海砂海水混凝土材料及耐久性研究应用

安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001

海砂海水混凝土顾名思义，就是用海砂、海水代替普通混凝土中的砂子、水，从而节约淡水资源，减少环境污染。随着我国海洋工程建设项目的增多，淡水和细骨料陆上运输成本不断提高，经济效益低，交通运输不便。因此，对海砂海水混凝土的研究不但有利于普通混凝土材料研发[1]，而且对我国海洋工程建设具有战略性意义。然而，目前对海砂海水混凝土的研究还处于探索的早期阶段，有很多理论和实践问题（如抗腐蚀问题）亟待研究和解决。

1 海砂海水混凝土的主要原材料

1.1 海砂

海砂为入海口与海洋周围区域的砂料，在配置海砂海水混凝土时，不能直接使用海砂，而是需要先对其进行净化，并且不能单独使用海砂，需要和人工砂或者天然砂配合使用。此外，海砂不能直接被制备成预应力混凝土，因为海砂的水溶液含有过高浓度的氯离子，氯离子浓度应低于0.03%，否则就会对混凝土结构的耐久性带来负面影响[2]，使钢筋的锈蚀更严重。

1.2 其他原材料

海砂海水混凝土的制作需要使用普通硅酸盐水泥，同时还需要确保该水泥的氯离子占比低于0.025%。另外还需要使用其他几种掺合料，如粉煤灰、硅灰等[3]，既能解决工业废渣的再利用问题，也能显著提升混凝土的耐久性和抗渗性。在海砂海水混凝土搅拌的过程中，应严格控制水体中氯离子的含量，即低于250mg/L。

2 海砂海水混凝土耐久性影响因素

混凝土结构耐久性实际上就是钢筋与混凝土材料的耐久性[4]。材料的耐久性是指其处于相应的使用环境中时对诸多化学与物理作用进行抵御的能力。混凝土表面通常处于空气中，一旦遇到较为恶劣的环境，就容易遭受各类有害物质的侵蚀。此外，外部环境的温湿度动态变化也会对其产生影响，使得混凝土出现裂缝，进一步导致钢筋出现腐蚀，从而减小混凝土结构的承载力。

2.1 混凝土的碳化

混凝土碳化是指空气中二氧化碳持续地渗入混凝土孔隙中，进而和其中的碱性物质反应生成碳酸钙，降低该孔隙中的碱度[5]。外部环境中的二氧化硫也会和混凝土中的碱性物质进行反应，使碱度降低。虽然碳化不会对混凝土产生危害，但是容易导致混凝土内部中的钢筋锈蚀。由于碱性环境有助于使钢筋表面形成氧化膜，能对钢筋产生很好的保护作用。若钢筋处于弱酸性环境，就容易破坏该氧化膜，引起钢筋锈蚀，导致其周围的混凝土出现拉应力，直到混凝土产生破坏。

2.2 氯离子侵蚀

如果水泥中含有较多的氯离子，那么就容易导致混凝土产生钢筋腐蚀，进而影响到建筑物的使用年限和安全性能[6]。混凝土结构中的钢筋在锈蚀时，水分子会参与其腐蚀过程，在水分和氧气的共同作用下，钢筋表层中的铁因为电子的丧失开始被逐步腐蚀。而且电化学反应的发生会激发更大程度的钢筋腐蚀，此过程中也不会损失氯离子，使电化学反应得以持续，最终使钢筋产生严重腐蚀。通常，混凝土中的氯离子占比不能大于0.2%。在氯化物环境中，钢筋横截面区域的横向宏观裂纹会出现显著的坑蚀，明显降低钢筋的延展性与承载力以及强度。因此，为了避免钢筋产生锈蚀问题，需要减小水胶比，使其密实度、抗渗性能得到显著增长，并进一步对氯离子占比进行科学控制，采用覆盖层规避氯离子产生渗透问题。另外，还可以运用阴极保护机制对钢筋进行科学保护。

2.3 硫酸根侵蚀

海砂海水混凝土不但容易受到氯离子影响，而且硫酸根离子也会不同程度上对其产生侵蚀效应[7]。海水中通常包含丰富的硫酸根离子，大多是以硫酸镁的形式出现，它和混凝土孔隙中的钙离子发生反应，由此产生氢氧化镁、硫酸钙沉积物。海水中硫酸根离子较多，化学反应进行得更彻底，这样就会消耗丰富的氢氧化钙溶液，于是混凝土的碱度就会随之下降，使得水泥水化产物被分解，导致混凝土结构产生不同程度的破坏。另外，当混凝土受到硫酸根离子侵蚀时，会形成硫铝酸钙，这种物质的体积会显著膨胀，使混凝土的应力明显增大，严重破坏混凝土的结构。

