海工混凝土抗氯離子侵蝕措施綜述

焦安梅劉 克王小慧顏丙坤

（1 日照港建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 日照，276826；2 山東英才學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東 濟(jì)南，250014；3 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南,250061）

1 引言

海洋是人類的巨大資源寶庫，開發(fā)海洋資源及利用海洋空間都離不開海工建筑物，其中所采用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中受到各種因素的破壞。

研究表明,鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要原因[1]，而鋼筋銹蝕又主要是氯離子侵入引起的銹蝕。因此，采取有效的措施保證海工混凝土抗氯離子滲透性顯得尤為重要。本文在分析海洋環(huán)境與氯離子的侵蝕原理的基礎(chǔ)上，綜述了海工混凝土抗氯離子侵蝕所采取的主要防護(hù)措施，并簡單分析各種措施的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題，指出今后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕的研究方向。

2 海洋環(huán)境

根據(jù)對混凝土的腐蝕劣化程度的不同，海洋環(huán)境可分為水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)、大氣區(qū)[2]。如圖1所示。

在海洋環(huán)境中，潮汐區(qū)和浪濺區(qū)是腐蝕劣化最為嚴(yán)重的區(qū)域。而水下區(qū)和大氣區(qū)因缺少了干濕交替作用和浪蝕磨耗，腐蝕作用相對較弱。但是，氯離子的侵蝕損壞是一個長期的過程，這兩個區(qū)域的腐蝕防護(hù)仍然不能忽視。下面詳細(xì)分析氯離子的腐蝕作用機(jī)理，從本質(zhì)上找出防治措施。

圖1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于不同的海洋環(huán)境

3 氯離子的侵蝕破壞機(jī)理

沿海地區(qū)氯離子侵蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究是一項(xiàng)跨學(xué)科的課題，涉及到混凝土基本理論、電化學(xué)腐蝕、結(jié)構(gòu)耐久性分析以及環(huán)境科學(xué)等多個方面[3]。

3.1 混凝土中氯離子的來源

氯離子進(jìn)入混凝土通常有兩種途徑: 一種是施工過程中“摻入”混凝土的氯離子,即在混凝土形成過程中,由原材料本身帶入或在施工過程中隨其他摻合物加入；另一種“滲入”,即外界環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀和微觀缺陷,經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)過程進(jìn)入到混凝土中。這是氯離子進(jìn)入混凝土的主要途徑[4]。

氯離子侵入混凝土的主要方式有毛細(xì)管作用、滲透作用、擴(kuò)散作用、電化學(xué)遷移作用四種。許多情況下，擴(kuò)散是一種最主要的傳輸方式，特別是在海洋環(huán)境下。

3.2 氯離子腐蝕鋼筋的機(jī)理

氯離子腐蝕鋼筋的機(jī)理為:

（1）破壞鈍化膜。一般情況下，水泥水化的高堿性使混凝土孔隙中的水呈堿性（PH≥12.5）。在高堿性環(huán)境中，鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的堿性鈍化膜。這層鈍化膜對鋼筋有很強(qiáng)的保護(hù)作用。因此，在一般條件下，混凝土對鋼筋有很好的保護(hù)作用。通常,鋼筋表面的氧化鐵薄膜的破壞有兩種原因:一是因混凝土碳化而引起鋼筋混凝土保護(hù)層的PH值降低；二是氯離子和氧離子作用而破壞惰性氧化鐵薄膜，因?yàn)槁入x子是極強(qiáng)的去鈍化劑, 氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面, 吸附于局部鈍化膜處時,可使該處的PH值迅速降低。而鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的。研究與實(shí)踐表明，當(dāng)PH值＜11.5 時，鈍化膜就開始不穩(wěn)定（臨界值）；當(dāng)PH值＜9.88 時,鈍化膜生成困難或已經(jīng)產(chǎn)生的鈍化膜逐漸破壞。鈍化膜受到破壞后，失去對鋼筋的保護(hù)作用，在有空氣和水分的侵入條件下，鋼筋就開始銹蝕[5]。

（2）形成腐蝕電池。 在不均質(zhì)的混凝土中,常見的局部腐蝕對鋼筋表面鈍化膜的破壞發(fā)生在局部, 使這些部位露出了鐵基體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域形成電位差, 鐵基體作為陽極而受腐蝕, 大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極。腐蝕電池作用的結(jié)果使得鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑；同時, 由于大陰極對應(yīng)于小陽極, 蝕坑的發(fā)展會十分迅速。

