珊瑚島礁遠離大陸，環(huán)境惡劣，砂石和淡水資源匱乏，“就地取材”的珊瑚混凝土是推進島礁建設的關鍵技術(shù)。隨著全球島礁工程建設需求的日益增加，珊瑚混凝土正成為世界范圍內(nèi)土木工程領域的熱點研究課題之一。
近日，南京航空航天大學民航學院土木與機場工程系“先進土木工程材料與結(jié)構(gòu)”課題組與東南大學“細觀力學與防護工程”課題組共同完成的一篇名為“試件長徑比對珊瑚混凝土抗壓性能影響的三維細觀研究”的科技論文入選了全球著名機構(gòu)“工程進展”的關鍵科學文章，并進行重點專題報道。
論文原載于復合材料領域國際頂級期刊《Composites Part B-Engineering》，南京航空航天大學民航學院土木與機場工程系2019級博士研究生吳彰鈺為論文第一作者，東南大學土木工程學院博士生導師張錦華教授和南京航空航天大學民航學院博士生導師余紅發(fā)教授為論文通訊作者，民航學院土木與機場工程系麻海燕講師為共同作者。
用珊瑚骨料配制高強度珊瑚混凝土
珊瑚混凝土何以如此重要？論文通訊作者、南航民航學院博士生導師余紅發(fā)教授告訴記者：“在熱帶或亞熱帶地區(qū)，海洋中分布著很多的珊瑚島和珊瑚礁，這些島礁實際上都是由成千上萬的碳酸鈣組成的珊瑚蟲骨骼、在數(shù)千萬年的生長過程中不斷加厚、擴大形成的。而這些珊瑚島礁被海水沖刷上岸的珊瑚碎屑為我國南海諸島的工程建設提供了一種新型建筑材料——珊瑚骨料?！?
同時，在遠離陸地幾百甚至上千公里的海島，缺少砂石和淡水資源，“如果要從大陸運輸建筑材料會大大推高工程造價，工期也很難保證”，余紅發(fā)告訴記者在不破壞珊瑚島礁自然生態(tài)系統(tǒng)的前提下，就地取材，利用當?shù)刎S富的珊瑚礁砂和海水資源，可為島礁工程建設與維護制備出所需的全珊瑚海水混凝土，具有重要的科學意義和工程實用價值。
余紅發(fā)告訴記者，自2013年起，南航“先進土木工程材料與結(jié)構(gòu)”課題組開展了一系列有關珊瑚混凝土及其構(gòu)件的制備技術(shù)、基本力學性能、耐久性、服役壽命和設計方法等研究工作，獲取多項國家自然科學基金項目聯(lián)合資助，解決了涵蓋高強珊瑚混凝土材料制備、破壞機理分析及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計等一系列關鍵問題，開發(fā)了高強度和高韌性的全珊瑚海水混凝土。
珊瑚質(zhì)輕且多孔，強度不高，制備的珊瑚混凝土強度很難突破C30，而且還具有較大的脆性。如何提高珊瑚混凝土強度，成為困擾學術(shù)界和工程界的“卡脖子”難題。2013年，余紅發(fā)教授親率課題組成員遠赴西沙某島，進行島礁混凝土結(jié)構(gòu)的科學考察和珊瑚混凝土的現(xiàn)場實驗，之后他提出“采用富漿混凝土理論提高全珊瑚海水混凝土強度”的方法。2014年科研團隊配制出強度等級為C30-C55的全珊瑚海水混凝土，目前余紅發(fā)教授團隊已將全珊瑚海水混凝土的最高抗壓強度等級提高到C80，即一平方厘米可以承受800多公斤的力量。
破解高強度全珊瑚海水混凝土“脆性”“腐蝕”難題
