海工混凝土原材料的特点及技术要求

郑育文 韦嘉伟 蔡华权 黎佳和 谢志红

（广州航海学院 土木与工程管理学院）

0 引言

随着21 世纪人类进入了大规模开发利用海洋的时期，我国在十八大报告[1]提出“提高海洋资源开发能力，建设海洋强国”，十九大报告[2]中指出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，可以相信，未来海洋产业将成为我国国民经济支柱产业之一。因此研究发展海洋开发技术以促进海洋资源可持续开发利用，具有重要的现实意义。

近年来，我国进行了沿海核能或风力发电站、石油钻井、军民港口建设、跨海大桥、海岛建设等大型海洋工程的建设，用于海洋工程建设的混凝土材料（简称“海工混凝土”）的研究及应用成为各界关注的焦点。天然砂、石和淡水作为混凝土的重要基础原材料，已经被大量的消耗，并且对于海上和海岛建设，经常面临着原材料运输距离长、淡水缺乏等难题，而我国是拥有300 万平方公里主张管辖海域、1.8 万公里大陆海岸线的海洋大国，具备丰富的海水、海砂或珊瑚石等海洋资源，若能在制备海工混凝土时利用上述其中的一种或多种材料替代天然砂、石和淡水并应用于海洋工程建设中，可以有效解决上述的问题。因此，相关学者对海工混凝土的开发和研究日益增加，目前海工混凝土的种类包括但不限于海水混凝土（海水替代淡水浇筑的混凝土）、海砂混凝土（海砂替代天然细骨料的混凝土）和珊瑚混凝土（珊瑚替代天然粗、细骨料的混凝土）等。本文旨在总结现有的使用海水、海砂或珊瑚石的海工混凝土的原材料的特点、技术要求并提出合理的建议。

1 海工混凝土的主要原材料特点及技术要求

1.1 海水

水作为混凝土的基本组成成分，对混凝土的工作性能（如流动性）、力学性能（如强度发展）和耐久性有显著影响。Zhao 等[3]通过文献调研不同海域的海水盐度，发现海水的化学成分均接近美国的ASTMD1141-98 规范，海水的pH 值在7.5～8.4 之间，平均值约为8.2。

海水中的大量化学物质会对混凝土的性能产生有利或不利的影响。海水中Cl-、SO42-的含量较高，一般认为，水的pH 值会受到Cl-高含量的影响，而高浓度的Cl-能加速钢的腐蚀；SO42-对混凝土强度有显著影响，其存在会加速石膏和钙矾石的形成，从而导致混凝土的膨胀和开裂。然而，海水中的化学物质对混凝土的性能的影响并不都是不利的。由于海水中的其他化学离子可以相互作用或与混凝土部分原材料的其他离子相互作用，从而影响混凝土中的固相。因此有研究表明，有限的盐水中的水会增加混凝土的强度[4]，并且海水对混凝土的早期强度有显著影响[5]。因此，采用不同化学成分的海水作为搅拌用水时，需考虑Cl-和SO42-或Na+、K+、Ca2+、Mg2等阳离子对混凝土性能的联合作用。

选择合适的水灰比，有利于提高海工混凝土的力学性能，这与普通混凝土相似。通常来说，水灰比的降低能明显提高混凝土的强度[6]。Zhao 等[3]通过文献调研统计了已有文献中利用海水或/和海砂制备普通混凝土的配合比，水灰比主要集中在0.3 到0.7 之间，其中Guo等[7]在水灰比为0.48 的条件下制备了强度为40MPa 的混凝土；利用海水或/和海砂制备高性能或超高性能混凝土的配合比，水灰比主要集中在0.13 到0.3 之间[8-9]。

1.2 海砂

海砂具有与河砂相似的矿物组成，其经海水冲刷、滚动、碰撞、打磨而成，主要矿物为石英(SiO2)和长石((K,Ca,Na)(AlSi)4O8)。然而，由于海砂所处的气候区不同，不同地域的海砂的化学和物理性质也有很大的差异。Xiao 等[10]人通过文献调研不同地区海砂颗粒的典型级配，发现大部分不同海砂的粒径分布在我国的《海砂混凝土应用技术规范》（JGJ206-2010）和国际标准ISO7033:1987 规定的二级海砂范围内附近，适合用于混凝土生产，但是来自某些地区的海砂的分级可能不令人满意，在使用海砂之前需要进行处理。

在近海海岸的海砂有明显的盐晶体和高盐度，其表面质地粗糙，细度模数较低；而在海岸线的海砂由于潮汐上升和消退的影响其盐度分布较为均匀，其表面质地较河砂光滑，细度模数较低。一般而言，海砂比河砂含有更多的盐、贝壳颗粒和其他潜在的有害物质，对混凝土的性能有显著的影响。但有研究发现，粗糙表面的低细粒度海砂的使用能提高混凝土界面过渡区的力学性能，提高了混凝土的抗压强度[11]；相反使用表面光滑的海砂可能会降低粘结强度，从而降低混凝土的强度[12]。

海砂的用量与混凝土的的各项性能息息相关，然而，目前关于海砂用量对海工混凝土力学性能和耐久性影响的研究较少。已有研究发现，使用多种细骨料时，海砂占总细骨料的百分比对混凝土性能的影响很显著，建议海砂的掺量为25%～50%[13]。

