1.海水海砂混凝土研究现状
中国是一个海洋大国，2015年国家发展和改革委员会等部门联合发布《推动共建丝绸之路经济带和 21 世纪海上丝绸之路的愿景与行动》,习近平同志在中国共产党第十九次全国代表大会报告中明确要求“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”[1]。随着海洋经济的发展和国家海洋强国的部署，需要建设大量沿海港口建筑物和土木工程项目。混凝土因为易于浇筑，原材料丰富且价格低廉的同时还性能优良等优点而被广泛应用于各种建筑。但是我国的城市发展迅速，我国的河砂资源匮乏现象越来越严重，所以我们将目光投向利用海水海砂来制作混凝土，为了响应大力发展海洋战略，全力推动海砂资源的有效利用，研究海水海砂混凝土对我国的海洋经济发展和提高国家国防安全具有重大的现实意义。
早在20世纪20年代，美国学者就开始使用海水海砂混凝土并进行相关的研究[2]。海砂和河砂的颗粒级配相近，但海砂的颗粒更细且更加均匀，由于海砂的内部空洞更多，所以他的力学强度更低[3]。海水和海砂中的无机盐离子促使水泥基材料早期生成较多有利于水泥基材料早期强度发展的Friedel盐，无机盐离子中SO42-参与水化反应而生成Aft，这些产物中的Friedel盐和AFt虽然可以提高材料早期强度，但是后期随着产物逐渐增多，Friedel盐和AFt的膨胀性会破坏水泥基材料的孔隙，使水泥基材料产生微裂缝，密实度降低，M-S-H则会抑制水化后期C-S-H的生成，不利于水泥基材料后期强度的发展，导致水泥基材料的长期强度降低，耐久性劣化[2]。
关于海水-海砂混凝土的力学性能，目前国内外学者普遍得出类似结论， 即海水-海砂混凝土早期抗压强度高于普通混凝土的。[4] 海水和海砂所携带的多种离子虽然可以加快水泥基材料的水化，但是也造成混凝土内部钢筋的锈蚀，其中含量最大的Cl-能降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，在钢筋表面形成原电池，导致电化学腐蚀，钢筋腐蚀产物使混凝土保护层开裂和剥落。同时，盐类强化腐蚀环境的离子通路，使混凝土的欧姆电阻减小，从而加速电化学腐蚀过程，加快钢筋锈蚀。这也是海水和海砂未能广泛应用于混凝土拌制的主要原因之一[5]。
为进一步改善混凝土的力学及耐久性能，陈良[6]等人探究了高炉矿渣粉对混凝土性能的影响规律，结果表明：矿渣粉的掺入可以改善混凝土的和易性能；试验掺量下，矿渣粉掺量越大，混凝土后期抗压强度越高，抗冲磨强度也越高，掺入35%矿渣粉可使得混凝土的抗冲磨强度提升2.65%,同时磨损率降低6.51%;矿渣粉对混凝土抗冻性能的改善效果显著，掺35%矿渣粉可以将混凝土的抗冻等级提升至F400以上。
由于海水海砂中的氯离子会严重腐蚀钢筋，又因为纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)具有质量小、抗拉强度高、抗疲劳、耐腐蚀、隔热等优点，所以很多研究者认为可以把这个材料将海水海砂混凝土中的钢筋给替换掉，可以从根本上解决钢筋锈蚀的问题，因此，如果用FRP加固代替传统的钢筋加固[7]，则可以直接使用海水和海砂制成的混凝土材料来建造经济高效且可持续的海洋和沿海基础设施。
2.超高延性混凝土研究现状
