礁石砂骨料是在港湾疏浚、航道疏通过程中挖出的礁石和矿化珊瑚的混合物，因为其质轻、多孔、孔隙率大、吸水性强，按照混凝土骨料学术分类，其应属于天然轻骨料的一种。在不破坏自然条件和节约陆地资源的情况下，利用岛礁上建设过程中产生的礁石砂作为混凝土骨料来源，设计制备礁石砂骨料混凝土，这对于岛礁设施建设过程中减少陆地资源的运输，充分利用施工尾渣，从而降低建设成本、降低环境负荷具有重要的意义。本文结合礁石砂的理化特性，依据材料性能要求设计胶凝材料的组成，制备礁石砂骨料混凝土。根据礁石砂骨料粗糙多孔的特点，以改善混凝土工作性为重点进行混凝土配合比设计，系统研究其物理力学性能和微观结构，探索活性矿物掺合料改善其力学性能和耐久性能的原理和关键技术。采用净浆包覆处理，开发了高性能礁石混凝土。利用XRD、TG-DSC、SEM、MIP等技术方法测试矿物掺合料对礁石砂骨料混凝土中孔结构、水化产物的组成、硬化浆体与骨料的界面过渡区等方面的变化。实验研究表明： (1) 通过正交试验设计分析水灰比、水泥用量和砂率对礁石砂混凝土强度的影响规律，结果表明实验原材料的最优组合为水灰比0.4，水泥用量420kg/m3，砂率38%。通过辅助胶凝材料偏高岭土与粉煤灰、矿渣的复掺可以使礁石混凝土强度提高13.8%-34.7%。 (2) 礁石砂混凝土与同配合比条件下的普通河砂混凝土相比，其早期强度发展较快，后期强度发展缓慢，28d强度低于普通河砂混凝土。其中三掺粉煤灰(15wt%)、矿粉(15wt%)、偏高岭土(5wt%)普通河砂混凝土样28d强度达到49.3MPa；三掺粉煤灰(15wt%)、矿粉(15wt%)、偏高岭土(5wt%)礁石砂混凝土样28d强度达到47.8MPa，较未掺掺合料的礁石砂混凝土强度增加了21%。 (3) 通过对比标准养护下的礁石砂混凝土水化产物相与热重分析可知，礁石砂混凝土和河砂混凝土具有相同的水化产物，其28d水化产物为钙矾石、氢氧化钙、水化硅酸钙与水化铝酸钙。矿物掺合料使得礁石砂混凝土的结构更加致密，提高了礁石砂骨料混凝土的强度，对于单掺组合效果最好是单掺5wt%偏高岭土；复掺组合效果最好的是复掺15wt%矿粉和5wt%偏高岭土。孔结构分析可知，矿物掺合料加入，优化了礁石砂混凝土的孔结构，使得礁石砂混凝土孔径细化，孔径分布更加合理，致密度提高。 (4) 礁石砂混凝土早龄期的抗氯离子渗透性能优于普通河砂混凝土，其28d的氯离子扩散系数为3.6×10-12m2/s，根据混凝土氯离子扩散系数评价指标，评价礁石砂混凝土氯离子渗透性为中等。其中单掺5wt%偏高岭土、复掺15wt%矿粉与5wt%偏高岭土可以显著降低礁石砂混凝土的氯离子扩散系数，降幅分别达66.7%、79.2%，氯离子扩散系数评价分别为中等、低等；三掺15wt%粉煤灰、15wt%矿粉和5wt%样偏高岭土礁石砂混凝土氯离子扩散系数最小，氯离子扩散系数评价为低。 (5) 礁石砂混凝土的干燥收缩率大于相同配合比的普通河砂混凝土，无论单掺、复掺及三掺矿物掺合料均可以降低礁石砂混凝土的干燥收缩，其中三掺15wt%FA、15wt%S和5wt%MK组的干燥收缩值降幅达50%以上。礁石砂混凝土的早龄期碳化深度低于同标号河砂混凝土，随着龄期的增加，礁石砂混凝土碳化深度最终高于河砂混凝土。粉煤灰的加入，增加了礁石砂混凝土的碳化深度，而矿粉和偏高岭土的加入，降低礁石砂混凝土的碳化深度。 (6) 与未采用净浆包覆处理组相比，采用不同矿物掺合料净浆包覆处理礁石骨料均大幅度降低了礁石砂混凝土的氯离子扩散系数和碳化深度，其中掺入5%偏高岭土复合20%粉煤灰、10%矿渣的作用最为显著，礁石砂混凝土的氯离子渗透系数降低到1.8×10-12m2/s，降幅达69.1%。通过净浆包覆处理与礁石骨料的内养护特性，使得礁石骨料混凝土内部形成具有基体致密而骨料内部多孔的特点，从而形成高孔隙率低渗透率混凝土结构。

[1] 孙宗勋. 南沙群岛珊瑚砂工程性质研究[J]. 热带海洋, 2000, 2: 1-8.