（3）去極化作用。 氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池, 而且加速了電池的作用.氯離子將陽極產(chǎn)物及時地搬運(yùn)走, 使陽極過程順利進(jìn)行甚至加速進(jìn)行。氯離子起到了搬運(yùn)的作用, 卻并不被消耗, 也就是說, 凡是進(jìn)入混凝土中的氯離子, 會周而復(fù)始的起到破壞作用, 這也是氯離子危害的特點(diǎn)之一。

（4）導(dǎo)電作用。腐蝕電池的要素之一是要有離子通路, 混凝土中氯離子的存在, 強(qiáng)化了離子通路, 降低了陰陽極之間的歐姆電阻, 提高了腐蝕電池的效率, 從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。

4 抗氯離子侵蝕的措施

通過以上對氯離子的腐蝕破壞機(jī)理及破壞過程的分析可知，通過種種途徑進(jìn)入結(jié)構(gòu)混凝土的氯離子可能引起鋼筋銹蝕,引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題,最終影響混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和構(gòu)件性能。因此應(yīng)采取必要的防腐對策,以保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕環(huán)境下的正常使用。

控制水灰比，增大混凝土保護(hù)層厚度,選用抗氯鹽的硅酸鹽水泥以及加入鋼筋阻銹劑是現(xiàn)有海工建筑中常用的方法。這里，重點(diǎn)介紹以下幾種新型方法：

4.1 摻加減縮劑和引氣劑

混凝土在硬化過程中不可避免地要產(chǎn)生收縮，當(dāng)混凝土的收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會開裂。減縮劑就是用來減少混凝土收縮的一種外加劑。它的減縮作用主要是通過降低混凝土中毛細(xì)孔的水的表面張力來實(shí)現(xiàn)的。摻減縮劑的混凝土的收縮變形小，內(nèi)部微細(xì)裂紋較少，抗氯離子侵蝕能力得到較大增強(qiáng)。

引氣劑是一種表面活性劑，摻入混凝土后，可使混凝土在攪拌過程中引入大量均勻分布且獨(dú)立封閉的微小氣泡，從而使得混凝土毛細(xì)管變得細(xì)小、曲折、分散，滲透通道減少，大大提高混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子能力[6]。

4.2 使用礦物摻和料

提高混凝土本身的密實(shí)度，減少其孔隙率，是提高混凝土抗氯離子滲透性能最重要、最根本的防護(hù)原則[7]。摻加粉煤灰、高爐礦渣或硅灰等礦物摻和料，可減少混凝土內(nèi)部的孔隙率和孔隙尺寸，改善骨料界面上的水泥漿體結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)抗?jié)B透性，有效限制氯離子的擴(kuò)散。

常用的礦物摻合料有粉煤灰、礦粉、硅灰等。

在混凝土中摻加粉煤灰可產(chǎn)生“活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)”，總稱為“粉煤灰效應(yīng)”?！胺勖夯倚?yīng)”的二次水化作用、減水作用和微集料作用使混凝土的密實(shí)度大大提高，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗?jié)B性能，使環(huán)境腐蝕介質(zhì)不容易侵入。

摻入混凝土中的礦粉，在水泥水化生成大量Ca(OH)2后，與形成的水泥石結(jié)構(gòu)再進(jìn)行二次水化，密實(shí)性明顯提高，透水系數(shù)大大降低。

硅灰顆粒很小，約為水泥顆粒的1%，有著很大的比表面積，能很好地填充混凝土中的孔隙，增加密實(shí)性。

4.3 施工技術(shù)方面的措施

混凝土密實(shí)度、混凝土保護(hù)層厚度的變異性對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重大影響, 在很大程度上取決于施工質(zhì)量。完善施工管理, 提高施工隊伍素質(zhì), 對施工過程進(jìn)行監(jiān)督檢查, 加強(qiáng)工程質(zhì)量驗(yàn)收制度、確保工程質(zhì)量, 對提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有著非常重要的作用[8]。因此，施工過程中應(yīng)力求做到：

（1）應(yīng)加強(qiáng)對施工用水、砂、石及各類外加劑等材料中的氯離子含量嚴(yán)格控制, 這是防治摻入型氯離子進(jìn)入混凝土的主要措施。

