基于鐵-鄰苯二酚仿生絡合反應的鋼纖維海水海砂砂漿試件耐久性提升方法

摘要：為提升鋼纖維在海洋環境中長期性能，基于鐵-鄰苯二酚仿生絡合反應對鋼纖維進行表面處理，提升其抗銹蝕能力.采用不同浸泡時間（1 d、3 d、7 d）、不同單寧酸溶液濃度（25 g/L、50 g/L、150 g/L）和不同處理溫度（25 ℃和55 ℃）對鋼纖維進行表面處理，并通過拉伸強度和表面形貌分析研究了抗銹蝕提升效果和機制.結果表明，仿生絡合反應通過在鋼纖維表面構建一層致密保護膜，可以有效增強鋼纖維的抗氯離子腐蝕能力，并提升其長期拉伸強度.通過模擬暴露試驗，研究了表面處理后鋼纖維在海水海砂砂漿中長期性能演變規律.結果表明，鐵-鄰苯二酚絡合層在堿性砂漿環境中仍能有效保護鋼纖維，提升其長期抗拉強度.同時，單寧酸表面處理能有效提升鋼纖維海水海砂砂漿試件的長期抗折承載能力和斷裂韌性.本研究可為鋼纖維海水海砂砂漿試件的耐久性提升提供新的設計思路，可用于海洋工程建設.

關鍵詞：鋼纖維；鐵-鄰苯二酚絡合；單寧酸；海水海砂；斷裂韌度

中圖分類號：TU511.3 文獻標志碼：A

鋼纖維混凝土因其優越的抗裂性和耐久性， 在海洋工程中有廣泛應用.采用海水和海砂制備混凝土， 在海洋工程中可以實現就地取材［1］，然而海水海砂中的氯離子會導致鋼纖維腐蝕問題，使其難以應用于鋼纖維混凝土［2-3］.目前鋼纖維耐腐蝕性通常通過電化學保護和表面涂層保護等措施進行提升，然而上述兩種方法可能造成一定程度的環境污染，限制了其廣泛應用. 基于仿生方法有望實現鋼纖維綠色防銹處理工藝，然而相關研究還非常有限［4-5］.本研究計劃探討基于仿生原理提升鋼纖維海水海砂混凝土耐久性的可行性.

鋼材常用的電化學防護方法主要分為陰極保護和陽極保護.陰極保護使用鋅、鋁等活性較高的金屬保護鋼材，通過形成初始阻隔層和犧牲陽極實現防腐蝕功能［6］.陽極保護主要采用鎳、鉻、錫、鉛及其合金等保護鋼材，其中單層和多層涂層陽極保護分別通過表面阻隔和腐蝕分流作用實現防護功能［4］.鋼材表面涂層材料以胺、亞胺等功能型有機物為主，主要通過阻隔腐蝕離子避免鋼材銹蝕，其中的極性基團（胺基和羥基）與鋼材表面相互吸附以保證界面性能［4，7］.有機涂層防護效果受到分子結構和分子量的影響，長鏈分子可以通過立體效應（擴散屏障）提升對鋼材的防護效果［8］.采用生物質分子對鋼材進行仿生防護的研究目前相對較少，缺乏有效的仿生防護方法.

海水海砂混凝土（SWSSC）的力學性能與普通淡水河砂混凝土基本一致，能夠滿足工程建造使用要求［9-12］，其應用始于第二次世界大戰期間美軍在太平洋島嶼開展的建設工程［13］.海砂的礦物成分與河砂相一致［10，14］，其顆粒級配同樣適用于混凝土制備，英國不同地區的淡化海砂在混凝土中使用率為30%～90%［4］.與相同混合設計的普通混凝土（OC）相比，海砂混凝土的早期強度略高，而后期強度略低［9，14］.

近年來， 相關研究主要針對未凈化海砂和海水在混凝土中的直接應用［15-16］，同時關注其工作性能和耐久性與普通混凝土的差異.Manikandan 和 Re?vathi［16］發現海砂表面相對于河砂更加光滑，可能導致界面黏結強度下降和耐久性降低.研究結果表明，海水和海砂的使用，以及海砂中的貝殼等雜質對于混凝土工作性能的影響并不顯著［4，14，17］.海水海砂混凝土在結構工程中應用的主要障礙是其過高的氯離子濃度，這也是耐久性研究的重點［16， 18-24］. 邢鋒等［20］和劉軍等［24］發現海水海砂中多元離子會通過參與水泥水化反應，提升混凝土孔溶液堿度，通過表面鈍化作用抑制鋼材銹蝕［22］，然而該作用會隨著碳化反應的進行而失效［25］.Katano 等［26］發現摻入礦物摻合料可以實現海水海砂混凝土中氯離子的有效固化，減少鋼材銹蝕.目前針對鋼纖維海水海砂混凝土仿生防銹和耐久性提升的研究相對較少.

鄰苯二酚基團的研究始于貽貝蛋白黏附性的機理分析，相關研究［6］表明，鄰苯二酚能通過與鐵離子發生絡合反應在鋼材表面形成致密結構，上述致密結構有望提升鋼材在海水海砂環境中的抗腐蝕能力.單寧酸是最容易獲得的具有鄰苯二酚基團的生物大分子之一，目前尚未發現基于單寧酸的鋼纖維海水海砂混凝土耐久性提升方法的研究報道.

本研究的主要目的是基于鐵-鄰苯二酚絡合反應提升鋼纖維海水海砂砂漿試件的耐久性，通過絡合反應在鋼纖維表面生成一層致密鈍化膜，阻止氯離子等腐蝕介質對鋼纖維的侵蝕.首先研究單寧酸濃度、浸泡時間和浸泡溫度對表面處理效果的影響規律. 通過殘余拉伸強度測量確定最優表面處理工藝；通過掃描電鏡分析表面處理機制.基于單寧酸表面處理后的鋼纖維制備海水海砂砂漿試件，通過模擬暴露試驗和斷裂韌度測試， 探究單寧酸表面處理對鋼纖維海水海砂砂漿試件耐久性的提升效果.