29]和抗冻融[30]的性能,适用于海水拌和以及在海洋环境下服役。而在海岛建设以及近、滨海工程施工中,可以将海岛原有建筑拆除产生的建筑垃圾作为骨料。因此,采用碱激发技术结合工业固体废弃物(矿粉、粉煤灰等)取代水泥作为胶凝材料,并与珊瑚、海砂、再生骨料结合,经海水拌合后可配制成碱激发海水海砂混凝土、碱激发珊瑚混凝土和碱激发海砂再生骨料混凝土。

1.2.1 碱激发海水海砂混凝土 Yang等[31]设计了4种碱激发矿粉混凝土,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,并对它们的基本力学性能、收缩性能和抗氯离子渗透性能进行了测试,结果表明:四种碱激发矿粉混凝土的力学性能极为相近,而且300 d内的收缩变化趋势以及抗氯离子渗透性能也基本一致。

Lyu等[32]研究了不同碱激发剂和胶凝材料对混凝土强度的影响,发现液体碱激发剂比固体有更高的抗压强度激发效果。这可能是因为在混合阶段未溶解的固体颗粒减慢了反应的进度,进而削弱了抗压强度。粉煤灰-矿渣粉基碱激发海砂混凝土抗压强度比粉煤灰-偏高岭土基碱激发海砂混凝土的更高。矿渣粉比偏高岭土含钙量更高,而钙在碱激发海砂混凝土抗压强度发展中起着至关重要的作用。Lao等[33]研究了抗压强度140 MPa的碱激发海砂混凝土,发现同淡水拌合相比,海水拌合混凝土的放热速率略低,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。

在不同温度(0、200、400、600、800 ℃)下碱激发海水海砂混凝土表现出不同的力学性能[34]。碱激发海水海砂混凝土的断裂参数在小于400 ℃时变化不大,抗压强度有较大的提升,而随着温度的进一步升高,断裂参数和抗压强度明显降低。Li等[35]通过使用电子计算机断层扫描(CT)和扫描电子显微镜观察,进而研究了加热过程中混凝土的宏-微观结构变化。试验结果表明,浆体中的裂缝主要是由温度梯度、孔隙压力和相变造成的,主要破坏机制是浆体和骨料之间的热膨胀不相容引起的。

1.2.2 碱激发珊瑚混凝土 Xu等[15, 36]首次将珊瑚骨料与碱激发胶凝材料结合,配制出碱激发珊瑚骨料混凝土,研究了珊瑚骨料类型和珊瑚骨料替代普通骨料比例对混凝土力学性能的影响,进而得到了合理的碱激发珊瑚骨料混凝土配合比。结果表明,珊瑚粗骨料类型对碱激发珊瑚骨料混凝土凝结硬化后28 d的立方体抗压强度和弹性模量无明显影响。而随着珊瑚对天然骨料替代率的增加,混凝土的抗压强度逐渐下降。设计的碱激发珊瑚骨料混凝土凝结硬化后28 d的立方体抗压强度可达到50 MPa左右,完全满足工程需要。Zhang等[37]对碱激发珊瑚混凝土的凝结时间进行了研究,结果表明:相比普通砂石骨料,珊瑚骨料的使用加速了混凝土的凝结和硬化;通过对其断裂性能的研究发现[15],由碎石状珊瑚骨料制备得到的混凝土断裂参数明显高于柱状珊瑚骨料混凝土。碱激发珊瑚骨料混凝土断裂面如图3所示。

图3 碱激发珊瑚骨料混凝土[15]

1.2.3 碱激发海砂再生骨料混凝土 Yang等[38]采用建筑拆除产生的建筑垃圾破碎而成的再生骨料作为粗骨料,海砂作为细骨料,以碱激发矿渣和粉煤灰混合物作为胶材,经海水拌合制备碱激发海砂再生骨料混凝土[38],其断裂面如图4所示。矿渣粉使用量对混凝土的抗压和劈裂抗拉强度影响最明显,而水灰比主要影响新拌混凝土的坍落度[39]。