包括海水海砂混凝土在内的混凝土材料的主要限制是其脆性和低抗拉强度，导致其在复杂加载条件下的力学响应较差。然而，对于面临台风/飓风、地震、海啸等灾害的海洋和沿海基础设施，混凝土材料必须承受复杂的机械载荷。对于FRP-钢筋混凝土构件，混凝土开裂会导致FRP-混凝土变形不协调，并可能伴随FRP局部应力集中和界面剥离破坏。在这种情况下，FRP筋混凝土构件的变形能力有限，FRP筋可能无法有效使用。为了解决上述挑战，高韧性纤维增强混凝土材料（即工程胶凝复合材料，ECC）可以用来取代传统的脆性混凝土。
超高延性混凝土主要由胶凝材料、骨料、外加剂和掺合料组成，经过纤维与粉料搅拌复合，是一种高强度、高韧性，有高抗裂性能和高耐损伤能力的特种混凝土，变形能力能达到普通混凝土的200倍左右，也被称为“可弯曲混凝土”。国外学者通常将这种具有高韧性的纤维增强水泥基材料简称为ECC材料，而国内对该材料目前没有统一的叫法，我们这里称之为超高延性纤维增强混凝土[8](下文简称超高延性混凝土)。测定纤维混凝土的弯曲韧性，目前比较流行的评价方法主要有美国ASTM-C1018法、ASTM-C1399法、日本JSCE-SF4法等。韧性是衡量混凝土塑性变形性能的重要指标，通常用与荷载-挠度曲线下包裹面积有关的参数表示。
一般情况下，ECC的拉伸应变能力在3%以上，高强ECC的抗压强度为80~160Mpa[9, 10]，与传统纤维增强混凝土相比，ECC在循环、静态、冲击和疲劳荷载下表现出更好的性能[11-13]。
混凝土韧性的计算方法有能量法、能量比值法、强度法、特征点法等[14]。定纤维混凝土的弯曲韧性，目前比较流行的评价方法主要有美国ASTM-C1018法、ASTM-C1399法、日本JSCE-SF4法等。韧性是衡量混凝土塑性变形性能的重要指标，通常用与荷载-挠度曲线下包裹面积有关的参数表示。Li等的研究发现，掺入合适种类和掺量的纤维可提升混凝土的多缝开裂性能[15]。邓宗才等[16] 研究表明，随着PVA纤维掺量的增加，混凝土的抗拉强度先增大后减小,弯拉强度和韧性耗能能力逐渐增强。杨永栩[17]研究表明，PP纤维的掺入会降低混凝土的工作性，但适量PP纤维能提高混凝土的力学及耐久性能。目前关于纤维混凝土的研究多集中在单掺纤维方面，关于混杂纤维对混凝土性能影响的研究相对较少，关于海水海砂混凝土的动力性能（疲劳性能和抗冲击性能）以及改善其正常使用性能的研究还有待完善。
大量试验结果显示，混凝土结构性能劣化的速度主要取决于水、二氧化碳、氯离子等有害离子向混凝土内部侵入的速度。出现裂缝后，若不控制有害介质的持续侵入，会导致混凝土结构过早损坏直至丧失使用功能。混凝土中添加纤维能够阻止宏观有害裂缝向微细无害裂缝的扩展，减少混凝土早期和长期收缩开裂问题，减少温度裂缝，提高混凝土的耐腐、耐磨、抗冻、抗碳化等能力，增加混凝土的弯曲韧性和弯曲强度，使其在受压破坏时呈现“裂而不破”的特点。与普通混凝土相比，超高延性混凝土可以改善其抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，抗疲劳性能、抵抗收缩变形、抵抗徐变变形能力也比普通混凝土好得多。施工时无须在使用面进行钻孔或绑扎钢筋固定，有效避免对原建筑结构整体性造成破坏，还能大幅提高主体结构的使用耐久性和耐冲击损伤性，对有效节约资源和利用能源，保护地区生态环境健康具有重要的实际应用价值。[18]
从淡水和河砂/人造砂的短缺以及纤维增强混凝土与FRP加固之间的变形协调性改善的角度来看，海水和海砂制成的高韧性混凝土（即海水海砂ECC或SS-ECC）具有很大的海洋和沿海应用潜力，但目前对SS-ECC的了解非常有限。纤维增强海水海砂混凝土能提高海水海砂混凝土的韧性，而如何充分地发挥纤维的材料特性，提高纤维增强海水海砂混凝土的疲劳寿命和抗冲击性能，是未来需要完善的研究方向。
