珊瑚島礁遠(yuǎn)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(jìn)島礁建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著全球島礁工程建設(shè)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(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。
近日，南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院土木與機(jī)場(chǎng)工程系“先進(jìn)土木工程材料與結(jié)構(gòu)”課題組與東南大學(xué)“細(xì)觀力學(xué)與防護(hù)工程”課題組共同完成的一篇名為“試件長(zhǎng)徑比對(duì)珊瑚混凝土抗壓性能影響的三維細(xì)觀研究”的科技論文入選了全球著名機(jī)構(gòu)“工程進(jìn)展”的關(guān)鍵科學(xué)文章，并進(jìn)行重點(diǎn)專(zhuān)題報(bào)道。
論文原載于復(fù)合材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Composites Part B-Engineering》，南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院土木與機(jī)場(chǎng)工程系2019級(jí)博士研究生吳彰鈺為論文第一作者，東南大學(xué)土木工程學(xué)院博士生導(dǎo)師張錦華教授和南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院博士生導(dǎo)師余紅發(fā)教授為論文通訊作者，民航學(xué)院土木與機(jī)場(chǎng)工程系麻海燕講師為共同作者。
用珊瑚骨料配制高強(qiáng)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(xué)院博士生導(dǎo)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(shí)際上都是由成千上萬(wàn)的碳酸鈣組成的珊瑚蟲(chóng)骨骼、在數(shù)千萬(wàn)年的生長(zhǎng)過(guò)程中不斷加厚、擴(kuò)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(guó)南海諸島的工程建設(shè)提供了一種新型建筑材料——珊瑚骨料。”
同時(shí)，在遠(yuǎn)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(yùn)輸建筑材料會(huì)大大推高工程造價(jià)，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(dāng)?shù)刎S富的珊瑚礁砂和海水資源，可為島礁工程建設(shè)與維護(hù)制備出所需的全珊瑚海水混凝土，具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。
余紅發(fā)告訴記者，自2013年起，南航“先進(jìn)土木工程材料與結(jié)構(gòu)”課題組開(kāi)展了一系列有關(guān)珊瑚混凝土及其構(gòu)件的制備技術(shù)、基本力學(xué)性能、耐久性、服役壽命和設(shè)計(jì)方法等研究工作，獲取多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目聯(lián)合資助，解決了涵蓋高強(qiáng)珊瑚混凝土材料制備、破壞機(jī)理分析及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度和高韌性的全珊瑚海水混凝土。
珊瑚質(zhì)輕且多孔，強(qiáng)度不高，制備的珊瑚混凝土強(qiáng)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(qiáng)度，成為困擾學(xué)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(yuǎn)赴西沙某島，進(jìn)行島礁混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)考察和珊瑚混凝土的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度”的方法。2014年科研團(tuán)隊(duì)配制出強(qiáng)度等級(jí)為C30-C55的全珊瑚海水混凝土，目前余紅發(fā)教授團(tuán)隊(duì)已將全珊瑚海水混凝土的最高抗壓強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度全珊瑚海水混凝土“脆性”“腐蝕”難題
要讓高強(qiáng)度全珊瑚海水混凝土真正用起來(lái)，余紅發(fā)課題組又緊接著解決了三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題——如何避免因提高珊瑚混凝土強(qiáng)度所帶來(lái)的脆性增大的負(fù)作用？如何利用珊瑚礁砂資源開(kāi)發(fā)出具有水化反應(yīng)活性的礦物摻合料、減少水泥等遠(yuǎn)程運(yùn)輸材料數(shù)量，進(jìn)一步降低工程造價(jià)？又如何避免或減緩海水對(duì)鋼筋的銹蝕作用？
余紅發(fā)說(shuō)，隨著科研團(tuán)隊(duì)對(duì)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(duì)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(wèn)題；采用將珊瑚砂磨細(xì)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(jìn)一步降低了原材料的運(yùn)輸成本。
為了避免海水對(duì)鋼筋的腐蝕作用，余紅發(fā)還提出了一種讓多孔珊瑚預(yù)先吸收阻銹劑的“微泵緩釋”技術(shù)?！把芯拷Y(jié)果表明，當(dāng)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)，珊瑚和珊瑚沙當(dāng)中的那些阻銹組分就慢慢釋放出來(lái)了，促使銹蝕部位重新形成鈍化保護(hù)膜。而且，相對(duì)于在混凝土攪拌過(guò)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(guò)程中更加高效快捷?！庇嗉t發(fā)科普道。
開(kāi)發(fā)珊瑚混凝土三維細(xì)觀模型
為了深入探尋珊瑚混凝土的細(xì)觀損傷破壞機(jī)理，為珊瑚混凝土工程應(yīng)用提供理論支撐，余紅發(fā)與東南大學(xué)“細(xì)觀力學(xué)與防護(hù)工程”課題組張錦華教授開(kāi)展了深入合作。
張錦華教授課題組長(zhǎng)期致力于工程材料與結(jié)構(gòu)的三維細(xì)觀模型、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、細(xì)觀損傷破壞機(jī)理與工程應(yīng)用研究，開(kāi)發(fā)了混凝土類(lèi)材料、顆粒類(lèi)材料、多胞類(lèi)材料、復(fù)合類(lèi)材料等三維細(xì)觀模型和分析方法，對(duì)研究珊瑚混凝土提供了重要的方法依據(jù)。
“在細(xì)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(guò)渡區(qū)域組成的復(fù)合材料，細(xì)觀各組分的力學(xué)性質(zhì)直接或間接地決定了混凝土材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)和破壞模式，深入研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其力學(xué)性能，建立宏觀力學(xué)性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，是混凝土力學(xué)性質(zhì)的重要研究?jī)?nèi)容之一。將混凝土三維細(xì)觀研究方法，進(jìn)一步應(yīng)用在珊瑚混凝土的研究與應(yīng)用上，是一項(xiàng)極具開(kāi)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(dǎo)下，南航博士研究生吳彰鈺經(jīng)過(guò)大量測(cè)算調(diào)試，發(fā)現(xiàn)所建立的珊瑚混凝土細(xì)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(guó)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(zhǔn)的數(shù)字混凝土模型，我們就不再需要運(yùn)輸、消耗遠(yuǎn)海的珊瑚砂石，直接用數(shù)值計(jì)算的方法，研究不同細(xì)觀尺度下珊瑚混凝土可能的性能、特征、機(jī)理和規(guī)律。”余紅發(fā)教授表示。
截至目前，該科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)連續(xù)在《SCIENCE CHINA Technological Sciences》《Engineering》《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》《硅酸鹽學(xué)報(bào)》《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》等工程領(lǐng)域的多個(gè)著名期刊上發(fā)表關(guān)于珊瑚混凝土細(xì)觀力學(xué)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(tuán)隊(duì)未來(lái)將繼續(xù)開(kāi)發(fā)更加高效的細(xì)觀模型，實(shí)現(xiàn)更多高質(zhì)量學(xué)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(yīng)用。