[2] 王新志. 南沙群岛礁石工程地质特性及大型工程建设可行性研究[D]. 武汉：中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所, 2008.

[3] 王以贵. 珊瑚混凝土在港工中应用的可行性[J]. 混凝土,2015.1: 46-48.

[4] Howdyshell. The use of reef as an aggregate for Portland cement concrete structures. Army Construction Engineering Research Laboratory, June 1974.

[5] Wanchai Yodsudjai, Nobuaki Otsuki, Takahiro Nishida, Hiroyuki Yamane. Study on strength and durability of concrete using low quality coarse aggregate form Circum-Pacific region. Fourth Regional Symposium on Infrastructure Development in Civil Engineering(RSID4), April 2003, Bangkok, Thailand.

[6] 张栓柱. 珊瑚混凝土的疲劳特性及微观机理[D]. 广西大学, 2012.

[7] 孔祥龙. 中国扩建永兴岛全貌曝光机场跑道完工. 环球网, 2014-10-08, http://news.xinhuanet.com/mil/2014-10/08/c_127071636_2.htm.

[8] 卢博, 李起光. 海水一珊瑚砂屑混凝土的研究与实践[J]. 广东建材, 1997, (4): 8-10.

[9] 卢博, 梁元博. 海水珊瑚混凝土的实验研究[J]. 海洋通报, 1993, 12(5): 69-74.

[10] 陈兆林, 孙国峰. 岛礁工程海水拌养礁石、砂混凝土修补与应用研究[J]. 海岸工程, 2008, 27(4): 60-69.

[11] 赵艳林, 韩 超. 海水拌养礁石砂混凝土抗压龄期强度试验研究[J]. 混凝土, 2011, (2): 43-45.

[12] 王磊, 赵艳林, 吕海波. 珊瑚骨料混凝土的基础性能及研究应用前景[J]. 混凝土, 2012, (2): 99-101.

[13] 徐庆. 普通粗集料粒径效应的研究[D]. 大连理工大学: 1988.

[14] 吴中伟, 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社, 1999.

[15] Prasad B K. Influence of the roughtness of aggregate surface on the interface bond strength [J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32(2):253-257.

[16] Guinea G V, Sayed K E, Rocco C G. The effect of the bond between and matrix and the aggregates on the cracking mechanism and fracture parameters of concrete [J], Cement and Concrete Research, 2002, 32(12):1961-1970.

[17] Wu K R, Chen B. Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of High-performance concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(10): 1421-1425.

[18] Sari D, Pasanchmetoglu A G. The effect of gradation and admixture on the pumice lightweight aggregate concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(5): 936-942.

[19] 李林. 珊瑚混凝土基本特性研究[D]. 广西大学: 2012

[20] 余强, 姜振春. 浅析西沙某岛海水-珊瑚礁砂混凝土的耐久性问题[J]. 施工技术, 2013,(7): 258-260.

[21] 李林, 赵艳林等. 珊瑚骨料混凝土力学性能的影响因素研究[J]. 福建建材, 2011, (1): 10-11.

[22] 王磊, 熊祖菁, 刘存鹏. 掺入聚丙烯纤维珊瑚混凝土的力学性能研究[J].混凝土, 2014,(7): 97-99.

[23] 孙宝来. 硅灰增强珊瑚混凝土力学性能试验研究[J]. 低温建筑技术, 2014, (8): 12-14.

[24] 廖国栋, 吴国华, 苏少燕. 金属防护样品天然暴露试验及失效分析. 第九届全国可靠性物理学术讨论会, 2001. 9.

[25] 申爱琴. 水泥与水泥混凝土[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[26] Montemor M F, Simoes A M P, Ferreira M G S. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques [J]. Cement and Concrete Composities, 2003, 25: 491-502.

[27] M Moreno, W. Morris, M. G. Alvarez. Corrosion of reinforcing steel in simulated concrete pore solutions: effect of carbonation and chloride content [J]. Corrsion Scinence, 2004, 146, 26-81.

[28] L. Basheer, J. Kropp, D. J. Cleland. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review [J]. Construction and Building Materials, 2001, 15, 93-100.

[29] 王绍东, 王智. 水泥组分对混凝土固化氯离子能力的影响[J]. 硅酸盐学报, 2000, 12: 570-574.

[30] Michel Thomas. Chloride Thresholds in Marine Concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1996, 24(6): 513-519.

[31] T. H. Wee, S. F. Wong. Prediction Method for Long-term Chloride Concentration Profiles in Hardened Cement Matrix Materials [J]. ACI Materials Journal, 1997, 94(6): 565-576.

