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重任在肩,第一届全国岛礁岩土工程学术研讨会

时间:2019-09-15 23:55来源:科学研究
海水拌养珊瑚礁砂混凝土服役性能研究取得新进展 中科院武汉岩土力学所 珊瑚礁砂混凝土服役性能研究获进展 海工强国 重任在肩 由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会主办,中

海水拌养珊瑚礁砂混凝土服役性能研究取得新进展

中科院武汉岩土力学所 珊瑚礁砂混凝土服役性能研究获进展

海工强国 重任在肩

由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会主办,中国科学院武汉岩土力学研究所承办的第一届全国岛礁岩土工程学术研讨会于6月9日至11日在武汉召开,来自国内外80余家高校、科研院所、企业等单位的260多名代表参加了此次学术盛会。

近日,记者从中国科学院武汉岩土力学研究所获悉,该所海洋工程地质科研团队在海洋恶劣环境条件下珊瑚礁砂混凝土结构服役性能研究方面取得新进展,该研究深化了对海洋恶劣环境条件下珊瑚礁砂混凝土结构服役性能的认知。

据电 日前,中国科学院武汉岩土力学研究所海洋工程地质科研团队对我国南海上世纪90年代初构建的珊瑚礁砂混凝土构筑物服役现状跟踪调研,分析了高温、高湿、高盐、强紫外线环境下珊瑚礁砂混凝土强度损伤和组分溶蚀规律,探究了礁砂混凝土在长期高低温交变、冲刷磨蚀和盐雾化学侵蚀作用下的服役性能及其劣化机制。

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吉林大学教授王清主持大会开幕式,中科院武汉岩土所副所长盛谦致辞,指出海洋土力学发展及岛礁工程建设是新时期国家战略发展的重大需求,此次会议的召开为构建我国特色的海洋土力学理论与提升岛礁工程建设技术提供了良好契机和交流平台。希望本次研讨会能够搭建学术交流的平台,共同推进海洋土力学与岛礁岩土工程发展,同时表示作为拟挂靠单位将全力支持岛礁岩土工程专业委员会的各项工作。

据介绍,南海珊瑚礁砂有别于陆源砂土的特殊岩土介质,是岛礁工程建设的主要承载体和建筑材料,就地取材的海水拌养珊瑚礁砂混凝土作为建筑材料受到重视并得以应用。但是海洋环境复杂、恶劣,早年修筑的珊瑚混凝土结构物出现明显的胀裂剥落、骨料裸露、腐蚀破损等现象,对岛礁工程长期服役性能构成严重威胁。

海洋环境复杂、恶劣,早年修筑的珊瑚混凝土结构物出现明显的胀裂剥落、骨料裸露、腐蚀破损等现象,对岛礁工程长期服役性能构成严重威胁。研究表明,珊瑚混凝土在长期海洋环境作用下质量损失明显,混凝土的弹性减弱,塑性增强,应力应变曲线趋于扁平,峰值点右移,抗压强度和弹性模量降低50%以上。

▲扫描电镜下的专用矿物掺合料的水化产物体系

大会组委会主席、中国土木工程学会土力学及岩土工程分会副理事长、中科院武汉岩土所研究员汪稔对本次研讨会的召开及岛礁岩土工程专业委员会筹建背景进行了介绍,指出海洋资源的开发利用、“一带一路”沿线等均涉及大量的岛礁岩土工程问题,亟需推进岛礁岩土工程领域的基础研究。因此,全国岛礁岩土工程研讨会的召开和岛礁岩土工程专业委员会的筹建是当前岛礁工程建设的迫切需求。

科研人员对我国南海上世纪九十年代初构建的珊瑚礁砂混凝土构筑物服役现状进行跟踪调研,并对典型损伤部位钻取芯样,测试其物理力学性能与微观结构,分析高温、高湿、高盐、强紫外线环境下珊瑚礁砂混凝土强度损伤和组分溶蚀规律,探究礁砂混凝土在长期高低温交变、冲刷磨蚀和盐雾化学侵蚀作用下的服役性能及其劣化机制。

这一研究深化了我国对海洋恶劣环境条件下珊瑚礁砂混凝土结构服役性能的认知,研究结果证实珊瑚礁砂含量超过50%,不使用外掺挤难以满足国家岛礁建设用新型建筑材料的技术要求,这一成果为珊瑚礁砂混凝土在国内外推广应用提供了重要科技支撑。