2.4 材料的质量

钢筋混凝土材料耐久性深受混凝土材料的影响，大量研究结果显示，混凝土采用的水胶比大小会对混凝土质量产生显著影响。在混凝土浇筑成型之后，没有参与水化反应的水分在蒸发效应下，会使水泥浆体与集料界面产生不同程度的微小裂缝，水胶比越高产生的微裂缝就越多，对材料的耐久性就会产生更大的影响。

2.5 混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性是混凝土在潮湿环境下对干湿交替作用进行抵抗的能力[8]。因为混凝土拌和物有离析泌水效应，在水泥浆体和集料区域会产生较为明显的水分蒸发效应，进而产生一定数量的微裂缝，增大渗透性，对混凝土耐久性有着较大影响，所以要尽量减小水胶比，在混凝土拌和物中可以适度地增加掺合料，以增加混凝土的密实度。另外，还需要做到以下几点：粗集料粒径不能过大，细集料的表面需要保持清洁，充分冲洗干净；科学地运用外加剂，如膨胀剂、减水剂等；在浇筑混凝土后注意加强养护，避免施工时产生干湿交替的作用。

2.6 混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性能是指在冷热循环下对冻融交替效应进行抵御的能力。混凝土之所以会产生冻结破坏问题，是因为混凝土孔隙内部的饱和水在结冰后产生了体积膨胀问题，进而破坏了混凝土结构。混凝土孔隙中的水在温度降至0℃以下时开始冻结，体积开始膨胀，使混凝土中的应力增加。在应力的作用下，经过多次的冻融循环，混凝土结构的裂缝会增多并逐渐发展，最终导致混凝土结构的破坏。因此，在具体施工环节，需要对水胶比进行科学控制，尽可能运用硅酸盐水泥，适量地掺入减水剂、防冻剂等外加剂，以改善混凝土的抗冻性[9]。

3 工程应用

海砂海水混凝土已经在很多重要工程中得以应用，在大跨度桥梁工程、海港建设工程中展现出了独特的优势，在工程经济合理、安全试用期、环境适用性等方面获得了较为突出的成就。为了满足成本利益、环保等方面的需求，海砂海水等相关材料呈现出典型的资源化趋向。

我国曾在海砂海水混凝土的应用方面遭遇了严重的失败教训。例如，在二十世纪七八十年代，由于当地资源较为匮乏，台湾使用了较多没有被严格处理的海砂，导致之后相当长的时间内频发“海砂屋”问题，这种建筑就是因为使用了不满足使用条件的海砂，使混凝土结构中的钢筋出现了锈蚀，甚至造成了房屋倒塌等严重危害。1999年台湾发生地震，“海砂屋”的受损情况最为严重，造成了大量人员伤亡，这是我国应用海砂海水混凝土的一次惨痛教训。

因此，完善海砂海水混凝土施工技术规范，采用优良的建筑原材料和科学的施工方法，在海砂海水混凝土的应用中显得尤为重要[10]。

4 结束语

海砂海水混凝土的研制打破了传统混凝土的技术局限，缓解了对淡水和河砂的依赖。地球上的淡水资源和河砂资源非常有限，而海水资源和海砂比较丰富，海砂海水混凝土的研制充分地利用了自然界中的资源，有利于海砂海水建材资源化发展，能节约成本、保护环境，促进我国海港建设和岛礁建设的发展。然而，海砂海水混凝土的应用依然有不少问题需要解决，其中硫酸盐、氯化物等都容易导致混凝土结构中的钢筋出现腐蚀，严重影响混凝土结构的耐久性，同时也对海砂海水在混凝土中的科学应用带来了明显的制约。因此，阻锈剂的开发和利用是广大学者和从业者今后研究的重点，亦为今后较长时间内混凝土技术重要的发展趋向。海砂海水混凝土的研究是混凝土发展历程中极为重要的里程碑，未来海砂海水混凝土在海港等多方面建设领域将会得到更广泛的应用，获得更好的经济技术效益。