3.超高强海水海砂混凝土研究
C100强度等级以上的混凝土称为超高强混凝土（Ultra-High Strength Concrete，以下简称UHSC)。它是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土。超高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。UHSC的抗压强度远高于传统混凝土，且具有低水胶比和孔隙率的特点，使其具有较强的抗渗透、抗碳化以及耐久性。UHSC还具有一定的自我修复能力，其内部存在部分没有完全水化反应的水泥颗粒，在开裂状态下可以进行一定程度的自我修复。矿物掺合料能够提高UHSC的抗压强度、替代混凝土中的水泥，从而降低水泥的用量、还能减低混凝土的水化反应所产生的水化热。在UHSC中掺入一定的硅灰，混凝土的早期抗压强度会有所提升，但是通常60d后不再提升；矿渣粉的粒径小，能够填充混凝土之间的孔隙，能提高混凝土的抗压强度，且有最佳掺量；混凝土的抗压强度与大理石掺量呈现先正相关后负相关的趋势关系，且随着水灰比的增加，两者的相关关系变化趋势更加显著。这是由于大理石粉末在混凝土内部代替了水泥的掺量，当较低掺量时，大理石粉末可以冲当细砂的作用，填充内部的空隙，有效提升其密实度，进而提高了混凝土的抗压强度。但是当替代水泥过多时，内部产生的水化产物过少，反而降低了混凝土的强度[19]。
影响混凝土抗压强度还有许多要素，例如:水胶比、掺合料掺量、掺合料种类等。李雁等人通过正交实验[20]分析了每个因素水平对高性能化海砂混凝土配合比的作用及各个水平之间的差异得出结论: 水胶比是决定混凝土立方体抗压强度的主要因素，对混凝土强度的影响因素依次为水胶比、养护时间、细骨料的种类、掺合料掺量和种类。由于矿物超细粉的掺入,养护时间对混凝土后期强度的提高作用也非常显著。且掺合料掺量以及掺合料种类相对于混凝土抗压强度的变化趋势较为平缓,说明矿物掺合料的掺入并未提高混凝土的抗压强度,但也不会显著降低混凝土的强度,由此认为,在较大的水胶比(0.45~0.6)且未加任何激发剂的条件下,矿物掺合料对提高混凝土强度的影响很有限,不能充分发挥其微集料效应。
基于国内外研究成果发现，UHSC具有超高的抗压强度和优异的耐久性能，但当前推动超高性能混凝土大规模应用还面临着许多问题：高昂的造价也是限制UHSC推广的一个主要因素。制备UHSC需要大量使用硅灰和高效减水剂、且UHSC制备工艺复杂、养护条件苛刻等，导致每立方米的UHSC的生产成本远高于普通混凝土。UHSC的生产成本高达5000元/m3～15000元/m3，是普通混凝土的5～10倍[21]。相对于抗压强度，其抗弯拉，抗剪性能较差，折压比通常在1/8～1/10左右。而随着UHSC强度的提高，其脆性问题进一步突出。在UHSC抗压试验中，试件破坏常伴随着突然的爆裂现象[22]。以及由于UHSC延性较差，构件在破坏时，会出现突然脆性断裂的现象。克服其缺点刻不容缓，这也正是我们研究的重要方向。
随着时间的推移、社会生产力的进步，建筑向着高、大、深的方向发展，超级工程越来越多，作为中国外交主要平台——沿海地区，其建筑量必定会激增，以及人们对保护环境、节能减排、可持续发展日益重视。超高强海水海砂混凝土凭借自身的优异性能特点在国内建筑领域必将大有可为。
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