BFRP筋无机聚合物混凝土在江海堤围建设中的应用

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(1. 广东省水利水电科学研究院，广东广州510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东广州510635)

广东省是中国受台风灾害最严重的省份之一，中国平均每年约有9.5个台风登陆，其中广东就有3.5个[1-2]。据广东省志资料[2]，从1990—1999年，台风平均每年可造成约60亿元的经济损失，强台风年份可造成100亿～200亿元以上的直接经济损失。2008年强台风“黑格比”对广东省造成约110亿元损失[2,3]。2013年强台风“天兔”造成汕尾、惠州等市的部分海堤严重损毁[2,4]。因此，加强海堤工程建设对于保护广东省沿海人民安全、经济发展和社会稳定具有重要的意义。

为了有效地解决混凝土结构的海水侵蚀问题，本研究团队在前期研究中研发了抗海水腐蚀性能较好的无机聚合物胶凝材料，前期研究表明其结构密实，耐腐蚀性能较好，可以适用于海堤工程建设[5-7]。为进一步提升江海堤围混凝土结构的抗腐蚀性，采用玄武岩纤维(BFRP)筋替代钢筋制备BFRP筋增强无机聚合物混凝土结构，从根本上解决滨海及海洋工程混凝土中钢筋锈蚀的问题。本研究开展了无机聚合物混凝土的制备，BFRP筋耐老化性能测试，并在惠来县西港海堤工程建设中进行了工程应用试验。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1胶凝材料

采用的无机聚合物胶凝材料详见参考文献[5]。无机聚合物胶凝材料的化学组成和物理力学性能见表1、2。

表1 无机聚合物的化学组成 %

表2 无机聚合物的物理力学性能

1.1.2骨料

细骨料采用隆江砂场生产的河砂，粗骨料采用隆江金交椅石场生产的5～31.5 mm连续级配花岗岩碎石，其基本物理性能见表3。

表3 骨料的基本物理性能

1.1.3玄武岩纤维筋

采用四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产的直径12 mm的玄武岩纤维复合筋。

1.2 试验方法

1.2.1海水环境下BFRP筋的力学性能

将BFRP筋浸泡在人工海水(配制人工海水，NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2浓度分别为4.53、20、4.09、1.16 g/L)中，达到预定龄期后取出、表面擦干，按照GB/T 30022—2013《纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法》中的试验方法，测试极限抗拉强度及拉应变。

1.2.2无机聚合物混凝土的基本性能

混凝土工作性能和力学性能分别参照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。

1.2.3无机聚合物混凝土的抗腐蚀性能

a) 抗氯离子渗透。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的抗氯离子渗透试验中快速氯离子迁移系数法(RCM法)进行测试。

b) 抗硫酸盐侵蚀。参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法，硫酸钠为侵蚀溶液。无机聚合物混凝土的抗硫酸盐侵蚀干湿循环制度如下：室温浸泡5%硫酸钠溶液15 h→取出室温晾干1 h→80℃恒温烘干6 h→冷却观察2 h。以上即为一个循环，一个循环24 h。

2 结果与讨论

2.1 海水环境下BFRP筋的性能

2.1.1外观变化

在自来水和模拟海水中浸泡后的BFRP筋试样外观见图1。由图可见，BFRP筋在自来水中浸泡后表面无变化；在模拟海水中浸泡28 d后，筋材表面几乎无变化，浸泡90 d之后光泽度稍有降低，浸泡360 d之后筋材总体变化较小。

2.1.2力学性能变化

图2为BFRP筋浸泡在自来水以及模拟海水中浸泡BFRP筋拉伸性能的变化规律。在自来水浸泡下，BFRP筋的拉伸强度先稍有增大后逐渐降低，最后趋于稳定。在模拟海水浸泡下BFRP筋拉伸强度衰退较明显，但其仍保持较高的拉伸强度。