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此次研讨会共组织了27个大会报告,涉及了目前全球大部分的岛礁工程海域,包括我国的渤海和南海、东南亚、中东、西澳大利亚及纳米比亚等海域的岛礁工程建设。大会分别围绕“岛礁岩土工程及岩土力学”、“波浪-岛礁相互作用”、“岛礁筑岛与地基处理”、“岛礁生态环境”四个议题进行了精彩的报告和讨论。主要集中对钙质土的岩土力学和工程特性、大型模型槽试验与数值计算分析在波浪-岛礁相互作用与波浪传播规律研究中应用、大型人工筑岛工程项目遇到的关键技术问题和疏浚固化技术、钙质土桩地基处理关键技术等关键岩土力学与工程问题以及珊瑚礁的生态、分布、水动力环境及生态保护等方面的研究成果展开了深入的交流与讨论。报告充分展现了我国目前岛礁岩土工程领域研究中所取得的重要成果及存在的问题。同时,与会代表也普遍认为目前岛礁工程建设尚处于起步阶段,在钙质土物理力学和工程地质特性等方面还缺乏足够的认识,实际工程设计和施工中遇到了诸多困难。因此,在当前“一带一路”的国家战略推动下,将岛礁岩土工程作为一个重点问题开展相关研究及技术攻关工作对于推进岛礁岩土工程建设具有重要的理论和实践意义。

研究结果证实珊瑚礁砂含量超过50%,不使用外掺剂难以满足国家发改委对岛礁建设用新型建筑材料的技术要求,该成果为《海水拌养珊瑚礁砂混凝土技术规程》编制,以及珊瑚礁砂混凝土在国内外推广应用提供了重要科技支撑。

《中国科学报》 (2017-10-23 第4版 综合)

▲“用海水海砂等离岸地材制备素混凝土技术”制备的扭王字块

6月11日上午,汪稔主持召开了筹备成立中国土木工程学会土力学及岩土工程分会岛礁岩土工程专业委员会的讨论会,来自40余个单位的60多名代表对岛礁岩土工程专业委员会的筹建给予了高度的肯定,认为专委会的成立可为不同单位在学术及技术发展信息交流合作方面提供平台,不同单位优势互补实现差异性研究,从而更好地促进我国岛礁岩土工程建设在理论、技术和方法方面快速成长,以期在国际上起引领地位。

■本报记者 王超

会后,各位代表参观考察了武汉岩土所岩土力学与工程测试中心,海洋工程地质实验室的珊瑚礁混凝土耐久性测试系统、物理力学测试系统、大型模型试验系统以及岛礁岩芯样品库。

它是陆与海的交界,蜿蜒缠绵,伸向遥远的地平线。

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它是岛屿拥抱大洋的见证,浪花拍岸,呵护着脚下的银滩。

会议现场

它就是海岸线,1.8万千米的大陆海岸线与1.4万千米的岛屿海岸线,共同构筑了我国沿海、岛屿3.2万千米曲折蜿蜒的基线。建设好、利用好如此磅礴的海岸线资源,对于堤防安全、沿海经济和国防建设来说都不无裨益。

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一场围绕海岸线建设的会战就此打响。对于中国建材科研工作者来说,如何占领国际建材领域制高点,掌握海洋工程建设所需的建材核心技术,提供既满足功能需求又成本低廉的优质混凝土,成了摆在他们面前的重大命题。

参观实验室

海洋工程建设的环境复杂,目前我国海工建设所用的水泥基材料大多是淡水河砂混凝土,所用水泥也是普通硅酸盐水泥,这些现有的水泥基材料并不能满足就地取材的经济性,对近乎枯竭的河砂资源形成了挑战,存在诸多问题。

2014年,国家发改委、财政部、工信部、科技部联合制定了《关键材料升级换代工程实施方案》,支持南海岛礁建设用海水拌养型混凝土产业化,珊瑚礁、砂集料、海水拌养混凝土就地取材利用率大于75%,方向明确。

“特别是在我国南海进行的远海岛礁、沿海国防及港工混凝土工程的建设,‘就地取材’远比从内陆运料经济得多,研究‘用海水和离岸地材为集料制备素混凝土’等海工水泥建材关键技术和工程应用,对我国国防事业、地区经济发展意义重大。”中国建筑材料科学研究总院(以下简称中国建材总院)院长姚燕说。

所谓素混凝土,是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构,它是海工建设中一种常见的水泥基材料。海水、海砂等地材并不是像淡水、河砂一样拿来就能用的,它们含有的大量盐分会对混凝土的新拌性能和耐久性能造成一系列影响。对于素混凝土而言,如果按原来的方法直接用海水拌养混凝土,将存在新拌性能差、不能满足施工要求、部分耐久性能差等问题。

“对于离岸岛礁、远海和无替代砂源地区,迫切需要攻克海水、海砂应用存在的技术问题,研发海水海砂素混凝土制备技术。”中国建材总院水泥科学与新型建筑材料研究院教授王玲说。

破解“就地取材”的科学难题

海水与淡水、海砂与河砂、珊瑚礁石与碎石在组成、形貌、级配等方面存在的差异,严重影响了混凝土微结构、工作性、强度和耐久性能。一是海水拌养混凝土时,混凝土坍落度损失快、工作性差,须解决凝结时间短、坍落度损失过快的问题;二是海水海砂拌养素混凝土时,须解决混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗碱骨料反应等耐久性问题;三是珊瑚礁石直接使用影响混凝土的工作性能、界面强度和力学性能,须解决表面附着物和界面结合能力差的问题。

