基于WOS数据库的海水海砂混凝土研究分析★

黄学开，于建军，高健美，李 勇，李珊珊,2

(1.河北科技大学建筑工程学院，河北 石家庄 050000； 2.中土大地国际建筑设计有限公司，河北 石家庄 050000)

1 概述

淡水和细砂一直都是混凝土制作的两种重要原材料，但随着多年来地消耗，淡水河砂已经呈现出匮乏的趋势。为解决资源储备不足的问题，海水海砂作为新材料开始走入人们视线。相比之下，海水海砂具有储存量大、易就地取材等优势。但海水海砂中含有大量的氯离子、硫酸根离子等带有侵蚀危害的物质，容易对结构或构件产生破坏。据报道显示，早在2003年里，宁波市一年的建筑用砂中有80%为海砂，其中使用的未淡化的海砂所占比例高达65%，其对城市的建筑物质量造成巨大危害[1-2]。故在进行海水海砂对淡水河砂的替代应用之前，应更加深入全面地研究海水海砂对混凝土各方面性能的影响规律，是实现SWSSC在实际工程应用的前提与基础。

2 文献计量检索及研究方向

本文在Web of Science数据库中，输入关键字“Sea sand concrete”(“海水海砂混凝土”)。由于本关键词不存在关键词分歧的问题，故不再需要增加关键词，来提升其准确性。将所检索到的文献导入到可视化工具VOSviewer中，本文对检索文献各主要研究方向的数量进行了统计(如图1所示)。由图1可见，近年来研究的热点紧紧围绕在SWSSC使用性能中在不同环境条件下的耐久性问题。

3 海水海砂混凝土的工作性能研究进展

经研究表明，海水海砂对混凝土工作性能的影响主要体现在初凝时间、流动性与坍落度三个方面。Etxeberria等[3]研究表明，以海水为原料的混凝土相较于淡水搅拌的混凝土初凝时间减少30%。Safi等[4]通过试验得出结论，海水海砂的流动性随着海砂中贝壳类物质含量的增加而降低。Younis等[5]研究发现水胶比相同时，海水混凝土相比淡水混凝土坍落度降低了20%。陈人云[6]研究表明SWSSC的坍落度随氯盐和贝壳含量的增加而减小。

尽管目前对SWSSC的工作性能进行了大量的研究分析，可在研究结论上始终存在着一定的分歧，但研究的重心始终围绕在其力学性能和长期耐久性问题分析。

3.1 海水和海砂混凝土力学性能的研究

在SWSSC的早期强度研究上，大多数学者认为海水海砂地加入会提升混凝土的早期抗压强度。郭东等[7]研究了海水和珊瑚礁对混凝土的影响，研究发现其早期强度发展较快，但后期逐渐减慢，最终的抗折与抗劈裂强度与普通混凝土相差不大。李田雨等[8]研究表明相比淡水河砂混凝土，海水和海砂地使用可以使水泥水化更充分，从而使混凝土早期强度提高。然而在SWSSC的长期强度方面，一直存在较多的争议。秦斌[9]研究发现，海水和海砂对基体的阻碍作用几乎可以忽略不计，混凝土整体的力学性能与普通混凝土没有明显的差异。Xiao等[10]的研究结果表明，SWSSC甚至表现出更佳的长期抗压强度。陈振等[11]研究发现，当在胶凝材料中掺入活性粉末且采用高温养护时，混凝土抗压强度可达到140 MPa,明显高于SWSSC和普通混凝土。

笔者认为研究结果上产生的差异可能与研究环境和试验材料的差异有关，研究人员要正确面对研究结论上产生的差异，用更多具有代表性和说服力的试验数据来证明SWSSC性能的优劣。

3.2 加入纤维增强聚合物(FRP)后海水海砂混凝土力学性能的研究进展

李川川[12]证明了钢纤维不仅能够提高混凝土的劈裂抗拉强度，还能提高混凝土的延性，降低高荷载下大变形构件的破坏几率。Huang等[13]探讨了利用海水海砂生产高强度工程水泥基复合材料的可行性，研究了海砂粒度、纤维长度和纤维体积掺量对抗压强度的影响，结果表明增加纤维(聚乙烯纤维)的长度和用量可提高拉伸应变能力。Li[14]进行了海水海砂钢纤维混凝土抗拉强度试验研究，发现少量的钢纤维(体积掺量为1.5%以下)对SWSSC的抗拉强度有明显的提升效果。

