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(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東廣州510635；2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510635)

廣東省是中國受臺風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，中國平均每年約有9.5個臺風(fēng)登陸，其中廣東就有3.5個[1-2]。據(jù)廣東省志資料[2]，從1990—1999年，臺風(fēng)平均每年可造成約60億元的經(jīng)濟損失，強臺風(fēng)年份可造成100億～200億元以上的直接經(jīng)濟損失。2008年強臺風(fēng)“黑格比”對廣東省造成約110億元損失[2,3]。2013年強臺風(fēng)“天兔”造成汕尾、惠州等市的部分海堤嚴(yán)重?fù)p毀[2,4]。因此，加強海堤工程建設(shè)對于保護(hù)廣東省沿海人民安全、經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定具有重要的意義。

為了有效地解決混凝土結(jié)構(gòu)的海水侵蝕問題，本研究團(tuán)隊在前期研究中研發(fā)了抗海水腐蝕性能較好的無機聚合物膠凝材料，前期研究表明其結(jié)構(gòu)密實，耐腐蝕性能較好，可以適用于海堤工程建設(shè)[5-7]。為進(jìn)一步提升江海堤圍混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性，采用玄武巖纖維(BFRP)筋替代鋼筋制備BFRP筋增強無機聚合物混凝土結(jié)構(gòu)，從根本上解決濱海及海洋工程混凝土中鋼筋銹蝕的問題。本研究開展了無機聚合物混凝土的制備，BFRP筋耐老化性能測試，并在惠來縣西港海堤工程建設(shè)中進(jìn)行了工程應(yīng)用試驗。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1膠凝材料

采用的無機聚合物膠凝材料詳見參考文獻(xiàn)[5]。無機聚合物膠凝材料的化學(xué)組成和物理力學(xué)性能見表1、2。

表1 無機聚合物的化學(xué)組成 %

表2 無機聚合物的物理力學(xué)性能

1.1.2骨料

細(xì)骨料采用隆江砂場生產(chǎn)的河砂，粗骨料采用隆江金交椅石場生產(chǎn)的5～31.5 mm連續(xù)級配花崗巖碎石，其基本物理性能見表3。

表3 骨料的基本物理性能

1.1.3玄武巖纖維筋

采用四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司生產(chǎn)的直徑12 mm的玄武巖纖維復(fù)合筋。

1.2 試驗方法

1.2.1海水環(huán)境下BFRP筋的力學(xué)性能

將BFRP筋浸泡在人工海水(配制人工海水，NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2濃度分別為4.53、20、4.09、1.16 g/L)中，達(dá)到預(yù)定齡期后取出、表面擦干，按照GB/T 30022—2013《纖維增強復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗方法》中的試驗方法，測試極限抗拉強度及拉應(yīng)變。

1.2.2無機聚合物混凝土的基本性能

混凝土工作性能和力學(xué)性能分別參照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進(jìn)行測試。

1.2.3無機聚合物混凝土的抗腐蝕性能

a) 抗氯離子滲透。根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的抗氯離子滲透試驗中快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)進(jìn)行測試。

b) 抗硫酸鹽侵蝕。參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法，硫酸鈉為侵蝕溶液。無機聚合物混凝土的抗硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)制度如下：室溫浸泡5%硫酸鈉溶液15 h→取出室溫晾干1 h→80℃恒溫烘干6 h→冷卻觀察2 h。以上即為一個循環(huán)，一個循環(huán)24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 海水環(huán)境下BFRP筋的性能

2.1.1外觀變化

在自來水和模擬海水中浸泡后的BFRP筋試樣外觀見圖1。由圖可見，BFRP筋在自來水中浸泡后表面無變化；在模擬海水中浸泡28 d后，筋材表面幾乎無變化，浸泡90 d之后光澤度稍有降低，浸泡360 d之后筋材總體變化較小。

2.1.2力學(xué)性能變化

圖2為BFRP筋浸泡在自來水以及模擬海水中浸泡BFRP筋拉伸性能的變化規(guī)律。在自來水浸泡下，BFRP筋的拉伸強度先稍有增大后逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。在模擬海水浸泡下BFRP筋拉伸強度衰退較明顯，但其仍保持較高的拉伸強度。