“我们制定了详细的工作内容和研究方案,对混凝土的强度等级,初始坍落度、凝结时间等工作性能,抗氯离子渗透、无碱骨料反应破坏等耐久性方面的指标制定了明确的技术开发目标,解决了直接利用海水海砂制备素混凝土的技术难题,使海水海砂混凝土的性能达到并部分超越现有淡水河砂混凝土的性能。”姚燕说。

通过理论技术攻关和一系列的对比试验,中国建材总院相继解决了混凝土快凝无法施工、过细海砂吸附外加剂影响流动性、贝壳和珊瑚礁石表面生物残留物影响强度、混凝土耐久性差及寿命短等难题,从而解决了用海水和离岸地材为集料制备素混凝土的科学难题。

在专用化学外加剂的开发方面,中国建材总院的科研人员通过调控混凝土凝结时间和早期强度发展,解决了海水海砂拌养带来的坍落度降低、坍落度损失快等问题,制备出性能不低于使用淡水河砂的混凝土,并实现工业化生产中10小时脱模的要求;在专用矿物掺合料的开发方面,他们应用多元胶凝材料体系设计的思想,与水泥共同构建一个致密、耐腐蚀的胶凝材料体系,降低水化热,降低水泥用量,增加混凝土耐久性和长期强度;在珊瑚礁石骨料的改性方面,他们运用界面改性的设计思想,通过酸浸泡去除贝壳或珊瑚礁石表面的生物残留物进行了表面改性初步试验,力争解决贝壳或珊瑚礁石难以作为粗、细骨料直接利用的难题,为充分利用地材提供了技术支撑。

“该技术解决了海洋开发,尤其是南海岛礁建设过程中无淡水、无集料可用的难题。通过就地取材,利用原本‘不符合要求’的海水、海砂制备出满足要求的高性能混凝土,从而为我国的海洋开发和国防建设提供有力的技术保障。”姚燕说。

国际建材科技的下一座高峰

早在1988年,中国建材总院就开展了海洋环境下机场跑道、海岛、护岸工程用混凝土的研究。国家“九五”到“十二五”期间,中国建材总院又在多个国家“973”“863”科技支撑项目支持下,对高性能混凝土开展了深入研究,并承担了“高性能水泥制备和应用的基础研究”“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”“高性能水泥绿色制造工艺和装备”“重大工程水泥与混凝土关键技术研究和应用”“新型功能材料在岛礁工程中的应用研究”“多因素耦合作用下氯离子在水泥基材料中传输行为”等一系列水泥建材科研项目,并取得多项科技成果。

“同样是由于海水海砂中的氯盐,目前现有技术只允许应用于不使用钢筋的素混凝土中,用于钢筋混凝土结构的相关技术正在加紧研发中。”王玲坦言。

在侵蚀性离子、温差、海浪冲磨、干湿循环等复杂环境下,现有的水泥基材料容易出现锈蚀、溶蚀、膨胀、开裂、剥落等抗蚀性差、耐久性不足的问题,进而导致诸如港口工程中构件开裂、桥梁工程中桥墩破坏等。而直接使用海砂、珊瑚礁石、贝壳等离岸地材制备钢筋混凝土,海水、海砂中的氯离子会造成钢筋腐蚀,因此海水、海砂目前并不适合用于拌制钢筋混凝土。

从国内海洋工程用水泥基材料的相关研究来看,目前的研究尚不能满足海洋工程高抗蚀、高耐久、长寿命要求,海洋工程专用特种水泥研究也较少。纵观国际,虽然法国、英国等已经掌握了“水泥基材料的抗海水腐蚀及劣化机理”,也开发出了以高辅助胶凝材料掺量、抗化学腐蚀为特征的海工水泥,但仍存在着高辅助胶凝材料掺量会导致早期强度偏低、凝结慢等问题,且对海洋工程专用特种水泥的研究仍为空白。

金沙澳门官网4166,“这暴露了水泥基材料在海洋环境中的劣化等基础研究不深入、不系统,满足各类海洋工程高抗蚀要求的水泥基材料体系尚未建立的共性问题。”姚燕说。

因此,深入系统研究海洋因素下水化产物稳定性及微结构劣化规律等理论问题,重点关注不同海洋工程用水泥基胶凝材料性能调控与制备等关键技术,开发高抗蚀水泥基材料在不同海洋工程中的应用技术,以实现海洋工程的高抗蚀、长寿命,成为了国内外研究海洋工程用水泥基材料共同努力的方向。

“‘十三五’期间,中国建材总院将牵头国家重大科技专项,以解决海洋因素作用下水化产物稳定性和微结构劣变机制等科学问题为研究目标,建立‘高抗蚀、低收缩、早强快硬’的海工水泥基材料新体系、相应评价方法、标准规范和生产示范,使我国海洋工程水泥基材料整体达到国际先进水平,向国际海工建材科技的下一座高峰发起冲击。”姚燕说。

《中国科学报》 (2016-08-02 第5版 技术经济周刊)

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