具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下人工鱼礁的制作方法

本发明涉及一种海洋中水下建筑，特别涉及一种具有自修复功能的海水海砂非金筋材水下人工鱼礁。

背景技术：

现今人类的生活空间已经逐步扩向海洋，开发建设海洋海岛关系着我国核心的海洋权益。目前我国在南沙已经填海造岛七个岛礁(永暑礁、美济礁、华阳礁、赤瓜礁、渚碧礁、南薰礁、东门礁)，为了解决填海造岛对海洋生态造成的影响，我们有必要与义务实施南沙岛礁海洋生态修复工程。南沙岛礁海洋生态修复工程能够有效修复填造活动对岛礁海域生态环境的损坏，恢复近岛海域的海洋生物资源，并加固人造岛礁使其永远立于南海之中。赢得世界各国对我国保护并利用好南海海域生物资源的认可。

其中人造鱼礁对海洋生物的保护也有着立竿见影的作用。人工鱼礁有别于岛礁，人工鱼礁是属于纯水下工程，海水腐蚀性能更强，在使用中还会受到船的撞击，因此，对材料的要求更高。目前使用的人工鱼礁主要有人工沉船形成鱼礁和利用钢筋混凝土制造鱼礁的方式，但在实际工程施工和使用过程中发现有如下问题：

1、采用人工沉船的方式建造的鱼礁，所沉船的材料大都为钢材，在海水中易腐蚀，耐久性不满足要求；其次船体内废弃的物质有可能对海洋环境再造成污染；另外，沉船在浅海地区可能会影响船只的航行安全。

2、若利用传统商品混凝土建造鱼礁，在海洋环境中淡水淡砂资源匮乏，不能满足现场大批量拌制混凝土的原材料需求；若采用海水海砂直接代替淡水淡砂配制混凝土也会使其中的粗骨料受到腐蚀，从而导致混凝土结构的破坏；若采用从内地运输原材料或商品混凝土成品至海洋海岛建造的方式，周期很长，成本较高，可行性较差，不能满足国家快速高效建设开发海洋的要求；最为重要的是商品混凝土不能适应海水的高盐高碱的环境，粗骨料和钢筋会受到严重的腐蚀，从而导致结构达不到设计使用的要求。并且传统的混凝土制成的鱼礁，在经受船、海浪的撞击后自修复能力差。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种耐久性好、耐冲击、自我修复能力强的具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下人工鱼礁。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下人工鱼礁，其特征在于：由非金筋材和海水海砂高韧性混凝土制成，所述非金筋材为bfrp、cfrp、gfrp纤维复合筋材中的至少一种，所述海水海砂高韧性混凝土由重量份数的以下组分组成，

pva纤维20-30份、一级粉煤灰750-830份、普通硅酸盐水泥500-551份，海砂380-415份、海水300-326份、聚羧酸高效减水剂2.5-8.3份。

本发明针对海洋环境淡水淡砂资源匮乏的问题，利用海水代替淡水，仅使用海砂作为细骨料，在混凝土中添加粉煤灰等掺合料，使用聚羧酸高效减水剂改善拌合物的工作性能，掺入pva纤维充分搅拌致纤维均匀分散于基体，形成新型混凝土。采用的是在海洋海岛中能轻易取材的海水海砂等材料，不仅节约了从内陆转运的运输费，也大大降低了原材料的造价。在各项工作性能和指标上能完全适应与满足海洋水下环境的高盐高碱强腐蚀的恶劣环境的要求，适宜在远离大陆的海洋环境里推广使用。

本发明的鱼礁取消了传统的混凝土中的粗骨料，采用掺入均匀分散的pva纤维从而改善材料的内部结构，海水海砂对pva纤维没有任何不利的腐蚀作用，从而彻底的解决了海水对混凝土的腐蚀危害；加入pva纤维后的新型混凝土韧性好，变形能力强，具有良好的抗冲击性能和良好的耗能性能；由于纤维的桥联作用，该种混凝土结构开裂后，内力发生重分布从而使裂缝闭合，因此具有较好的损伤自我修复功能，能使鱼礁在受到船体撞击或海浪侵袭后而产生的裂缝自我闭合。

其次这种鱼礁虽然不含粗骨料，但其内部纤维构成类似于“纤维网格”的结构，密实度高，能使材料满足强度要求。材料的强度能达到20-55mpa，完全能满足不同工程工况对材料强度的不同要求。

本发明采用非金筋材(bfrp、cfrp、gfrp等纤维复合筋材，三种筋材可以混合使用，也可单独使用)替代传统鱼礁中的钢筋、能从根本上解决钢筋锈蚀问题，从而使这种新型鱼礁具有更好的适用性与耐久性。非金筋材与本发明的混凝土之间有着较为良好的粘结性能。我们已经对鱼礁结构构件进行了相关的试验研究与理论分析，结果表明这种新的材料组合结构具有优秀的各项受力性能，完全能满足结构的要求。

上述方案中：所述普通硅酸盐水泥为p.o42.5水泥。

上述方案中：所述海砂的细度模数为1.5-3.5。

上述方案中：所述混凝土的制备方法为：先将一级粉煤灰、普通硅酸盐水泥和海砂倒入搅拌机，搅拌至充分混合均匀，再加入海水和聚羧酸高效减水剂湿拌4-6min，最后加入pva纤维继续搅拌直至纤维分散均匀。