1.3 珊瑚砂石

珊瑚是珊瑚虫在生长过程中，通过吸收海水中的钙和二氧化碳，然后产生石灰石作为其外壳，并经群集相互粘结石化形成。珊瑚的矿物成分主要为霰石和方解石，化学成分主要为CaCO3（含量高达96%以上），珊瑚石经过洗涤、破碎和筛分后，得到珊瑚砾石和珊瑚砂两种形式的骨料。珊瑚砾石与正常的砾石相比最大的差异是有内部孔，其粒径一般为5～20mm，堆积密度约为900kg/m3，表观密度约为1800kg/m3，孔隙率高达50%，并具有较强的吸水性[14]。珊瑚砂的粒径范围主要集中在0.3～2.3mm，颗粒密度约为2700～2850kg/m3，大部分珊瑚沙分级集中在II 区[15]。

珊瑚砂石表面粗糙，多孔结构容易影响混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。珊瑚骨料的多孔性一般会导致混凝土强度的降低，但由于制备过程中骨料会吸收部分拌合水，改变骨料周边的局部水灰比，同时在硬化过程中又能释放部分水实现“内养护”，促进水泥水化放热，并且让骨料界面过渡区更致密，使得其在改善混凝土力学性能和耐久性能存在一定的可能。研究发现，随着粗骨料量的增加，珊瑚混凝土的强度先增加又降低，而强度随着珊瑚砂率的增加而增加[16]。此外，苏晨等[16]研究发现鹿角状骨料对珊瑚混凝土抗压强度的提高作用最显著，其次是重质珊瑚礁骨料，最后是轻质珊瑚礁骨料[17]。

珊瑚骨料可视为天然轻质骨料，用于混凝土中的配合比完全按照普通混凝土的设计方法设计珊瑚混凝土是不合适的，更为合理的是采用《轻骨料混凝土技术规范》(JGJ51-2002)中的松散体积法进行设计。

2 海工混凝土的其他原材料特点及技术要求

2.1 水泥

水泥是无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。由于海工混凝土是由海水、海砂或珊瑚石等海洋资源中的一种或多种制备而成，含有的Cl-和SO42-具有较强的腐蚀能力，通用的硅酸盐水泥抗腐蚀能力一般，因此用于海工混凝土的水泥一般为海工硅酸盐水泥[18]。与传统的硅酸盐水泥相比，海工硅酸盐水泥28 天抗蚀系数大于0.99，具有较强的抵抗Cl-、SO42-的能力，能使部分阳离子K+、Ca2+固结到C-S-H 凝胶中，降低混凝土的碱含量，防止碱骨料反应。此外，其水化热低、抗渗性能好，能提高混凝土的抗裂、抗渗能力。

2.2 矿物掺合料

海工混凝土含有的Cl-和SO42-与矿物掺合料的相结合，对海工混凝土性能的影响与普通混凝土不同。相关文献[3]调研得到粉煤灰(FA)、矿渣(GGBS)、偏高岭土(MK)、硅灰(SF)的置换水平一般在0～30%、0～70%、0～10%、和0～5%之间。

研究发现，使用粉煤灰可以降低水泥基材料的C3A含量，降低其氯离子结合能力[19]；含有40%～70%矿渣含量的海水混凝土氯离子扩散系数和水渗透系数比含有相同矿渣含量的普通混凝土要低[20]；加入6%偏高岭土明显使海水混凝土的抗压强度高于普通混凝土，并且含偏高岭土的海水混凝土的干缩明显低于含偏高岭土的淡水混凝土[21]；海水降低了水化过程中硅灰与水泥的相互作用[19]。由此，对于矿物掺合料的选择，可以考虑采用粉煤灰、矿渣、偏高岭土中的一种或多种以提升海工混凝土的相关性能。

2.3 化学外加剂

在实际的施工环境和施工条件下，需要对工期进行把控，因此需要在海工混凝土中添加化学外加剂，如减水剂、早强剂、缓凝剂等。减水剂能够满足低水灰比条件下混凝土和易性的损失，聚羧酸系高性能减水剂是世界上最前沿、科技含量最高、应用前景最好、综合性能最优的一种混凝土减水剂；缓凝剂可以延缓海水中水泥水化的加速和较高的水化热释放，常用的类型包括葡萄糖酸钠、柠檬酸和四硼酸钠等；早强剂能提高混凝土早期强度，常用类型包括无水氯化钙，无水硫酸钠以及三乙醇胺等。孙册[22]对不同类型的缓凝剂和早强剂进行了研究，发现缓凝剂类型中葡萄糖酸钠对28 天混凝土的抗压强度影响最明显，最佳掺量为0.075%；早强剂类型中无水硫酸钠掺量在0.5%左右时发挥的作用较好，无水氯化钙掺量在2%～3%时影响较为良好。

3 结语与展望

海水混凝土、海砂混凝土和珊瑚混凝土等海工混凝土已经在很多重要工程中得以应用，在工程经济合理性、安全试用性、环境适用性等方面有取得进一步开发并广泛应用的可能性。然而，海砂海水混凝土的应用依然有不少问题需要解决，其中由于不同文献中海水、海砂和珊瑚砂石的不同性能以及所采用的配合比的不同，海工混凝土的力学性能、工作性能和耐久性能往往存在相互矛盾的结论。因此，进行海工混凝土的生产时，选用的主要原材料如海水、海砂、珊瑚砂石等要进行去杂质处理，保证主要原材料的质量；选用的水泥为海工硅酸盐水泥，选用的矿物掺合料考虑采用粉煤灰、矿渣、偏高岭土中的一种或多种，选用合适的化学外加剂（减水剂、缓凝剂、早强剂），并通过合适的配合比设计方法优化各组分材料配合比，制备出满足实际工程的、具有良好性能保证的海工混凝土。海工混凝土的深入研究和广泛应用，将促进我国海港建设和岛礁建设的发展，有利于海洋资源化利用和环境的可持续发展。