[32] Dias W.P.S, Seneviratne G, Nanayakkara S.M.A. Offshore Sand for Reinforced Concrete [J]. Construction and Building Materials, 2008, 22: 1377-1384.

[33] 吴芳, 谭盐宾, 杨长辉, 叶建雄. 高强轻集料混凝土抗氯离子渗透性能试验研究[J]. 重庆建筑大学学报, 2007, 29(6): 117-120.

[34] Chia K S, Zhang M H. Water permeability and chloride penetrability of high strength lightweight aggregate concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2002; 32:639-645.

[35] 杨正宏, 李平江, 计亦奇. 轻集料混凝土的微观性能及耐海水侵蚀性的研究[J]. 粉煤灰, 2005, 17(1): 13-16.

[36] 浦心诚, 叶连生, 姚琏. 混凝土学[M]. 武汉工业大学出版社, 1981.

[37] 赵若鹏. 陶粒混凝土破坏集料的研究[J]. 混凝土与水泥制品, 1983, 04: 2-11.

[38] 冯乃谦. 高性能混凝土结构[M]. 机械工业出版社, 2004.

[39] Andrzej Cwirzen, Vesa Penttala. Aggregate cement paste transition zone properties affecting the salt-frost damage of high performance concrete [J]. Cement and concrete Research, 2005, 35: 71-79.

[40] 郑克仁, 孙伟, 林玮. 界面过渡区力学性质对高周疲劳性能的影响[J]. 三峡大学学报, 2006, 28(4): 305-308.

[41] 喻乐华. 混凝土集料界面与强度关系的界面理论分析[J]. 华东交通大学学报, 1999, 16(4): 14-19.

[42] 陈惠苏, 孙伟. 水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2005, 8(1): 51-62.

[43] E J Garboczi, D P Bentz. Modelling of the microstructure and transport properties of concrete [J]. Construction and Building Materials, 1996, 10(5): 293-300.

[44] 王发洲. 高性能轻集料混凝土研究与应用[D]. 武汉理工大学, 2003.

[45] 杨婷婷. 基于集料功能设计的水泥石界面结构[D]. 武汉理工大学, 2010.

[46] 朱杰. 碎石型页岩陶粒混凝土的设计与性能优化研究[D]. 南昌大学, 2014.

[47] 胡曙光, 王发洲, 丁庆军. 轻集料的吸水率与预处理时间对混凝土工作性能影响[J]. 华中科技大学学报: 城市科学版, 2002, 19(2): 1-4.

[48] Bentz D P, Garboczi E J, Haecker C J. Effects of cement particle size distribution on performance properties of Portland cement based materials [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 19(10): 1663-1671.

[49] 夏佩芬, 王培铭, 李平江. 混合材料对水泥浆体界面的形貌特征[J]. 硅酸盐学报, 1997, 25(36):738-742.

[50] Alexander M G. Aggregate and the deformation properties of concrete [J]. ACI Mater J, 1996, 93(6): 569-577.

[51] Amir Elsharief, Menashi D, Jan Olek. Influence of aggregate size, water cement ratio and age on the microstructure of the interfacial transition zone [J]. Cement and Concrete Research, 2003(33): 1837-1849.

[52] 马一平. 提高水泥石-集料界面粘结强度的研究[J]. 建筑材料学报, 1999, 2(1): 29-32.

[53] Shen Y, Xu Z, Xie P. A new method of enhancing cement-aggregate interfaces: ideal aggregate and its effects on interfacial microstructrures [J]. Cement and Concrete Research, 1992, 22(4), 612-618.

[54] 王培铭, 陈志源, Scholz H. 粉煤灰与水泥浆体间界面的形貌特征[J]. 硅酸盐学报, 1997, 25(4), 475-479.

[55] He Changling, Bajarne Osback, Makovicky. Pozzolanic reaction of six principal clay minerals: activation reactivity assessments and technological effects [J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(8): 1691-1702.

[56] J M Gao, C X Qian, H F Liu, et al. ITZ microstructure of concrete containing GGBS[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(7), 1299-1304.

[57] Frias M, de Rojas M, Carbrera J. The effect that the pozzolanic reaction of metakaolin has on the heat of evolution in Metakaolin cement mortars [J]. Cement Concrete Research, 2000, 30: 209-216.

[58] Zhi S, Zhong S, Qiu L. Combined effect of metakaolin and sea water on performance and microstructure of concrete [J]. Construction and Building Materials, 2015, 74: 57-64.

[59] Duan P, Zhong S, Wei C, Chun S. Effects of metakaolin, silica fume and slag on pore structure, interfacial transition zone and compressive strength of concrete [J]. Construction and Building Materials, 2013; 44; 1-6.