图4 碱激发海砂再生骨料混凝土[38]

Yang等[31]通过改变粉煤灰取代矿粉的用量配制了两种类型的碱激发海砂再生骨料混凝土,其中Ⅰ和Ⅱ型分别为25%粉煤灰掺量和50%粉煤灰掺量,并对其基本力学性能和断裂性能进行了研究。由试验结果可知:这两种类型的碱激发海砂再生骨料混凝土在凝固硬化后7 d的抗压强度超过了其凝固硬化后28 d抗压强度的80%,且随着矿粉与粉煤灰质量比的增加,断裂参数随之增大;基于边界效应理论并结合极限荷载,推得真实拉伸强度、断裂韧度与断裂能的闭合解,建立了最大断裂荷载的预测模型[38](见图5)。

2 海洋骨料混凝土在结构构件中的应用

现有的FRP主要分为碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)。

2.1 FRP筋与海洋骨料混凝土界面黏结性能

混凝土结构构件中,筋材与混凝土间的黏结性能是影响筋材与混凝土协同工作的重要因素。李雨珊等[40]研究发现改变珊瑚骨料混凝土的强度对FRP筋与混凝土黏结应力以及黏结-滑移影响不大,GFRP筋的黏结-滑移曲线分布同BFRP筋的相似,比CFRP筋海水珊瑚骨料混凝土分布更加均匀。用FRP筋增强的海洋骨料混凝土具有相当明显的效果,但是海洋骨料混凝土中的碱度可能降低FRP筋的耐久性能。王磊等[41]研究发现:海水浸泡后CFRP筋损伤程度低于GFRP筋;FRP筋与珊瑚混凝土的界面黏结性能表现为先升高后降低的变化规律,随着浸泡时间增加,部分GFRP筋与珊瑚混凝土间的拉拔破坏模式由筋被拔出转变为筋材断裂,增加混凝土保护层厚度能缓解海水浸泡条件下GFRP筋与珊瑚混凝土间的黏结强度的降低程度。Yang等[42]通过中心拉拔试验研究了FRP筋与珊瑚骨料混凝土之间的黏结性能,分析了FRP筋直径、黏结长度以及养护条件对黏结行为的影响,并因此提出了一种适用于FRP筋与海洋骨料混凝土的四线性局部黏结—滑移本构模型[42-43],如图6所示,该模型具有四个特征参数。结果表明:最大平均黏结应力随着黏结长度和FRP筋直径的增加而减小;标准养护条件下海洋骨料混凝土与FRP筋的最大平均黏结应力比海水浸泡条件下的略高[42];钢筋在海洋骨料混凝土中的黏结强度下降较为明显。

(τ和δ分别为剪切强度和剪切滑移;τf和δ1分别为局部剪切强度和对应的剪切滑移;τs和δ2分别为残余摩擦力和对应的剪切滑移;τ0为筋材与混凝土间的静摩擦应力;GⅡf为局部剪切断裂能。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]基于所提出的四线性模型,考虑了如图7所示的界面区域的非连续性与非均匀性,通过引入离散系数C和界面区域微观特征参数G分别反映界面的非连续性和非均匀性[43],基于界面变形协调条件,建立了界面真实抗剪强度τf与剪切断裂能GⅡf的预测模型。

(τf为局部剪切强度;τc为临界剪切应力;C为离散系数;G为微观特征参数;Fmax最大荷载。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筋和网增强海洋骨料混凝土梁

