BFRP筋無機聚合物混凝土在江海堤圍建設中的應用

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(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州510635；2.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣東廣州510635)

廣東省是中國受臺風災害最嚴重的省份之一，中國平均每年約有9.5個臺風登陸，其中廣東就有3.5個[1-2]。據廣東省志資料[2]，從1990—1999年，臺風平均每年可造成約60億元的經濟損失，強臺風年份可造成100億～200億元以上的直接經濟損失。2008年強臺風“黑格比”對廣東省造成約110億元損失[2,3]。2013年強臺風“天兔”造成汕尾、惠州等市的部分海堤嚴重損毀[2,4]。因此，加強海堤工程建設對于保護廣東省沿海人民安全、經濟發展和社會穩定具有重要的意義。

為了有效地解決混凝土結構的海水侵蝕問題，本研究團隊在前期研究中研發了抗海水腐蝕性能較好的無機聚合物膠凝材料，前期研究表明其結構密實，耐腐蝕性能較好，可以適用于海堤工程建設[5-7]。為進一步提升江海堤圍混凝土結構的抗腐蝕性，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構，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中進行了工程應用試驗。

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[5]。無機聚合物膠凝材料的化學組成和物理力學性能見表1、2。

表1 無機聚合物的化學組成 %

表2 無機聚合物的物理力學性能

1.1.2骨料

細骨料采用隆江砂場生產的河砂，粗骨料采用隆江金交椅石場生產的5～31.5 mm連續級配花崗巖碎石，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有限公司生產的直徑12 mm的玄武巖纖維復合筋。

1.2 試驗方法

1.2.1海水環境下BFRP筋的力學性能

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，達到預定齡期后取出、表面擦干，按照GB/T 30022—2013《纖維增強復合材料筋基本力學性能試驗方法》中的試驗方法，測試極限抗拉強度及拉應變。

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準》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試。

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GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的抗氯離子滲透試驗中快速氯離子遷移系數法(RCM法)進行測試。

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準》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，一個循環24 h。

2 結果與討論

2.1 海水環境下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，工作性能和力學性能見表5，結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到設計要求，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，力學性能穩定；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性能結果

2.2.2無機聚合物混凝土抗腐蝕性能

表6和圖4為混凝土的非穩態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態氯離子遷移系數為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歷先增后降過程，其抗壓強度在進行15次干濕循環時達到峰值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后達到最小值37.87 MPa，為未侵蝕試件抗壓強度的76%，抗蝕系數較高，抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

2.3 工程應用及效果評價

惠來縣西港海堤達標加固工程總投資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海口段海堤長10.67 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安澗橋附近。

2.3.1現場混凝土澆筑

無機聚合物混凝土海底面板混凝土的施工包括：清表、格賓石籠護角、壓實修坡、格賓石籠的制作等工序。之后架立側模板、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護。現場具體施工見圖5。

2.3.2現場混凝土性能檢測

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。工作性能和力學性能均達到設計要求。

2.3.3現場施工效果評價

圖7為惠來西港海堤施工1 a后的照片，經現場復查，混凝土面板結構完善，施工效果良好，未發現骨料外露和蜂窩孔洞現象。

3 結論

a) BFRP筋具有優異的力學性能，在模擬海水中浸泡1 a，其拉伸強度仍遠高于常規鋼筋。

b) 配制的C35強度等級的混凝土，28 d抗壓強度值為46.0 MPa，力學性能優異；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于普通混凝土。

d) 將BFRP無機聚合物混凝土應用于廣東省惠來縣的海堤建設中，現場檢測結果表明：無機聚合物混凝土工作性能和力學性能均達到設計要求；面板表面結構致密，施工效果良好。