武汉岩土所珊瑚礁砂混凝土抗冲磨性能及其机理研究取得进展

时间:2021-11-20

  我国南海诸岛虽地处远海,但其拥有丰富的珊瑚礁砂是岛礁工程的主要承载体和建筑材料。在不破坏岛礁生态环境的前提下,就地取材利用珊瑚礁沉积物海水拌制礁砂混凝土用于工程建设是一个良好的选择,更是满足国家发改委提出的《关键材料升级换代工程实施方案》中岛礁建设用新型建筑材料的技术要求。在极端恶劣的海洋环境下,礁砂混凝土结构频繁遭遇海浪、礁块、碎石的冲刷磨蚀(图1),严重威胁岛礁工程构筑物的安全稳定和长期服役性能。因此,珊瑚礁砂混凝土抗冲磨性能及其破坏机理研究具有重要的科学意义和工程实用价值。

  针对岛礁护岸礁砂混凝土构筑物出现的损伤现状,中国科学院武汉岩土力学研究所海洋工程地质组的科研人员开展了现场调研、原位取样与室内测试分析工作。通过室内加速试验模拟礁砂混凝土遭受冲刷磨蚀破坏过程,揭示了礁砂混凝土冲刷磨蚀损伤模式及其破坏机理。研究表明:礁砂混凝土的抗冲磨强度与抗压强度存在良好的正相关性,作为外掺剂的硅粉、粉煤灰和纤维在一定程度上提高了礁砂混凝土的抗冲磨性能(图2);在珊瑚礁砂混凝土中,骨料的显微硬度高于砂浆,两者同时经受外力作用,砂浆的磨损相对较大。此外,粗糙多孔的珊瑚礁块有效提高了混凝土界面过渡区的性能(图3),硅粉和粉煤灰的火山灰反应提高了礁砂混凝土的整体性能,纤维通过内支撑和抗拉作用改善了礁砂混凝土的微观结构和力学性能,进而提高其抗冲磨性能(图4和图5)。基于此,课题组针对性提出了提升珊瑚礁砂抗冲磨性能的工程处治措施,并在现场得到了成功应用。本研究成果为我国岛礁工程建设和长期服役性能评价提供了重要科学依据。

  相关研究成果以“Study of the anti-abrasion performance and mechanism of coral reef sand concrete”、“The effect of fly ash and silica fume on mechanical properties and durability of coral aggregate concrete”为题,发表在中科院一区Top期刊Construction and Building Materials上,并出版了专著《珊瑚礁砂混凝土结构物损伤机制及耐久性评估》。研究工作获得中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA13010200)和国家自然科学基金面上项目(41472287)的资助。

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821010230 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061818314880 

     

 图1 岛礁建设的地理位置及专家现场调研

   

 图2 珊瑚礁砂混凝土的抗冲磨性能及其与抗压强度的关系

  

 图3 珊瑚礁砂混凝土界面过渡区的显微硬度

  

 图4 珊瑚礁砂混凝土的水化产物

  

 图5 珊瑚礁砂混凝土的微观结构

(文/图 海洋工程组)

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