与FRP增强普通混凝土梁相比,FRP增强珊瑚骨料混凝土梁的延性降低,进而脆性更明显,混凝土破碎面积明显更大。FRP增强珊瑚骨料混凝土梁的极限承载力低于FRP增强普通混凝土梁[44]。周瑞等[45]研究了FRP筋海水海砂混凝土梁的抗剪性能,结果发现剪跨比对梁的破坏影响最为明显,即剪跨比越小,破坏越显著。Hu等[46]研究了FRP筋海水海砂混凝土梁的耐久性能,结果发现,FRP筋与混凝土间的协同工作能力弱于钢筋混凝土;在腐蚀性环境中长期使用后,FRP筋海水海砂混凝土梁的性能下降比钢筋混凝土梁低,由此可见,虽然FRP筋对混凝土的增强作用弱于钢筋,但面向海洋环境的耐久性能优于钢筋。海洋骨料混凝土梁性能下降程度还与FRP筋类型有关,BFRP筋的抗拉强度随浸泡海水时间和环境温度的升高而降低。此外,BFRP筋在淡水中的抗拉强度下降幅度比在海水中更明显[47]。混凝土内部的碱性环境同海砂和海水中的盐离子相结合,加剧了FRP筋(尤其是BFRP筋)的树脂溶解和纤维-树脂界面的脱黏[48]。与BFRP筋相比,GFRP筋在模拟混凝土孔隙溶液和盐水侵蚀条件下都表现出更好的抵抗力[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网加固了BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的受拉区,对其进行了抗弯性能研究,结果表明:随着梁底加固层厚度和FRP网材层数的增加,加固后梁的极限承载力有所提高。

此外,由于FRP筋与海洋骨料混凝土均属于脆性材料,与普通钢筋混凝土梁不同,FRP筋混凝土梁的最终破坏模式为:受压区边缘混凝土被压碎,而FRP筋未发生断裂。鉴于此,蒋济同等[52]通过区域约束的方法在混凝土受压区采用箍筋加密,从而显著提高了梁的抗弯承载力和延性。

2.3 FRP约束海洋骨料混凝土柱

FRP管约束海水海砂混凝土柱后可以有效提高柱的受压承载力[53]。相比CFRP管,BFRP和GFRP管填充海水海砂混凝土后力学性能下降[54],CFRP管断裂时的脆性比BFRP和GFRP管的更明显。FRP管约束海水海砂混凝土(SWSSC)的力学性能主要体现在抗压强度和极限应变上,而FRP管的截面形状、管径厚度比和FRP性能都会影响其力学性能[55]。Zhang等[56]研究了不同层数的BFRP约束对碱激发海水珊瑚混凝土的轴向应力-应变行为的影响。结果表明,FRP约束是提高圆柱体试样承载能力和变形的有效方法。随着BFRP约束层数的增加,轴向抗压强度和极限轴向压应变都逐渐增强。同非约束试件相比,6层BFRP约束时轴向抗压强度约提高了2倍。Li等[57]分别将CFRP、GFRP和BFRP约束的海水海砂混凝土柱浸泡在40 ℃的人工海水中进行了长达6个月的耐久性试验;结果表明,CFRP约束的海水海砂混凝土柱同GFRP和BFRP约束的海水海砂混凝土柱相比,抗拉强度降低最少,表现出最佳的耐久性能。Wang等[58]使用海砂和珊瑚骨料混凝土作为FRP-钢复合管结构的核心混凝土,进行了单调轴压试验。结果发现,增加FRP层数同减小钢管直径与厚度比,试件的极限应力和应变有了显著的改善。当其他试验参数保持不变时,改变FRP的类型发现,CFRP约束试样具有较高的极限强度,BFRP约束试样具有较高的极限变形能力。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压承载力[59-60]。

但FRP片材加固混凝土结构易存在界面剥离、提前失效和加固效率低等问题。鉴于此,Yang等[61]采用树脂预涂层(Resin pre-coating,RPC)对混凝土表面进行预处理,随后粘贴FRP片材,从而有效填充表层范围内的裂隙。与传统加固方式相比,RPC处理技术可以显著提高片材加固效率,大大提升了界面的黏结强度[61]。