路橋施工中超高性能纖維混凝土腐蝕機(jī)理及預(yù)防策略

摘要 為有效預(yù)防超高性能纖維混凝土出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題，提高其抗?jié)B性和耐久性，從而減少腐蝕的發(fā)生，文章以M路橋工程為依托，開(kāi)展了混凝土腐蝕機(jī)理試驗(yàn)研究。首先，進(jìn)行超高性能纖維混凝土取樣，利用3.5%濃度的氯化鈉溶液，模擬腐蝕條件，對(duì)取樣試塊進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)，得出腐蝕機(jī)理，即在腐蝕性環(huán)境下該混凝土具有一定的自我保護(hù)能力，但在長(zhǎng)期腐蝕作用下，其質(zhì)量與性能均顯著降低。然后，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化超高性能纖維混凝土配合比、應(yīng)用混凝土密封劑、加強(qiáng)混凝土覆蓋層、使用防腐涂料、控制混凝土中的含鹽量等措施，有效地預(yù)防腐蝕。

關(guān)鍵詞 路橋施工；超高性能；纖維混凝土；腐蝕；機(jī)理；預(yù)防

中圖分類(lèi)號(hào) TU997 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0116-03

0 引言

隨著現(xiàn)代交通事業(yè)的飛速發(fā)展，路橋工程作為連接城市與鄉(xiāng)村、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要紐帶，其安全性和耐久性受到了廣泛關(guān)注[1]。在路橋建設(shè)中，混凝土作為主要的建筑材料，其性能直接影響整個(gè)工程的質(zhì)量和壽命[2]。近年來(lái)，超高性能纖維混凝土（UHPC）作為一種新型的高性能建筑材料，高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等特點(diǎn)使得其在路橋施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC具有更高的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和耐久性，能夠有效抵抗外界環(huán)境的侵蝕和破壞[3]。此外，UHPC還具有較低的滲透性和較好的耐磨性，使其在橋面鋪裝、橋墩防護(hù)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，UHPC在路橋施工中的應(yīng)用，不僅能夠提高工程的質(zhì)量和壽命，還能夠降低后期的維修和養(yǎng)護(hù)成本。

然而，即便超高性能纖維混凝土具有諸多優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際使用中仍面臨著腐蝕等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。腐蝕不僅會(huì)導(dǎo)致UHPC的力學(xué)性能下降，還會(huì)影響其耐久性和使用壽命[4]。因此，對(duì)UHPC的腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究，揭示其腐蝕過(guò)程的本質(zhì)和規(guī)律，對(duì)于提高UHPC的耐久性和使用壽命具有重要意義。同時(shí)，腐蝕機(jī)理的研究還有助于指導(dǎo)防腐措施的制定和優(yōu)化，為UHPC在路橋施工中的廣泛應(yīng)用提供有力保障。基于此，該文針對(duì)路橋施工中UHPC的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了有效的預(yù)防策略。

1 路橋工程概況

以M路橋工程為研究依托。該路橋工程位于我國(guó)東部沿海的繁華經(jīng)濟(jì)帶，是一座連接兩座大型城市的跨海大橋。該大橋全長(zhǎng)15 km，其中主橋段長(zhǎng)5 km，是一座雙向八車(chē)道的高速公路橋。大橋設(shè)有多個(gè)大型橋墩，最高橋墩高度達(dá)到120 m，同時(shí)還包括幾處復(fù)雜的互通立交工程。由于該工程地處海洋環(huán)境，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和材料的耐久性提出了極高要求。海水中氯離子濃度平均值為20 000 mg/L，且海水溫度波動(dòng)較大，年均溫度范圍在10～25℃之間。此外，海洋氣候潮濕，相對(duì)濕度常年在80%以上，且存在臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工程團(tuán)隊(duì)決定采用UHPC作為主要建筑材料。UHPC以其高強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 MPa以上）、高韌性（斷裂韌性超過(guò)普通混凝土的數(shù)倍）和優(yōu)異的耐久性而備受關(guān)注。然而，在實(shí)際施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)UHPC盡管具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在海洋環(huán)境下仍存在一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。鑒于海洋環(huán)境的特殊性，對(duì)UHPC的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