[60] 曾俊杰. 偏高岭土改性混凝土的制备与性能[D]. 武汉理工大学, 2010.

[61] 孙家瑛, 陈志源, 吴初航. 硅灰裹石掺混合材体系对混凝土抗氯离子渗透能力影响研究[J]. 混凝土, 2000, 8: 28~30.

[62] Alexander M G, Magee B J. Durability performance of concrete containing condensed silica fume [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29: 917-922.

[63] 胡曙光, 王发洲, 丁庆军. 轻集料与水泥石的界面结构[J]. 硅酸盐学报, 2005, 33(6): 713-717.

[64] Dale P, Bentz. Influence of inernal curing ueing lightweight aggregates on interfacial transition zone percolation and chloride ingress in mortars [J]. Cement and Concrete Research, 2009, 31:285-289.

[65] 何真. 高性能抗冲击混凝土的研究[D]. 武汉理工大学, 1999.

[66] Medeiros M H F, Helene P. Surface treatment of reinforced concrete in marine environment: influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption [J]. Construction and Building Materials, 2009, 23: 1477-1484.

[67] Ampadu K O, Torii K. Chloride ingress and steel corrosion in cement mortars incorporating fly ashes [J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32: 989-901.

[68] Tang F J, Chen G D. Cement-modified enamel coating for enhanced corrosion resistance of steel reinforcing bars [J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 35(1): 171-180.

[69] Z. Yang, X. Shi, A. T. Effect of styrene-butadiene rubber latex on the chloride permeability and microstructure of Portland cement ortar [J]. Construction and Building Materials, 2009, 23: 2283-2291.

[70] C Arya, N R Buenfeld, J B Newman. Factors influencing chloride-binding in concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1990(20): 291-300.

[71] F. P. Glasser, A. Kindness, S. A. Stronach, Chloride ingress in cement paste and mortar [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29: 861-870.

[72] 胡红梅. 矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性影响的研究[D]. 武汉理工大学, 2002.

[73] 李淑进, 施惠生, 赵铁军等. 粉煤灰混凝土耐久性的若干研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2001,31: 40-42.

[74] Wittmann W F H, Zhan H Y and Zhao T J. Chloride penetration into water repellent concrete exposed to sea water in tidal zone [J]. Hydrophobe IV, Water Repellent Treatment of Building Materials, 2005:35-45.

[75] 丁天, 宋远明, 王波, 王超. 混凝土硫酸盐化学侵蚀研究进展[J]. 特种混凝土与沥青混凝土新技术及工程应用,2013:131-134.

[76] 巩鑫. 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究[D]. 大连理工大学, 2008.

[77] 方祥位, 申春妮, 杨德斌等. 混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究[J]. 建筑材料学报, 2007(10): 89-96.

[78] 金雁南, 周双喜. 混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理[J]. 华东交通大学学报, 2006(23): 4-8.

[79] 刘艳, 张树河等. 偏高岭土对砼耐久性能的影响[J]. 水泥工程, 2007, 3: 69-72.

[80] 李鑫, 邢锋, 康飞宇. 掺偏高岭土混凝土导电量和氯离子渗透性的研究[J]. 混凝土, 2003, (11): 36-39.

[81] 耿海宁. 偏高岭土改性海工混凝土若干问题研究[D]. 武汉理工大学, 2014.

[82] 水中和, 王康, 陈伟, 孔赟. 改性偏高岭土复合粉煤灰对混凝土与抗渗性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2012, 6(31), 685-663.

[83] 方永浩, 郑波, 张亦涛. 偏高岭土及其在高性能混凝土中的应用[J]. 硅酸盐学报, 2003, 8(31): 801-804.

[84] 付志恒. 偏高岭土对混凝土体积稳定性及其显微结构的影响[D]. 武汉理工大学, 2011.

[85] P. Spiesz, Q. L. Yu, H.J. H. Brouwers. Development of cement-based lightweight composites-Part 2: Durability-related properties [J]. Cement and Concrete Composites, 2013, 44: 30-40.

[86] 金南国, 金贤玉, 郭剑飞.混凝土孔结构和强度关系模型研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2005.39(11): 1680-1684.

[87] 张俊. 碱矿渣-偏高岭土复合胶凝材料性能研究[D]. 重庆大学,2010.

[88] 王康. 偏高岭土基复合掺和料对混凝土耐久性的影响[D]. 武汉理工大学, 2012.

[89] Brooks J J, Megat Johari M A. Effect of metakaolin on creep and shrinkage of concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2001, 23(6): 495-502.

[90] Güneyisi E, Geso?lu M, Mermerda? K. Improving strength, drying shrinkage and pore structure of concrete using Metakaolin [J]. Materials and Structures, 2008, 41(5): 937-947.