珊瑚骨料混凝土的研究进展

费正岳，周明

（南京海华混凝土集团有限公司，江苏 南京 210038）

0 引言

混凝土是目前使用最普遍的建筑材料之一。制备混凝土的原材料中使用量较大的是骨料，粗骨料和细骨料总量占据混凝土总量的四分之三左右。 对于远离陆地海岛上的工程建设，所需的原材料均需要从大陆运输过去， 这样运输成本非常高昂。 如果可以就地取材， 便可以解决原材料的问题。 我国拥有宽广的海域，这些海域里分布了很多由珊瑚礁构成的岛礁。 有研究表明珊瑚礁的主要成分是文石和高镁方解石， 总的碳酸钙成分含量达到96%以上。如果将这些珊瑚礁通过一系列制作工艺，制成骨料用来配制混凝土，对我国海岛上的工程建设具有非常重要的实用意义。

1 珊瑚混凝土的研究现状

一般只有地处海洋的国家才会研究开发珊瑚混凝土。 美国在环太平洋区域建造了多个军事基地，大量的土木工程建设对混凝土的需求也较大，而所有的混凝土原材料全部从外部运输过来很不经济。 因此，美国很早就对珊瑚混凝土做了大量的研究工作。 其中美国军方某土木工程标准中提到，如果出现混凝土常规骨料短缺， 可使用珊瑚代替骨料。 目前，太平洋上美国的很多岛屿都采用过以珊瑚碎屑代替骨料制备混凝土。 日本有学者认为如果骨料强度低于砂浆强度， 那么最终混凝土强度将受骨料强度影响； 如果骨料强度高于砂浆强度，那么最终混凝土强度将不会受到骨料强度的影响。印度的Arumugam研究了珊瑚混凝土的强度，提出珊瑚混凝土早期强度发展较快，后期强度发展较慢， 且水灰比对珊瑚混凝土的强度具有一定的影响。 自二次世界大战后期以来，人们已经采用珊瑚碎屑修建了多个大型、现代化的军事、海洋以及其它民用建筑工程，使得珊瑚礁的应用得到了飞速发展。 我国对于海洋资源开发利用方面起步则较晚，对于珊瑚混凝土， 也只有在南部沿海地区才涉及到。 也有部分学者开展了这方面的研究工作，但是距离实际应用还有不足。 截至目前，珊瑚混凝土大规模的研究开发尚未开展。 但是，南海区域的海岛均距离陆地较远，缺乏淡水资源和天然骨料，限制了海岛的工程建设。 因此，对于珊瑚混凝土的研究迫在眉睫。

2 珊瑚礁的性质

珊瑚礁属于一种特殊的岩土类型，是由珊瑚群体死后其骨骼及遗骸构成的岩体。珊瑚礁上的碎屑呈多孔状，质量较轻，按照混凝土骨料的标准可归为天然轻骨料。 珊瑚堆积密度一般为900 kg/m3左右，表观密度为1 800 kg/m3左右，孔隙率达到50%左右，且孔隙是由两部分组成，即颗粒之间的孔隙以及颗粒内部的孔隙。珊瑚颗粒内部的孔隙约占全部孔隙的10%， 主要体现了珊瑚颗粒本身内部的疏松及多孔程度。 轻骨料由于存在较多孔隙，在混凝土搅拌过程中会吸收部分拌合水， 而在混凝土硬化的过程中轻骨料又会释放出一部分所吸收的水分，进而促进水泥发生水化反应。 珊瑚碎屑是一种天然轻骨料， 因此也会从水泥浆中吸收水分然后释放出水分。 作为骨料，珊瑚骨料既不同于天然碎石类粗骨料， 也不完全同于轻骨料混凝土中的陶粒、浮石类轻骨料，其多孔的特性导致其较高的吸水率。 并且珊瑚颗粒表面粗糙，导致其与水泥石之间的摩擦力也较大。 同时，珊瑚碎屑特殊的形状会要求更多的水泥浆体包裹珊瑚骨料以便得到较好的施工性能。