2 超高性能纖維混凝土腐蝕機(jī)理研究

2.1 超高性能纖維混凝土取樣

UHPC的取樣是確保后續(xù)腐蝕機(jī)理研究質(zhì)量和性能的關(guān)鍵步驟。首先，準(zhǔn)備取樣所需的工具，如表1所示：

根據(jù)混凝土澆筑時(shí)要求的強(qiáng)度等級(jí)，選擇代表性良好的位置進(jìn)行取樣，確保取樣地點(diǎn)不含帶有雜質(zhì)的混凝土。使用測(cè)溫計(jì)測(cè)量混凝土溫度，確保溫度在5℃以上[5]，低于5℃可能影響混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果。使用切割機(jī)切開(kāi)混凝土，然后使用抽樣器或切口器具取樣，樣品尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。將樣品放入準(zhǔn)備好的水泥桶中，確保樣品完整、無(wú)破損。在水泥桶上明確標(biāo)記樣品信息，包括取樣地點(diǎn)、取樣日期（具體到年月日）、混凝土標(biāo)號(hào)、其他必要信息（如工程名稱(chēng)、批次號(hào)等）[6]。封好水泥桶，確保樣品在運(yùn)輸過(guò)程中不受污染或損壞。將封好的樣品送至實(shí)驗(yàn)室，確保樣品在運(yùn)輸過(guò)程中的安全和完整。

2.2 腐蝕試驗(yàn)過(guò)程

該試驗(yàn)旨在評(píng)估超高性能纖維混凝土在特定腐蝕環(huán)境（如氯離子環(huán)境）下的耐久性和抗腐蝕性能。準(zhǔn)備的試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備如表2所示：

對(duì)于超高性能纖維混凝土試塊的腐蝕性能評(píng)估，每一步都至關(guān)重要。首先，確保試塊表面的絕對(duì)清潔是試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)。采用專(zhuān)業(yè)的清潔工具和方法，徹底清除試塊表面的浮漿、塵埃，以及其他可能存在的雜質(zhì)，確保試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)試塊處于最佳狀態(tài)[7]。

使用密封膠帶和高質(zhì)量的塑料薄膜對(duì)試塊的非腐蝕面進(jìn)行封裝。這個(gè)過(guò)程需要確保膠帶和薄膜緊密貼合試塊表面，不留任何縫隙，以確保腐蝕介質(zhì)只能與預(yù)定的腐蝕面產(chǎn)生接觸，從而準(zhǔn)確評(píng)估試塊的腐蝕性能。

隨后，將處理好的超高性能纖維混凝土試塊放入具有優(yōu)異密封性和穩(wěn)定性的腐蝕試驗(yàn)箱中。向試驗(yàn)箱中注入適量的腐蝕介質(zhì)，即3.5%濃度的氯化鈉溶液，模擬海洋等惡劣環(huán)境下的腐蝕條件[8]。

在試塊完全浸沒(méi)在溶液中后，確保腐蝕面的每一寸都與腐蝕介質(zhì)進(jìn)行有效接觸，這有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估試塊在腐蝕介質(zhì)中的性能表現(xiàn)。為了維持試驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性，利用溫度控制設(shè)備將腐蝕試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度精準(zhǔn)地調(diào)整并保持在25℃的恒定水平，以消除溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[9]。

在試驗(yàn)開(kāi)始的同時(shí)，記錄下起始時(shí)間，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。在試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，應(yīng)定期對(duì)試塊表面進(jìn)行觀察，并記錄下所有變化，可能包括顏色、紋理、裂縫等方面，這些都是評(píng)估試塊腐蝕性能的重要指標(biāo)。同時(shí)，使用電子天平定期測(cè)量試塊的質(zhì)量變化，并詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)。測(cè)量的頻率將依據(jù)試驗(yàn)的具體要求而定，可以是每周一次，也可以是每月一次。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地了解試塊在腐蝕介質(zhì)中的質(zhì)量損失情況。

當(dāng)預(yù)定的試驗(yàn)周期（90 d）結(jié)束時(shí)，停止試驗(yàn)，并從腐蝕試驗(yàn)箱中取出試塊。隨后，對(duì)試塊進(jìn)行徹底清洗，以去除表面的腐蝕介質(zhì)和可能存在的雜質(zhì)。

