海洋環(huán)境下混凝土工程的耐久性問題

李澤良 顏 軍

宿遷學(xué)院建筑工程系（223800）

1 影響混凝土耐久性的主要原因

海港、碼頭、引橋、防浪堤壩等與海水接觸的建筑工程中的混凝土構(gòu)件，稱為海工混凝土。海工混凝土長期受海水的侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，導(dǎo)致海港工程達(dá)不到設(shè)計使用期限的要求。海水中含有較多的可溶鹽類,最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。這些鹽類的存在對混凝土產(chǎn)生兩種破壞作用。

1.1 硫酸鹽的腐蝕

硫酸鹽的腐蝕主要是由于硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣反應(yīng),形成鈣礬石并吸附大量的結(jié)晶水，體積膨脹近1倍(94%),從而產(chǎn)生巨大的結(jié)晶而造成破壞。

當(dāng)硫酸根離子濃度較大時，還可與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鈣,體積膨脹124%。

1.2 氯鹽的腐蝕

海水中的NaCl、MgCl2與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2作用，生成 CaCl2等物質(zhì)。由于生成的 CaCl2、Mg（OH）2都是無膠凝作用的物質(zhì)，嚴(yán)重破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時，反應(yīng)后產(chǎn)生大量游離氯離子，致使鋼筋發(fā)生銹蝕。氯離子腐蝕主要是破壞鋼筋表面的鈍化膜，在鋼筋表面形成“腐蝕電池”，再加上Cl-的去極化作用和Cl-的導(dǎo)電作用從而引起了鋼筋的銹蝕。銹蝕鋼筋轉(zhuǎn)為鐵銹時，體積最大膨脹6倍，不僅鋼筋強度降低，而且使混凝土脹裂，降低鋼筋與混凝士的粘結(jié)力,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的降低。

氯離子通過混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫從周圍環(huán)境向混凝土內(nèi)部傳遞。氯離子侵入混凝土的方式主要有以下幾種：1）擴(kuò)散作用：由于濃度的作用，氯離子從濃度高的地方向濃度低的地方轉(zhuǎn)移；2）毛細(xì)管作用：氯離子向混凝土內(nèi)部干燥的部分移動；3）滲透作用：在水壓力作用下，氯離子向壓力較低的方向移動；4）電化學(xué)遷移：氯離子向電位較高的方向移動。氯離子的侵蝕是上述幾種方式的共同作用，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學(xué)結(jié)合、物理粘結(jié)、吸附等作用的影響。但對于特定的條件，其中的一種侵蝕方式是主要的。雖然氯離子在混凝土中的傳輸機理非常復(fù)雜，但是在許多情況下，擴(kuò)散過程仍然被認(rèn)為是最主要的傳輸方式之一。大量的檢測結(jié)果表明，氯離子的傳輸過程可以認(rèn)為是一個線性的擴(kuò)散過程：

式（2）即為傳統(tǒng)的Fick第二定律表式,Fick第二定律的解取決于問題的邊界條件，在穩(wěn)定的使用環(huán)境(如海洋環(huán)境)中，假定混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)過相當(dāng)長的使用時間后其表面的氯離子濃度恒定不變，另外再假定混凝土結(jié)構(gòu)相對于暴露表面為無限介質(zhì)，在任一時刻，相對于暴露表面的無限處的氯離子濃度值為初始濃度(可假定為零)，從而解式（2）得：吳瑾等人提出的將擴(kuò)散系數(shù)作為隨機數(shù)，混凝土表面氯離子濃度、保護(hù)層厚度作為隨機變量,建立混凝土中鋼筋表面氯離子濃度分布的隨機模型，推導(dǎo)出鋼筋表面氯離子濃度的均值的隨機模型均值為：

由此模型計算的氯離子濃度較傳統(tǒng)的Fick定律的計算值更接近實測結(jié)果，進(jìn)一步利用其模型能比較準(zhǔn)確評估海洋環(huán)境下混凝土的壽命。研究表明：氯離子是造成海工混凝土破壞的最主要因素。此外，水位變動區(qū)混凝土的凍融破壞，海水對混凝土構(gòu)件的沖刷磨損也對混凝土耐久性產(chǎn)生破壞作用。

目前，關(guān)于單因素環(huán)境下的氯離子侵入模型研究比較深入,多因素下的研究相當(dāng)少,學(xué)術(shù)界也未能達(dá)成一致意見，比較突出的是Anders Lindvall的觀點——在全球12個海洋區(qū)域所做的實驗統(tǒng)計結(jié)論。全球海洋區(qū)域的溫度、氯離子濃度不同，氯離子侵蝕混凝土有著若干種影響因素。研究表明：氯離子的侵入量主要影響因素是海水的溫度,濃度是次要因素，因此更精確的表征氯離子侵入需參考暴露海水溫度因素，所以上述模型也存在一定的缺陷，有待進(jìn)一步的深入研究，溫度影響因素可用腐蝕速度的增加倍數(shù)α參數(shù)來表達(dá)：T（℃）。