3 珊瑚混凝土的性能

珊瑚颗粒配制出的混凝土的抗压强度普遍较低，因此珊瑚混凝土不适于应用于高强混凝土。 珊瑚的多孔特征反而使得水泥浆更容易与珊瑚粘结，导致珊瑚骨料与水泥浆的界面处的结合状态优于普通混凝土，界面黏结力较大。 因此珊瑚混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的比值明显要高于普通混凝土。 王以贵研究发现，珊瑚碎屑表面较粗糙，且形态不一，不易于振捣密实，为了满足混凝土施工，需要较多的水泥。 珊瑚碎屑孔隙较多，吸水率也较高，因此用水量较大，混凝土强度增长整体较快。 陈兆林等通过研究提出，当珊瑚混凝土的水灰比在一定范围内，且坍落度符合要求的情况下，珊瑚混凝土的水灰比与抗压强度呈线性关系。 Ehlert建议，当水灰比为0.5左右， 粗骨料和细骨料总量达50%左右，配制出的珊瑚混凝土的抗压强度可达到20 MPa以上。 目前实验室研究中制备的珊瑚混凝土的强度等级多为C20 和C30。 虽然珊瑚骨料的强度远低于普通碎石骨料， 但是其变形能力却优于普通碎石骨料，荷载作用下珊瑚骨料可以发生较大变形。 卢博研究表明，采用抗硫酸盐的水泥制备珊瑚混凝土质量优于其他水泥，且火山灰水泥制备的珊瑚混凝土质量较差。 李林采用显微硬度测试方法，研究了珊瑚混凝土中骨料-界面过渡区的硬度值， 发现珊瑚混凝土界面过渡区的显微硬度与其相对抗压强度之间存在较好的相关性。

由于珊瑚本身生长在海洋中， 海水浸泡不会对珊瑚骨料产生不利影响。 但是，珊瑚属于多孔材料，尤其是开口孔所占比例较大，导致珊瑚混凝土的渗透性显著高于普通混凝土。高渗透性又会导致外部有害物质较容易渗入混凝土内部，引发一系列耐久性问题。 Howdyshell研究了珊瑚混凝土的耐久性， 提出采用珊瑚颗粒代替粗骨料制备混凝土，需要考虑氯离子腐烛问题， 且必须做好钢筋的保护，要求钢筋混凝土的保护层厚度要符合要求。余强等人对西沙某岛珊瑚礁砂混凝土的耐久性进行了调研，发现珊瑚礁砂混凝土具有良好的抗氯离子渗透性。同时，海水中的氯盐能够抑制膨胀，且能提高硫酸钙及水化铝酸钙的溶解度，因此质量较好的珊瑚混凝土不会出现硫酸盐侵蚀破坏。珊瑚礁砂混凝土处于波浪及潮汐作用下， 再加上雨水的冲刷作用，导致镁离子无法在混凝土表层沉积，因此镁离子对珊瑚礁砂混凝土的作用也可忽略。

由于海岛通常都远离大陆， 严重缺乏淡水资源，因此也有人提出采用海水制备混凝土。 如果可以同时采用海水和珊瑚制备混凝土材料，将会产生非常显著的经济效益和社会效益。由于海水中含有盐，因此采用海水搅拌混凝土就相当于在混凝土拌合物中加了无机盐（如氯盐类）外加剂，而这类无机盐类外加剂具有早强效果，海水搅拌的珊瑚混凝土一般早期强度会有所提高。卢博认为可以采用海水配制珊瑚混凝土， 但是需要适当提高水泥用量，降低珊瑚混凝土水灰比。赵艳林研究了海水配制珊瑚混凝土的强度，发现珊瑚混凝土的抗压强度与养护龄期之间存在一定的函数关系。

4 结论

随着经济的快速发展，土地资源越发紧缺，人类逐渐转移到对海岛资源的开发利用。 我国很多海岛都处于国防前线位置， 因此加快我国海域的基础设施建设十分重要。 珊瑚礁具有便于取材、 轻质等优点， 在沿海地区的土木工程建设中具有广泛的应用前景。 充分利用珊瑚骨料制备混凝土，不仅可以缩短建设工期，节约天然资源，而且有利于海洋资源的开发，符合我国海洋战略要求。 但大规模开发应用珊瑚混凝土，还需要做大量的研究工作。

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