（2）要充分振搗，最好采用高頻振動設(shè)備，降低混凝土的孔隙率，從而提高其抗?jié)B性。

（3）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，混凝土在硬化早期，極易塑性開裂，尤其是在大面積施工或施工環(huán)境條件不利（如氣候干燥、暴曬、風(fēng)速大等）或養(yǎng)護(hù)不充分時。因此加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)對保證海工結(jié)構(gòu)的耐久性意義非凡。

（4）使用控制滲透模板，控制滲透模板作用就象過濾器,只允許空氣和混凝土表面的泌水通過,降低模板附近混凝土的水膠比，對表層混凝土有極大的改善作用,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。

（5）采用預(yù)制安裝的施工方法[9]，由于海工混凝土現(xiàn)澆施工方法使混凝土在初期就暴露在海洋環(huán)境中，不可避免地對耐久性產(chǎn)生不利影響，因此，為提高海工混凝土的耐久性，鋼筋混凝土構(gòu)件宜采用預(yù)制安裝的施工方法。

4.4 鋼筋表面涂層

鋼筋表面涂層直接對鋼筋表面進(jìn)行處理，可以從源頭防止鋼筋的腐蝕。目前常采用環(huán)氧涂層。

環(huán)氧涂層鋼筋與其它材料的涂層鋼筋相比,具有防腐性能穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝簡單、耐磨損、對環(huán)境污染少、生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn)；與普通鋼筋相比,環(huán)氧涂層鋼筋具有防腐性能良好、混凝土保護(hù)層可明顯減薄等優(yōu)點(diǎn)。

混凝土表面涂層可以有效地阻斷或減少氯離子向混凝土的滲透擴(kuò)散?；炷帘砻嫱繉涌煞譃榉忾]型涂層和滲透型涂層兩種，封閉型涂層具有良好的附著力、密實(shí)性和抗?jié)B性；滲透型涂層是利用混凝土的特點(diǎn)，在混凝土表面涂滲透型涂料，這些滲入的涂料在混凝土表面深入內(nèi)部的一定范圍內(nèi)，形成特殊的防護(hù)層，它能有效地阻止外界環(huán)境中腐蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土中，從而保護(hù)鋼筋免受腐蝕。表面涂層技術(shù)成熟、效果顯著，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施[10][11]。

4.5 采用聚丙烯纖維混凝土

由收縮等引起的開裂和內(nèi)部細(xì)裂縫是使混凝土抗氯離子性顯著下降、耐久性得不到保證的關(guān)鍵因素。在混凝土中摻纖維，可以發(fā)揮纖維對混凝土的阻裂作用、增強(qiáng)作用和增韌作用[6]。其中聚丙烯纖維是目前用于混凝土增強(qiáng)使用最多的合成纖維[12][13]。

在混凝土中摻入聚丙烯纖維,可以增加塑性混凝土的抗張力,減少混凝土內(nèi)部的微裂縫產(chǎn)生，同時可以發(fā)揮混凝土的整體功能。聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部形成多維立體亂向支撐體系，有效地控制混凝土的早期塑性收縮，大大減少內(nèi)部微裂縫；有效阻礙骨料的離析而減少泌水現(xiàn)象，阻礙沉降裂縫的形成。另外，由于其在混凝土內(nèi)部構(gòu)成多維的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的次加強(qiáng)筋效果，阻止裂縫發(fā)展。這些特點(diǎn)使聚丙烯纖維能有效抵抗混凝土凝結(jié)硬化初期由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，減小原生裂隙的數(shù)量和程度，同時通過提高材料介質(zhì)的連續(xù)性，使硬化后混凝土抗裂抗?jié)B性能得到顯著改善。

5 結(jié)語

本文結(jié)合海洋環(huán)境的特點(diǎn)，從氯離子腐蝕原理出發(fā)，在已有理論研究的基礎(chǔ)上，對海工混凝土抗氯離子侵蝕措施進(jìn)行了綜述分析。氯離子侵蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究是一項(xiàng)非常復(fù)雜的課題，要切實(shí)解決混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子腐蝕問題，應(yīng)在了解氯離子腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用各種防護(hù)手段，并不斷加強(qiáng)新技術(shù)和新材料的開發(fā)使用和對施工工藝的監(jiān)控。

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