优选：加入pva纤维继续搅拌的时间为8-10min。本发明不需特殊的搅拌技术，施工方便，具有良好的经济型与高效率。

上述方案中：所述鱼礁的形状三角形或圆台形。也可以根据实际需要灵活设计。

有益效果：本发明采用非金筋材替代传统钢筋从根本上解决了在海下钢筋锈蚀的问题，本发明的混凝土就地取材，原材料易得，成本低，耐久性好，韧性好，变形能力强，具有裂缝无害化分散能力，表现出优异的抗冻融能力，具有良好的抗冲击性能和良好的耗能性能，损伤自我修复功能强。

附图说明

图1为本发明的混凝土结构的荷载-扰度曲线图。

图2为本发明的混凝土受弯试件纯弯段裂缝发展形态图。

图3为本发明的混凝土试块受压破坏图。

图4为混凝土的粘结滑移曲线。

图5为本发明的建造的人工鱼礁截面示意图与裂缝自修复示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下人工鱼礁，由非金筋材和海水海砂高韧性混凝土做成。

海水海砂高韧性混凝土由重量份数的以下组分组成：

pva纤维20份、一级粉煤灰750份、p.o42.5普通硅酸盐水泥500份，海砂380份、海水300份、聚羧酸高效减水剂2.5份。

先将一级粉煤灰、普通硅酸盐水泥和海砂倒入搅拌机，搅拌至充分混合均匀，再加入海水和聚羧酸高效减水剂湿拌4-6min，当搅和流态达到理想状态后加入pva纤维继续搅拌8-10min直至纤维分散均匀。

非金筋材为bfrp纤维复合筋材。

将非金筋材置于模具中然后浇铸混凝土得到圆台形鱼礁。

实施例2

具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下鱼礁，由非金筋材和海水海砂高韧性混凝土做成。

海水海砂高韧性混凝土由重量份数的以下组分组成：

pva纤维30份、一级粉煤灰830份、p.o42.5普通硅酸盐水泥551份，海砂415份、海水326份、聚羧酸高效减水剂8.3份。

海砂的细度模数为1.5-3.5。

先将一级粉煤灰、普通硅酸盐水泥和海砂倒入搅拌机，搅拌至充分混合均匀，再加入海水和聚羧酸高效减水剂湿拌4-6min，当搅和流态达到理想状态后加入pva纤维继续搅拌8-10min直至纤维分散均匀。

非金筋材为cfrp纤维复合筋材。

将非金筋材置于模具中然后浇铸混凝土得到三棱柱形鱼礁。

实施例3

具备自修复功能的海水海砂非金筋材水下鱼礁，由非金筋材和海水海砂高韧性混凝土做成。

海水海砂高韧性混凝土由重量份数的以下组分组成：

pva纤维28份、一级粉煤灰820份、p.o42.5普通硅酸盐水泥530份，海砂400份、海水310份、聚羧酸高效减水剂5.2份。

海砂的细度模数为1.5-3.5。

先将一级粉煤灰、普通硅酸盐水泥和海砂倒入搅拌机，搅拌至充分混合均匀，再加入海水和聚羧酸高效减水剂湿拌4-6min，当搅和流态达到理想状态后加入pva纤维继续搅拌8-10min直至纤维分散均匀。

非金筋材为bfrp、cfrp、gfrp纤维复合筋材。

将非金筋材置于模具中然后浇铸混凝土得到三棱柱形鱼礁。

对本发明的混凝土做力学试验：

(1)准应变硬化特性

在受拉过程中，出现初始裂缝之后，随着不断生成新的细密裂缝，应力能够随应变的增加而继续缓慢增加。试件的荷载-挠度曲线(图1)直观的反映出了该材料的变形-硬化特征，曲线上波动对应于试件上裂缝的出现；对于有明显变形-硬化特征的弯曲荷载-挠度曲线，可划分为三个阶段：弹性阶段、变形硬化阶段或裂缝扩展阶段和破坏阶段。

(2)具有裂缝无害化分散与自修复能力

如图2所示，材料在受拉时均匀生成多条细密裂缝，最大裂缝宽度远小于0.1mm，且由于纤维的桥联作用会让裂缝自我闭合，达到修复的作用，如图5所示。

(3)具有良好的变形能力

在直接拉伸荷载作用下，极限拉应变可达1％--3％，远远高于传统混凝土。

(4)如图3所示，材料受压破坏形态，不会发生类似普通混凝土的崩碎形态，破坏后也具有良好的完整性，在破坏过程中，纤维能够吸收大量能量，增加了材料的韧性，使得材料在保证强度的同时也具有良好的抗冲击性能，破坏后也具有较高的完整性。

非金筋材(bfrp、cfrp、gfrp等纤维复合筋材)替代传统鱼礁中的钢筋钢、能从根本上解决钢筋锈蚀问题，从而使这种鱼礁具有更好的适用性与耐久性。非金筋材具有高强度、耐腐蚀、良好的电磁绝缘性等特点，将非金筋材用于鱼礁中以替代钢筋不仅可以较好满足结构的承载力要求，还可以彻底解决海洋水下工程的耐久性问题。

良好的粘结性能是筋材与混凝土共同工作的前提。经研究表明，本技术所采用的混凝土的粘结-滑移曲线(如图4所示)可以分为微滑移段、非线性滑移段、粘结破坏段与下降段四个阶段，其粘结-滑移曲线的上升段比纤维筋混凝土更加缓和，由于纤维的桥联作用能够抑制裂缝的开展，减少在拉拔过程中对筋材粘结面产生的不良影响，使得筋材的粘结应力在裂缝开展后仍能保持一个较大的数值，非金筋材与该混凝土之间有着较为良好的粘结性能。

本发明不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。