综上可见，FRP对SWSSC的性能可能存在提升的效果，笔者认为未来会有更多优质的FRP被应用到SWSSC中，研究人员可在多方面进行探索试验。如多种纤维的混杂、纤维的各项基本指标的改良和纤维使用方法的开发等，都具有一定的研究意义和工程实际应用价值。同时，针对各种纤维的材料特性的不同，可充分利用各种纤维的优势对结构和构件进行增强作用。

4 海水海砂混凝土在环境条件下的耐久性研究进展

SWSSC在环境条件下的耐久性问题是实现SWSSC应用实际工程的阻碍所在，本文将重点分析SWSSC自身耐久性问题和SWSSC在碱性环境(如海水)下的耐久性问题，旨在通过分析其影响机理，对问题的解决起到促进的作用。

4.1 海水海砂混凝土自身耐久性研究

处在常规条件下SWSSC的耐久性主要受自身氯离子和硫酸根离子的侵蚀，其中氯离子侵蚀产生的危害更大。当混凝土中氯离子的含量较多时，将会对结构中的钢筋产生腐蚀作用，进而对结构或构件的使用性能和安全性产生影响。其对钢筋的锈蚀机理主要分为以下几个方面[15]:1)破坏钝化膜;2)形成“腐蚀电池”;3)阳极去极化作用;4)导电作用(如图2所示)。

针对钢筋腐蚀问题，其现有的解决办法主要分为两大类，即添加新型复合腐蚀剂和用FRP筋替代传统钢筋。新型复合腐蚀剂的作用机理是通过化学缓冲来提高氯化物阈值和在腐蚀发生时降低腐蚀的速率，该方法可以有效减缓腐蚀的发生，但并未从源头解决问题。而FRP筋完全替代钢筋可以有效地避免钢筋腐蚀问题，虽然此技术还没有达到成熟的地步，但可为SWSSC耐久性研究提供一个方向。

4.2 海水海砂混凝土在碱性环境下的研究

SWSSC作为海洋强国和远海开发战略的研究项目，其实际的应用环境离不开海洋中海水的侵蚀。近年来，许多的研究人员开始考虑FRP和SWSSC的有机组合，以此来改善SWSSC的耐久性。然而， 随着实际环境长期的侵蚀 FRP也会逐渐发生降解，进而会对SWSSC的使用性能产生影响。鉴于此，本文选取了两个具有前沿性的研究难题，即海水海砂填充纤维缠绕钢管在碱性环境中的降解和FRP管与SWSSC在海水条件下的黏结性能做出了重点分析。

4.2.1 海水海砂填充纤维缠绕钢管在碱性环境中的降解机理分析

当纤维缠绕海水海砂钢管时，其可为SWSSC提供很好的保护作用，同时也将直接暴露在海水等碱性环境中。纤维在碱性环境的降解机理包括树脂基体的劣化、纤维的损伤和纤维/树脂界面的弱化。其中，树脂基体降解引起的损伤类型包括溶胀、分层、塑化、开裂和碱性水解，这些损伤可能是由于水分吸收或化学扩散引起。在现有研究中，碳纤维表现出较好的耐化学腐蚀性,而在其他FRP中，基体渗透开裂、分层和界面脱黏是导致纤维/树脂界面劣化的主要原因。

经研究发现，纤维中腐蚀壳的存在对纤维的危害巨大。纤维在碱性环境中形成腐蚀壳的主要原因是纤维中的硅酸盐与碱离子发生反应，导致纤维网络破坏并逐渐溶解。腐蚀壳的形成是发生降解反应的初始(如式(1)所示)，随后发生的硅酸盐网络的破坏和逐渐溶解过程如式(2)所示[16],解释了纤维形成腐蚀壳后的破坏机理。

≡Si-OR+(H++OH-)→Si-OH+ROH

(1)