要讓高強度全珊瑚海水混凝土真正用起來，余紅發(fā)課題組又緊接著解決了三個關鍵科學問題——如何避免因提高珊瑚混凝土強度所帶來的脆性增大的負作用？如何利用珊瑚礁砂資源開發(fā)出具有水化反應活性的礦物摻合料、減少水泥等遠程運輸材料數(shù)量，進一步降低工程造價？又如何避免或減緩海水對鋼筋的銹蝕作用？
余紅發(fā)說，隨著科研團隊對珊瑚混凝土研究工作的不斷深化，課題組相繼提出了有針對性的解決思路：采用新型高韌性晶須水泥和劍麻纖維的“降脆增韌”方法，解決珊瑚混凝土的脆性問題；采用將珊瑚砂磨細成珊瑚微粉、并調(diào)整水泥礦物組成的方法，能代替20%的水泥，進一步降低了原材料的運輸成本。
為了避免海水對鋼筋的腐蝕作用，余紅發(fā)還提出了一種讓多孔珊瑚預先吸收阻銹劑的“微泵緩釋”技術(shù)。“研究結(jié)果表明，當鋼筋開始銹蝕時，珊瑚和珊瑚沙當中的那些阻銹組分就慢慢釋放出來了，促使銹蝕部位重新形成鈍化保護膜。而且，相對于在混凝土攪拌過程中直接摻加阻銹劑等常規(guī)方法，這種方法在珊瑚混凝土中鋼筋防腐過程中更加高效快捷?！庇嗉t發(fā)科普道。
開發(fā)珊瑚混凝土三維細觀模型
為了深入探尋珊瑚混凝土的細觀損傷破壞機理，為珊瑚混凝土工程應用提供理論支撐，余紅發(fā)與東南大學“細觀力學與防護工程”課題組張錦華教授開展了深入合作。
張錦華教授課題組長期致力于工程材料與結(jié)構(gòu)的三維細觀模型、動態(tài)力學性能、細觀損傷破壞機理與工程應用研究，開發(fā)了混凝土類材料、顆粒類材料、多胞類材料、復合類材料等三維細觀模型和分析方法，對研究珊瑚混凝土提供了重要的方法依據(jù)。
“在細觀層次上，混凝土通常被假定為一種由粗骨料、砂漿及二者之間的界面過渡區(qū)域組成的復合材料，細觀各組分的力學性質(zhì)直接或間接地決定了混凝土材料的宏觀力學性質(zhì)和破壞模式，深入研究混凝土細觀結(jié)構(gòu)特點及其力學性能，建立宏觀力學性能與細觀結(jié)構(gòu)之間的關系，是混凝土力學性質(zhì)的重要研究內(nèi)容之一。將混凝土三維細觀研究方法，進一步應用在珊瑚混凝土的研究與應用上，是一項極具開創(chuàng)性的工作?！庇嗉t發(fā)教授介紹。
在余紅發(fā)教授和張錦華教授的聯(lián)合指導下，南航博士研究生吳彰鈺經(jīng)過大量測算調(diào)試，發(fā)現(xiàn)所建立的珊瑚混凝土細觀模型不僅與課題組以往研究的大量數(shù)據(jù)相符，也與國際上混凝土經(jīng)典數(shù)據(jù)吻合，證明方法具有普適性。
“有了精準的數(shù)字混凝土模型，我們就不再需要運輸、消耗遠海的珊瑚砂石，直接用數(shù)值計算的方法，研究不同細觀尺度下珊瑚混凝土可能的性能、特征、機理和規(guī)律?！庇嗉t發(fā)教授表示。
截至目前，該科研團隊已經(jīng)連續(xù)在《SCIENCE CHINA Technological Sciences》《Engineering》《中國科學：技術(shù)科學》《硅酸鹽學報》《復合材料學報》等工程領域的多個著名期刊上發(fā)表關于珊瑚混凝土細觀力學性能的重要研究成果數(shù)十篇。余紅發(fā)告訴記者，兩?？蒲袌F隊未來將繼續(xù)開發(fā)更加高效的細觀模型，實現(xiàn)更多高質(zhì)量學術(shù)成果突破，助力珊瑚混凝土材料及結(jié)構(gòu)的大規(guī)模工程應用。