2.2 无机聚合物混凝土的制备及性能

2.2.1无机聚合物混凝土基本性能

参考常见堤围混凝土强度等级，本研究配制了C35强度等级的混凝土，其配比见表4。所制备无机聚合物混凝土见图3，工作性能和力学性能见表5，结果显示无机聚合物混凝土具有较好的黏聚性和保水性，工作性能和强度等级均达到设计要求，C35强度等级无机聚合物混凝土的28 d抗压强度值为46.0 MPa，力学性能稳定；塌落度为161 mm，工作性能较好。

表4 C35强度等级的无机聚合物混凝土配合比

表5 制备的无机聚合物混凝土力学性能结果

2.2.2无机聚合物混凝土抗腐蚀性能

表6和图4为混凝土的非稳态氯离子迁移后喷洒硝酸银溶液的显示高度，无机聚合物混凝土进行氯离子迁移后平均扩散深度仅为7.3 mm，显著低于常见的水泥混凝土。由表7可知无机聚合物混凝土的非稳态氯离子迁移系数为2.89×10-12m2/s，约为同强度等级水泥混凝土的1/3，表明无机聚合物混凝土的抗氯离子渗透性能优异。

表6 无机聚合物混凝土氯离子扩散显色高度 mm

编号深度/mm电流/mA电压/V厚度/mm时间/h平均电流/mA温度/℃DRCM/(10-12·m2·s-1)17.335.73551.92423.4402.8927.338.83552.02425.7402.9037.332.43551.82420.8402.88

注：DRCM均值为2.89×10-12m2/s

表8 无机聚合物混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀性能

针对无机聚合物混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，由表8可知，无机聚合物混凝土试块的抗压强度经历先增后降过程，其抗压强度在进行15次干湿循环时达到峰值53.43 MPa，是同龄期下清水试件的1.17倍，15 d后开始逐渐减小，45 d后低于未侵蚀试件，90 d后达到最小值37.87 MPa，为未侵蚀试件抗压强度的76%，抗蚀系数较高，抗硫酸盐侵蚀性能较好。

2.3 工程应用及效果评价

惠来县西港海堤达标加固工程总投资9 062.25万元，是一宗防洪、排涝、灌溉的围垦工程，整治堤防长度为13.7 km(其中赤吟水闸至神泉港出海口段海堤长10.67 km，安澜桥至神泉码头段海堤长3.03 km)。本次工程试验点位于四工区安涧桥附近。

2.3.1现场混凝土浇筑

无机聚合物混凝土海底面板混凝土的施工包括：清表、格宾石笼护角、压实修坡、格宾石笼的制作等工序。之后架立侧模板、布置土工布、玄武岩纤维筋的绑扎搭接布置，然后混凝土的搅拌、浇筑、振实和压实，最后是混凝土表面的抹平和养护。现场具体施工见图5。

2.3.2现场混凝土性能检测

在施工过程中，对无机聚合物混凝土的工作性能(图6)和力学性能抽检。无机聚合物混凝土坍落度为155 mm，扩展度为235 mm，且保水性和黏聚性均较好；无机聚合物混凝土3 d强度为28.74 MPa，28 d强度为47.27 MPa。工作性能和力学性能均达到设计要求。

2.3.3现场施工效果评价

图7为惠来西港海堤施工1 a后的照片，经现场复查，混凝土面板结构完善，施工效果良好，未发现骨料外露和蜂窝孔洞现象。

3 结论

a) BFRP筋具有优异的力学性能，在模拟海水中浸泡1 a，其拉伸强度仍远高于常规钢筋。

b) 配制的C35强度等级的混凝土，28 d抗压强度值为46.0 MPa，力学性能优异；塌落度为161 mm，工作性能较好。

c) C35强度等级的无机聚合物混凝土，其抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能明显优于普通混凝土。

d) 将BFRP无机聚合物混凝土应用于广东省惠来县的海堤建设中，现场检测结果表明：无机聚合物混凝土工作性能和力学性能均达到设计要求；面板表面结构致密，施工效果良好。