當(dāng)8≤T≤53時，

2 提高混凝土工程在海洋環(huán)境的耐久性措施

2.1 劃分混凝土構(gòu)件環(huán)境區(qū)域

海工混凝土構(gòu)件在海域的部位不同，腐蝕程度也有較大差異。根據(jù)多年對海港碼頭的調(diào)查，將混凝土構(gòu)件所處區(qū)域劃分為四個區(qū)，即大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)。浪濺區(qū)與水位變動區(qū)鋼筋腐蝕最嚴(yán)重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)腐蝕最輕?；炷猎O(shè)計時要根據(jù)不同區(qū)域，有針對性的采取不同的防腐蝕措施和方法。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

海工混凝土的結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造與普通混凝土不同，設(shè)計時應(yīng)作到滿足以下要求：

1）構(gòu)件截面幾何形狀力求簡單、平順，有利于排水；限制導(dǎo)致表面積水的設(shè)計，盡量減少構(gòu)件受潮和濺濕的表面積。

2）構(gòu)件應(yīng)便于施工，易于成型。對處于腐蝕嚴(yán)重部位的構(gòu)件，應(yīng)考慮其易于更換的可能。

3）結(jié)構(gòu)形式要利于關(guān)鍵部位的檢測和維修，應(yīng)設(shè)置利于檢測維護(hù)的通道。

4）處理好構(gòu)件間的連接，采用的支座和節(jié)點要保證結(jié)構(gòu)的變形約束最小。

5）構(gòu)件中受力的鋼筋和構(gòu)造鋼筋宜構(gòu)成閉口鋼筋籠，以增加結(jié)構(gòu)的堅固和耐久。

6）混凝土保護(hù)層最小厚度應(yīng)符合表1和表2的規(guī)定。

表1 海工鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度（mm）

表2 預(yù)應(yīng)力海工鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度（mm）

2.3 原材料選擇

1）水泥是配制海工混凝土的關(guān)鍵原料。根據(jù)海水對混凝土的腐蝕機理,要盡量選擇水化產(chǎn)物中Ca（OH）2少、水化鋁酸鹽少的水泥。水位變動區(qū)還應(yīng)考慮水泥石的抗凍性、耐磨性。水泥的強度不能低于42.5 MPa。拌和用水可以采用地下水、城市供水系統(tǒng)的水、河水，不能采用海水。對使用的水要進(jìn)行檢測，保證水中氯離子含量不大于200 mg/L，同時保證水的pH值大于4。水灰比是反映混凝土密實度的一個重要指標(biāo)。水灰比的大小反映混凝土抵抗氯離子入侵的能力。這種能力主要表現(xiàn)在水灰比和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系。研究證明：氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,其關(guān)系可用公式（3）表示。

式中，Dd為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，10-8cm2/s；w/c 為水灰比。因此設(shè)計中的水灰比應(yīng)在滿足要求的前提下盡量取小值。

表3 海工混凝土水灰比最大允許值和最低水泥用量

2）集料應(yīng)堅硬、清潔、級配良好，優(yōu)先選用天然河砂、碎石或卵石。粗集料中不能含活性SiO2，以防止堿與集料反應(yīng)。細(xì)集料不能采用海砂。粗集料的最大粒徑，在浪濺區(qū)不大于保護(hù)層厚度的2/3，其他區(qū)不大于保護(hù)層厚度的4/5。

3）增加鋼筋本身抵抗銹蝕的能力，也是提高海工混凝土耐久性的有效措施：①添加鋼筋阻銹劑；②使用涂層鋼筋，包括環(huán)氧樹脂涂層鋼筋和熱浸鍍鋅鋼筋；③鋼筋的陰極保護(hù)，可分為為犧牲陽極法和外加電流法；④采用耐腐蝕鋼筋，耐腐蝕鋼筋和涂層鋼筋所不同的是，涂層鋼筋是伍鍘筋表面覆蓋上某種耐腐蝕物質(zhì)，鋼筋是普通碳素鋼筋，而耐腐蝕鋼筋是鋼筋自身具有耐悔蝕的性能。耐腐蝕鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的使用還是一個相對較新的課題，國外的研究要比國內(nèi)的研究超前，目前主要有不銹鋼鋼筋和纖維塑料筋兩種。

4）混凝土表層處理

為防止氯化物、二氧化碳等侵蝕性介質(zhì)滲入混凝土中，延緩鋼筋銹蝕，對新澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層也是一種簡便、經(jīng)濟(jì)和有效的輔助性保護(hù)措施。涂層可以分為侵入型和隔離型兩類。侵入型涂料不會在混凝土表面成膜，也不能充滿混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙，但能顯著降低混凝土的吸水性。而隔離型涂料可以使混凝土和侵蝕介質(zhì)隔離。

5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中摻有礦物摻和料,如粉煤灰、礦渣、硅粉等。這些摻和料對混凝土的性能具有物理和化學(xué)改善作用，有效增加混凝土的密實度，增強抵抗侵蝕的能力。高性能混凝土已作為提高海工混凝土的有效措施被研究和開發(fā)。

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