2.2 無機聚合物混凝土的制備及性能

2.2.1無機聚合物混凝土基本性能

參考常見堤圍混凝土強度等級，本研究配制了C35強度等級的混凝土，其配比見表4。所制備無機聚合物混凝土見圖3，工作性能和力學(xué)性能見表5，結(jié)果顯示無機聚合物混凝土具有較好的黏聚性和保水性，工作性能和強度等級均達(dá)到設(shè)計要求，C35強度等級無機聚合物混凝土的28 d抗壓強度值為46.0 MPa，力學(xué)性能穩(wěn)定；塌落度為161 mm，工作性能較好。

表4 C35強度等級的無機聚合物混凝土配合比

表5 制備的無機聚合物混凝土力學(xué)性能結(jié)果

2.2.2無機聚合物混凝土抗腐蝕性能

表6和圖4為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移后噴灑硝酸銀溶液的顯示高度，無機聚合物混凝土進(jìn)行氯離子遷移后平均擴散深度僅為7.3 mm，顯著低于常見的水泥混凝土。由表7可知無機聚合物混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)為2.89×10-12m2/s，約為同強度等級水泥混凝土的1/3，表明無機聚合物混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)異。

表6 無機聚合物混凝土氯離子擴散顯色高度 mm

編號深度/mm電流/mA電壓/V厚度/mm時間/h平均電流/mA溫度/℃DRCM/(10-12·m2·s-1)17.335.73551.92423.4402.8927.338.83552.02425.7402.9037.332.43551.82420.8402.88

注：DRCM均值為2.89×10-12m2/s

表8 無機聚合物混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕性能

針對無機聚合物混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，由表8可知，無機聚合物混凝土試塊的抗壓強度經(jīng)歷先增后降過程，其抗壓強度在進(jìn)行15次干濕循環(huán)時達(dá)到峰值53.43 MPa，是同齡期下清水試件的1.17倍，15 d后開始逐漸減小，45 d后低于未侵蝕試件，90 d后達(dá)到最小值37.87 MPa，為未侵蝕試件抗壓強度的76%，抗蝕系數(shù)較高，抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

2.3 工程應(yīng)用及效果評價

惠來縣西港海堤達(dá)標(biāo)加固工程總投資9 062.25萬元，是一宗防洪、排澇、灌溉的圍墾工程，整治堤防長度為13.7 km(其中赤吟水閘至神泉港出?？诙魏５涕L10.67 km，安瀾橋至神泉碼頭段海堤長3.03 km)。本次工程試驗點位于四工區(qū)安澗橋附近。

2.3.1現(xiàn)場混凝土澆筑

無機聚合物混凝土海底面板混凝土的施工包括：清表、格賓石籠護(hù)角、壓實修坡、格賓石籠的制作等工序。之后架立側(cè)模板、布置土工布、玄武巖纖維筋的綁扎搭接布置，然后混凝土的攪拌、澆筑、振實和壓實，最后是混凝土表面的抹平和養(yǎng)護(hù)?，F(xiàn)場具體施工見圖5。

2.3.2現(xiàn)場混凝土性能檢測

在施工過程中，對無機聚合物混凝土的工作性能(圖6)和力學(xué)性能抽檢。無機聚合物混凝土坍落度為155 mm，擴展度為235 mm，且保水性和黏聚性均較好；無機聚合物混凝土3 d強度為28.74 MPa，28 d強度為47.27 MPa。工作性能和力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計要求。

2.3.3現(xiàn)場施工效果評價

圖7為惠來西港海堤施工1 a后的照片，經(jīng)現(xiàn)場復(fù)查，混凝土面板結(jié)構(gòu)完善，施工效果良好，未發(fā)現(xiàn)骨料外露和蜂窩孔洞現(xiàn)象。

3 結(jié)論

a) BFRP筋具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在模擬海水中浸泡1 a，其拉伸強度仍遠(yuǎn)高于常規(guī)鋼筋。

b) 配制的C35強度等級的混凝土，28 d抗壓強度值為46.0 MPa，力學(xué)性能優(yōu)異；塌落度為161 mm，工作性能較好。

c) C35強度等級的無機聚合物混凝土，其抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

d) 將BFRP無機聚合物混凝土應(yīng)用于廣東省惠來縣的海堤建設(shè)中，現(xiàn)場檢測結(jié)果表明：無機聚合物混凝土工作性能和力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計要求；面板表面結(jié)構(gòu)致密，施工效果良好。