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岛礁工程建设缺砂少水,南航东大携手破解难题——珊瑚骨料拌海水,催生最强混凝土
2021/04/13 20:57  交汇点新闻  

  交汇点讯 珊瑚岛礁远离大陆,环境恶劣,砂石和淡水资源匮乏,“就地取材”的珊瑚混凝土是推进岛礁建设的关键技术。随着全球岛礁工程建设需求的日益增加,珊瑚混凝土正成为世界范围内土木工程领域的热点研究课题之一。

  近日,南京航空航天大学民航学院土木与机场工程系“先进土木工程材料与结构”课题组与东南大学“细观力学与防护工程”课题组共同完成的一篇名为“试件长径比对珊瑚混凝土抗压性能影响的三维细观研究”的科技论文入选了全球著名机构“工程进展”的关键科学文章,并进行重点专题报道。

  论文原载于复合材料领域国际顶级期刊《Composites Part B-Engineering》,南京航空航天大学民航学院土木与机场工程系2019级博士研究生吴彰钰为论文第一作者,东南大学土木工程学院博士生导师张锦华教授和南京航空航天大学民航学院博士生导师余红发教授为论文通讯作者,民航学院土木与机场工程系麻海燕讲师为共同作者。

  用珊瑚骨料配制高强度珊瑚混凝土

  珊瑚混凝土何以如此重要?论文通讯作者、南航民航学院博士生导师余红发教授告诉记者:“在热带或亚热带地区,海洋中分布着很多的珊瑚岛和珊瑚礁,这些岛礁实际上都是由成千上万的碳酸钙组成的珊瑚虫骨骼、在数千万年的生长过程中不断加厚、扩大形成的。而这些珊瑚岛礁被海水冲刷上岸的珊瑚碎屑为我国南海诸岛的工程建设提供了一种新型建筑材料——珊瑚骨料。”

  同时,在远离陆地几百甚至上千公里的海岛,缺少砂石和淡水资源,“如果要从大陆运输建筑材料会大大推高工程造价,工期也很难保证”,余红发告诉记者在不破坏珊瑚岛礁自然生态系统的前提下,就地取材,利用当地丰富的珊瑚礁砂和海水资源,可为岛礁工程建设与维护制备出所需的全珊瑚海水混凝土,具有重要的科学意义和工程实用价值。

  余红发告诉记者,自2013年起,南航“先进土木工程材料与结构”课题组开展了一系列有关珊瑚混凝土及其构件的制备技术、基本力学性能、耐久性、服役寿命和设计方法等研究工作,获取多项国家自然科学基金项目联合资助,解决了涵盖高强珊瑚混凝土材料制备、破坏机理分析及钢筋混凝土结构设计等一系列关键问题,开发了高强度和高韧性的全珊瑚海水混凝土。

  珊瑚质轻且多孔,强度不高,制备的珊瑚混凝土强度很难突破C30,而且还具有较大的脆性。如何提高珊瑚混凝土强度,成为困扰学术界和工程界的“卡脖子”难题。2013年,余红发教授亲率课题组成员远赴西沙某岛,进行岛礁混凝土结构的科学考察和珊瑚混凝土的现场实验,之后他提出“采用富浆混凝土理论提高全珊瑚海水混凝土强度”的方法。2014年科研团队配制出强度等级为C30-C55的全珊瑚海水混凝土,目前余红发教授团队已将全珊瑚海水混凝土的最高抗压强度等级提高到C80,即一平方厘米可以承受800多公斤的力量。

  破解高强度全珊瑚海水混凝土“脆性”“腐蚀”难题

  要让高强度全珊瑚海水混凝土真正用起来,余红发课题组又紧接着解决了三个关键科学问题——如何避免因提高珊瑚混凝土强度所带来的脆性增大的负作用?如何利用珊瑚礁砂资源开发出具有水化反应活性的矿物掺合料、减少水泥等远程运输材料数量,进一步降低工程造价?又如何避免或减缓海水对钢筋的锈蚀作用?

  余红发说,随着科研团队对珊瑚混凝土研究工作的不断深化,课题组相继提出了有针对性的解决思路:采用新型高韧性晶须水泥和剑麻纤维的“降脆增韧”方法,解决珊瑚混凝土的脆性问题;采用将珊瑚砂磨细成珊瑚微粉、并调整水泥矿物组成的方法,能代替20%的水泥,进一步降低了原材料的运输成本。

  为了避免海水对钢筋的腐蚀作用,余红发还提出了一种让多孔珊瑚预先吸收阻锈剂的“微泵缓释”技术。“研究结果表明,当钢筋开始锈蚀时,珊瑚和珊瑚沙当中的那些阻锈组分就慢慢释放出来了,促使锈蚀部位重新形成钝化保护膜。而且,相对于在混凝土搅拌过程中直接掺加阻锈剂等常规方法,这种方法在珊瑚混凝土中钢筋防腐过程中更加高效快捷。”余红发科普道。

  开发珊瑚混凝土三维细观模型

  为了深入探寻珊瑚混凝土的细观损伤破坏机理,为珊瑚混凝土工程应用提供理论支撑,余红发与东南大学“细观力学与防护工程”课题组张锦华教授开展了深入合作。

  张锦华教授课题组长期致力于工程材料与结构的三维细观模型、动态力学性能、细观损伤破坏机理与工程应用研究,开发了混凝土类材料、颗粒类材料、多胞类材料、复合类材料等三维细观模型和分析方法,对研究珊瑚混凝土提供了重要的方法依据。

  “在细观层次上,混凝土通常被假定为一种由粗骨料、砂浆及二者之间的界面过渡区域组成的复合材料,细观各组分的力学性质直接或间接地决定了混凝土材料的宏观力学性质和破坏模式,深入研究混凝土细观结构特点及其力学性能,建立宏观力学性能与细观结构之间的关系,是混凝土力学性质的重要研究内容之一。将混凝土三维细观研究方法,进一步应用在珊瑚混凝土的研究与应用上,是一项极具开创性的工作。”余红发教授介绍。

  在余红发教授和张锦华教授的联合指导下,南航博士研究生吴彰钰经过大量测算调试,发现所建立的珊瑚混凝土细观模型不仅与课题组以往研究的大量数据相符,也与国际上混凝土经典数据吻合,证明方法具有普适性。

  “有了精准的数字混凝土模型,我们就不再需要运输、消耗远海的珊瑚砂石,直接用数值计算的方法,研究不同细观尺度下珊瑚混凝土可能的性能、特征、机理和规律。”余红发教授表示。

  截至目前,该科研团队已经连续在《SCIENCE CHINA Technological Sciences》《Engineering》《中国科学:技术科学》《硅酸盐学报》《复合材料学报》等工程领域的多个著名期刊上发表关于珊瑚混凝土细观力学性能的重要研究成果数十篇。余红发告诉记者,两校科研团队未来将继续开发更加高效的细观模型,实现更多高质量学术成果突破,助力珊瑚混凝土材料及结构的大规模工程应用。

  新华日报·交汇点记者 杨频萍

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责编:张红

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