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我國(guó)南海諸島雖地處遠(yuǎn)海，但其擁有豐富的珊瑚礁砂是島礁工程的主要承載體和建筑材料。在不破壞島礁生態(tài)環(huán)境的前提下，就地取材利用珊瑚礁沉積物海水拌制礁砂混凝土用于工程建設(shè)是一個(gè)良好的選擇，更是滿足國(guó)家發(fā)改委提出的《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》中島礁建設(shè)用新型建筑材料的技術(shù)要求。在極端惡劣的海洋環(huán)境下，礁砂混凝土結(jié)構(gòu)頻繁遭遇海浪、礁塊、碎石的沖刷磨蝕（圖1），嚴(yán)重威脅島礁工程構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定和長(zhǎng)期服役性能。因此，珊瑚礁砂混凝土抗沖磨性能及其破壞機(jī)理研究具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。
針對(duì)島礁護(hù)岸礁砂混凝土構(gòu)筑物出現(xiàn)的損傷現(xiàn)狀，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所海洋工程地質(zhì)組的科研人員開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、原位取樣與室內(nèi)測(cè)試分析工作。通過(guò)室內(nèi)加速試驗(yàn)?zāi)M礁砂混凝土遭受沖刷磨蝕破壞過(guò)程，揭示了礁砂混凝土沖刷磨蝕損傷模式及其破壞機(jī)理。研究表明：礁砂混凝土的抗沖磨強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度存在良好的正相關(guān)性，作為外摻劑的硅粉、粉煤灰和纖維在一定程度上提高了礁砂混凝土的抗沖磨性能（圖2）；在珊瑚礁砂混凝土中，骨料的顯微硬度高于砂漿，兩者同時(shí)經(jīng)受外力作用，砂漿的磨損相對(duì)較大。此外，粗糙多孔的珊瑚礁塊有效提高了混凝土界面過(guò)渡區(qū)的性能（圖3），硅粉和粉煤灰的火山灰反應(yīng)提高了礁砂混凝土的整體性能，纖維通過(guò)內(nèi)支撐和抗拉作用改善了礁砂混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進(jìn)而提高其抗沖磨性能（圖4和圖5）。基于此，課題組針對(duì)性提出了提升珊瑚礁砂抗沖磨性能的工程處治措施，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用。本研究成果為我國(guó)島礁工程建設(shè)和長(zhǎng)期服役性能評(píng)價(jià)提供了重要科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)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”為題，發(fā)表在中科院一區(qū)Top期刊Construction and Building Materials上，并出版了專著《珊瑚礁砂混凝土結(jié)構(gòu)物損傷機(jī)制及耐久性評(píng)估》。研究工作獲得中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類(lèi)）（XDA13010200）和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41472287）的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821010230
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061818314880
圖1 島礁建設(shè)的地理位置及專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研
圖2 珊瑚礁砂混凝土的抗沖磨性能及其與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
圖3 珊瑚礁砂混凝土界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度
圖4 珊瑚礁砂混凝土的水化產(chǎn)物
圖5 珊瑚礁砂混凝土的微觀結(jié)構(gòu)
（文/圖 海洋工程組）