最后，對(duì)試塊進(jìn)行檢查和測(cè)量，包括表面狀態(tài)、質(zhì)量變化等關(guān)鍵指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)將為后續(xù)評(píng)估試塊的腐蝕性能提供重要依據(jù)。

2.3 腐蝕機(jī)理結(jié)果

利用電子天平測(cè)定每個(gè)試塊的初始質(zhì)量在2 500～

2 600g之間，取平均值2 550g作為基準(zhǔn)。在試驗(yàn)周期內(nèi)，試塊質(zhì)量變化如表3所示：

表3的數(shù)據(jù)揭示了超高性能纖維混凝土在腐蝕環(huán)境下的一個(gè)顯著變化趨勢(shì)：在腐蝕初期，這種混凝土展現(xiàn)出一定的自我保護(hù)能力，能夠有效抵抗腐蝕介質(zhì)的侵蝕。然而，隨著腐蝕時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，可以觀察到其性能逐漸出現(xiàn)下降趨勢(shì)。為了更深入地理解這一性能變化，并全面評(píng)估超高性能纖維混凝土的耐腐蝕性能，該試驗(yàn)特別設(shè)置了對(duì)照組，即一組未經(jīng)過(guò)任何腐蝕處理的試塊。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組與試驗(yàn)組試塊的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)有一個(gè)明顯差異。在相同的試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)組試塊在腐蝕環(huán)境下的質(zhì)量損失更為顯著，性能下降也更加明顯，進(jìn)一步證實(shí)了路橋施工中超高性能纖維混凝土在腐蝕性環(huán)境下的性能變化規(guī)律。具體來(lái)說(shuō)，在腐蝕初期，超高性能纖維混凝土中的纖維材料和特殊添加劑可能發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為混凝土提供了一定的防腐蝕屏障。然而，隨著腐蝕時(shí)間的推移，這些保護(hù)機(jī)制逐漸失效，腐蝕介質(zhì)開(kāi)始滲透到混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土性能逐漸下降。因此，對(duì)于需要面對(duì)腐蝕性環(huán)境的路橋施工等工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，了解和掌握超高性能纖維混凝土在腐蝕性環(huán)境下的性能變化規(guī)律至關(guān)重要。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)試塊表面進(jìn)行觀察可知，隨著腐蝕時(shí)間的增加，試塊表面逐漸出現(xiàn)白色結(jié)晶物，這是氯化鈉溶液與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成的氯化鈣和氫氧化鈉。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)纖維與水泥基界面的黏結(jié)性能在腐蝕后降低，纖維表面變得粗糙。當(dāng)腐蝕度達(dá)到4%～6%時(shí)，粗糙度增大但纖維對(duì)混凝土的拉伸性能具有改善作用；超過(guò)此閾值后，纖維的腐蝕斷裂導(dǎo)致混凝土性能降低。

綜上，得出以下腐蝕機(jī)理結(jié)論：（1）鋼纖維在氯化鈉溶液中會(huì)發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致纖維直徑減小，進(jìn)而影響其與水泥基界面的黏結(jié)性能。當(dāng)腐蝕度適中時(shí)，纖維的粗糙度增加，對(duì)混凝土的拉伸性能具有一定的改善作用；但過(guò)度腐蝕則會(huì)導(dǎo)致纖維斷裂，嚴(yán)重降低混凝土性能。（2）腐蝕介質(zhì)會(huì)滲透到纖維與水泥基界面，破壞其原有的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致界面性能下降，這是影響混凝土耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素之一。

3 超高性能纖維混凝土腐蝕預(yù)防策略

通過(guò)上述研究，得出超高性能纖維混凝土的腐蝕機(jī)理，可知其在腐蝕性環(huán)境下具有一定的自我保護(hù)能力，但在長(zhǎng)期腐蝕作用下，其性能會(huì)逐漸下降。為了有效預(yù)防超高性能纖維混凝土出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題，制定了腐蝕預(yù)防策略，具體如下：

