《Scientific reports》文章：用于海洋工程的海水珊瑚砂高延性水泥基复合材料：微观结构、力学性能和可持续性

研究背景

混凝土是土木工程常用材料，但大量使用河砂和淡水带来资源与环境问题。在海洋工程中，传统建筑材料运输成本高、施工时间长，且海洋环境复杂，工程面临极端天气和自然灾害，对材料力学性能要求高。利用海水和珊瑚砂制备高延性水泥基复合材料（HDCC），符合就地取材、降低成本的工程需求，还可缓解资源短缺问题，具有广阔应用前景，但此前尚无关于海水珊瑚砂高延性水泥基复合材料（SCS - HDCC）在海洋工程中应用的研究。

研究内容

力学性能研究：测量SCS - HDCC的基体断裂韧性、抗压/抗折强度以及拉伸特性，探究海水和珊瑚砂对其力学性能的影响。

界面结合性能评价：通过单纤维拔出实验，评估水泥基体与纤维之间的界面结合性能。

微观结构观察与分析：运用扫描电子显微镜（SEM）观察水泥基体微观结构和拔出纤维的形貌，利用低场核磁共振（LD-NMR）测量水泥基体孔隙率，分析孔隙率对微观结构的影响，建立微观结构与力学性能的相关性。

可持续性对比：将SCS-HDCC与含淡水和河砂的HDCC的成本、能耗和碳排放等可持续发展指标进行对比，分析其环境和经济效益。

研究方法

实验制备：以海水替代淡水、珊瑚砂替代河砂，制备SCS-HDCC试件，同时制备含淡水和河砂的HDCC作为对比试件。

力学性能测试：使用材料力学测试设备，对试件进行抗压、抗折、拉伸等力学性能测试，获取相应强度和韧性数据。

微观结构观测：通过SEM对水泥基体和纤维进行微观成像，观察其微观形貌和结构特征；利用 LD-NMR分析水泥基体的孔隙率分布和变化情况。

数据统计与分析：对实验获得的力学性能数据、微观结构参数等进行统计分析，寻找各因素之间的相关性和变化规律。

研究结果

微观结构影响：海水加速水泥水化和粉煤灰火山灰反应，形成针状C-S-H 凝胶，使水泥基体更致密；珊瑚砂 “内养护效应” 增强界面过渡区致密性，整体孔隙率减小，但珊瑚砂脆性使其受应力时易破裂。

力学性能变化：海水提高了HDCC的断裂韧性、抗压强度、初裂强度和极限抗拉强度，但纤维与基体化学键强度下降，拉伸应变能力降低。珊瑚砂含量变化对SCS - HDCC力学性能影响复杂，随含量增加，水泥基体断裂韧性先降后升，抗压强度持续降低，初始开裂强度和极限抗拉强度先降后升，极限拉应变先升后降。SCS-HDCC延性较好，约为1%，裂缝宽度普遍低于100μm。

可持续性优势：与淡水制备的HDCC相比，SCS-HDCC节能且降低了生产成本，总费用减少48%，具有显著的经济和环境优势。

来源：Scientific reports