≡Si-O-Si≡+(R++OH-)→≡Si-OH+RO-Si

(2)

4.2.2 FRP管与海水海砂混凝土在海水条件下的黏结性能机制分析

FRP材料与SWSSC在海水条件下的黏结性能与FRP材料的结构形式密切相关，而目前常见的FRP管和混凝土之间的黏结强度主要是通过摩擦阻力与化学黏附来控制，尤其是在化学黏结断裂后仅通过摩擦阻力来控制。不同阶段的黏结强度可用式(3)～式(5)来计算(τ,μs,μk,q,C分别表示黏结应力、静摩擦系数、动摩擦系数、表面之间的法向应力和化学黏结应力)。式(3)用于计算化学键断裂前的键强度，式(4)用于计算化学键断裂后和滑动起始前的键强度，最终用式(5)计算获得滑动起始后的键强度[17]。

τ=μs+C

(3)

τ=μsq

(4)

τ=μkq

(5)

4.3 研究难题解决办法的提出

4.3.1 海水海砂填充纤维缠绕钢管在碱性环境中的降解问题的解决方法

经研究发现，选择具有多个不同纤维取向的碳纤维缠绕玻璃钢管，其会表现出较好的碱性环境中的耐久性。碳纤维由于其高强度耐腐蚀的材料特点，即使长期暴露在碱性环境下，几乎不会发生明显的界面退化和纤维损伤，同时还可为SWSSC提供长期的环向强度。除此之外，笔者认为以下几个方面也是解决问题的关键。

1)改变纤维的长细比，降低纤维在受力和环境条件下的损伤。

2)改善树脂基体的环境，通过增加保护膜，降低条件环境对树脂基体的影响，减少劣化反应。

3)在混凝土配比中增加密实剂，减少混凝土中的孔隙数量，提高密实度。

4.3.2 海水条件下混凝土与FRP管材的界面黏结问题解决办法的提出

经研究发现，碳纤维增强聚合物(CFRP)管具有最大的黏结强度，不考虑成本因素时，是FRP材料的首选。当提供的约束足够时，降低管直径与管厚的比值(D/t)可显著提升黏结强度，而对于实际约束较低的拉挤FRP管，使用较厚的管可能不会对黏强度产生显著影响。同时纤维的取向对黏结能力有着一定的影响，不同纤维取向之间存在着较大的差异，具有89°纤维的纤维缠绕管(如果提供足够的轴向强度)表现出最佳性能，而拉挤FRP管(0°纤维)表现出最弱的性能。综上，即选取89°纤维的碳纤维缠绕管和基体表现出最佳的黏结性能。

综合学者们研究可知，海水渗透所导致的管内膨胀是造成混凝土与FRP管材发生破坏的重要原因，使其增加了混凝土和管之间的联锁，从而增加摩擦阻力，降低了管的承载力。管与混凝土之间的摩擦系数增大，管的承载力降低，导致混凝土滑移，管表面破碎。鉴于此，笔者认为应该从以下三个方面尝试解决问题。

1)通过调节海砂的细度分布和细度模数，来减小管材与混凝土之间的摩擦力。

2)在FRP管材的表面和与SWSSC的接触面添加防水材料，来降低海水的渗透效率。

3)在FRP管材与SWSSC的接触面添加隔离物，可以降低两者的联锁反应，降低摩擦阻力。

5 结论与展望

目前，尽管在提升SWSSC耐久性研究上已经取得了一些成就，但还达不到在实际工程应用的水平，笔者认为今后的研究可从以下几个方面进行深入。

1)优化SWSSC的配合比和优质矿物掺合料地加入去提升SWSSC的耐久性。

2)充分利用FRP的高耐腐蚀性，结合目前提出的SWSSC与纤维缠绕钢管的结构形式，开发更加有效具有保护作用的新的结构组合形式。

3)实现宏观与微观的有机结合，通过分析其内部微观的腐蚀机理，提高具有针对性的解决办法。

4)海洋环境中应用的混凝土建筑物所处的实际环境多是复杂多变的，在条件允许的情况下，应着重研究真实环境下多因素耦合对SWSSC耐久性的影响。