（1）優(yōu)化超高性能纖維混凝土配合比。根據(jù)使用環(huán)境和要求設(shè)計(jì)UHPC配方，提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性。選擇燒失量較小、膠砂強(qiáng)度富余系數(shù)較高的低堿水泥。骨料和細(xì)集料需滿足UHPC的高性能要求，骨料粒徑應(yīng)小，以保證混凝土的密實(shí)度。根據(jù)使用環(huán)境和要求，確定纖維的摻量。水質(zhì)應(yīng)符合混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)，且應(yīng)控制水的用量，以優(yōu)化水膠比。優(yōu)化后的超高性能纖維混凝土配合比如表4所示：

通過(guò)精確的配合比設(shè)計(jì)和使用適當(dāng)?shù)奶砑觿梢越档突炷恋目紫堵屎蜐B透性，提高抗?jié)B性和耐久性，從而減少腐蝕發(fā)生。

（2）應(yīng)用混凝土密封劑。在UHPC施工完成后，使用混凝土密封劑對(duì)表面進(jìn)行保護(hù)。密封劑可以填充混凝土表面的微小裂縫和孔隙，形成防水屏障，阻止水分和有害物質(zhì)的滲入。

（3）加強(qiáng)混凝土覆蓋層。適當(dāng)增加UHPC的覆蓋層厚度，以提高鋼筋與外界環(huán)境的隔離程度，延緩腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼筋的侵蝕，降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。覆蓋層厚度的確定應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。

（4）使用防腐涂料。在UHPC表面涂覆防腐涂料或應(yīng)用防腐劑，形成一層隔離層，防止腐蝕介質(zhì)與混凝土直接接觸。

（5）控制混凝土中的含鹽量。在UHPC的配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量減少使用含鹽原料，以降低混凝土中的鹽分含量。對(duì)于已經(jīng)存在的含鹽UHPC結(jié)構(gòu)，可以采取鹽霧噴淋等措施清洗混凝土表面，降低其鹽分濃度。

4 結(jié)束語(yǔ)

在路橋施工領(lǐng)域，超高性能纖維混凝土因其卓越的力學(xué)性能與耐久性而備受矚目。然而，在實(shí)際工程環(huán)境中，特別是在腐蝕性環(huán)境下，其長(zhǎng)期性能的穩(wěn)定性和耐久性仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。為了預(yù)防超高性能纖維混凝土的腐蝕，提出了多種預(yù)防策略，能在一定程度上提高混凝土的抗腐蝕性能，具有重要的研究意義與應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]徐懷江，吳秋祺，張軍，等.海洋環(huán)境下玄武巖纖維混凝土的抗侵蝕及力學(xué)性能[J].江蘇海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024（1）：91-98.

[2]王成，李楨怡，葛廣華，等.復(fù)合鹽侵蝕-干濕耦合作用下聚丙烯纖維混凝土抗鹽蝕性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2023（4）：29-35+39.

[3]郭寅川，劉洪昌，申愛(ài)琴，等.玄武巖纖維橋梁混凝土韌性特征及衰減規(guī)律[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023（2）：89-99.

[4]錢(qián)宣青.碳納米纖維提高橋梁混凝土的抗凍融和耐腐蝕研究[J].合成纖維，2022（10）：54-57+62.

[5]肖敏，郭文瑛，汪永劍，等.凍融循環(huán)與海水腐蝕對(duì)超高性能混凝土抗沖磨性能的影響研究[J].混凝土世界，2022（7）：20-24.

[6]操鏡，王成，葛廣華，等.復(fù)合鹽溶液浸泡下玄武巖纖維混凝土耐腐蝕性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2022（2）：24-31.

[7]張貴，朋改非，類(lèi)澤灝，等.基于聚乙烯纖維表面改性的超高性能混凝土應(yīng)變硬化機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2021（11）：2346-2354.

[8]黎均權(quán).超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用研究[J].西部交通科技，2021（8）：128-132.

[9]于劍橋，喬宏霞，朱飛飛，等.西部鹽霧腐蝕環(huán)境下基于Wiener模型的纖維混凝土損傷劣化研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2021（4）：185-193.

收稿日期：2024-08-10

作者簡(jiǎn)介：林斌城（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：道路與橋梁。