海洋環(huán)境鋼筋混凝土橋梁腐蝕機理及防腐措施

趙本棟ZHAO Ben-dong；林輝LIN Hui；鄔曉光WU Xiao-guang

（①長安大學公路學院，西安 710064；②寧德沈海復線寧連高速公路有限公司，寧德 352100）

（①School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；②Ningde Shenhai Multiple Track Ninglian Highway Co.，Ltd.，Ningde 352100，China）

0 引言

從19 世紀20年代發(fā)明水泥到今天，水泥混凝土的材料和技術(shù)，經(jīng)歷了巨大的變化。從最初的普通強度發(fā)展到現(xiàn)在的高強度高性能混凝土，由于混凝土的材料性能的不斷改善。使其具有取材廣泛、施工方便、維護簡單、成本較低、耐熱性能好等優(yōu)點，使得鋼筋混凝土逐漸成為了海洋環(huán)境下橋梁建設的首選形式。

事實上，由于橋梁結(jié)構(gòu)長期處于海洋環(huán)境中，未得到妥善防護的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化速度非?？?，另外，跨海橋梁一旦發(fā)生損壞，在修復過程中一旦受到自然條件的制約，就會顯得十分困難，代價也是很昂貴的。因此，研究海洋環(huán)境中橋梁結(jié)構(gòu)的防腐問題對于維修既有跨海橋梁及提高新建跨海大橋耐久性是很有必要的。

1 混凝土腐蝕機理

海水環(huán)境中的混凝土腐蝕主要受多組分的侵蝕性離子的影響，包括硫酸鹽、氯鹽及鎂鹽腐蝕，每種侵蝕性離子對混凝土的侵蝕機理各有不同。

1.1 硫酸鹽侵蝕混凝土機理 混凝土硫酸鹽侵蝕破壞機理是一個復雜的物理化學過程，其實質(zhì)是進入混凝土的孔隙內(nèi)部，與水泥石的某些成分發(fā)生化學反應，并且在混泥土內(nèi)部的毛細孔內(nèi)形成大量的結(jié)晶水的難溶物，體積就會增大產(chǎn)生膨脹內(nèi)應力，使得水泥石結(jié)構(gòu)脹裂而破，導致混凝土強度下降，乃至破壞。

1.2 氯鹽侵蝕混凝土機理 微觀表象下，混凝土是多孔材料的，當熔鹽吸濕面后會滲透到密實的混凝土空隙中，當表面的混凝土接觸含鹽溶液后，就會因為毛細血管的作用，使含氯鹽的溶液上升到混凝土迎空面，其中當水分蒸發(fā)后，就會使溶液濃度加大，當濃度達到飽和后，就會加速化學的侵蝕反應。此外，當適度和溫度達到一定量的時候，鹽類就會轉(zhuǎn)化為體積膨脹的結(jié)晶水化物。這樣即使溶液中氯鹽含量較高，或者反復干濕后，鹽晶都會在混凝土空隙中產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，使混凝土崩碎、開裂或者表面剝蝕。

1.3 鎂鹽侵蝕混凝土機理 海水中的可溶性鹽可以與水泥石的組分發(fā)生離子交換反應，由于反應生成物為可溶物或沒有膠結(jié)能力的松軟物質(zhì)，破壞了原有水泥石的結(jié)構(gòu)。在海洋環(huán)境下，該類腐蝕主要是Mg2+腐蝕。Mg2+侵蝕入混凝土結(jié)構(gòu)后時，會分解水泥石中的Ca（OH）2或直接分解膠凝物質(zhì)，由于生成物Mg（OH）2和SiO2·H2O 均無膠凝特性，從而使得水泥石結(jié)構(gòu)被破壞。

2 鋼筋腐蝕機理

處于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，海水、海風和海霧中的氯離子會直接滲入混凝土并達到鋼筋表面，破壞鈍化膜，在其表面形成腐蝕電池，使得鋼筋銹蝕。開始在鋼筋表面產(chǎn)生局部銹蝕，在其后的階段中，由于更多的局部銹蝕點的出現(xiàn)使得銹蝕開始布滿鋼筋表面，最后導致鋼筋整個表面的銹蝕。由于鐵銹是疏松、多孔的結(jié)構(gòu)，而且極易透氣和滲水，同時鐵銹的體積會增大至原來的2～4 倍，銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應力，當環(huán)向拉應力達到混凝土的抗拉強度時，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫。這又使得氧氣、水分等更容易進入，隨著銹蝕的進一步加劇，鋼筋銹蝕量的增加，徑向內(nèi)裂縫向混凝土表面發(fā)展，直到混凝土保護層開裂產(chǎn)生順筋方向的銹脹裂縫，甚至保護層剝落，嚴重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。

3 混凝土防腐技術(shù)研究

通過以上腐蝕機理的分析可知，混凝土腐蝕是受周圍環(huán)境介質(zhì)，主要是硫酸鹽、氯離子、鎂鹽和其他侵蝕離子等的侵蝕，而造成溶析、碳化、膨脹開裂而破壞失效的。對于鋼筋混凝土來說，因混凝土保護層遭到侵蝕，有害介質(zhì)滲透進入，加快了鋼筋的銹蝕，而鋼筋的銹蝕又加快了混凝土的破壞，二者相互作用加速，最終導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

因此，提高海域地區(qū)混凝土橋梁的抗蝕性與耐久性，一方面是從混凝土材料本身入手，另一方面由設計施工方面采取必要的防護措施。

3.1 配合比優(yōu)化設計 首先，在保證混凝土達到一定密實度和工程可以安全利用的強度的基礎上，減少水泥用量不僅可以相對地減少水化產(chǎn)物中Ca（OH）2等易受侵蝕的水化產(chǎn)物的含量，還可以降低混凝土的成本。其次，降低水灰比同時加入高效減水劑有效降低混凝土的單位用水量，進而減小混凝土的坍落度提高混凝土的和易性，是提高混凝土密實度最有效的措施。同時降低混凝土的水灰比，減小混凝土的坍落度，也可以有效降低混凝土后期因塑性變形而產(chǎn)生收縮裂縫的可能性。再次，對于混凝土而言過低的水膠比常常影響混凝土的工作性能，高效減水劑的應用既可以保證混凝土在低水膠比的條件下獲得好的工作性，還能使混凝土獲得更高的強度和耐久性。此外，為了提高混凝土的密實性，使混凝土具有較好的抗?jié)B效果，混凝土配制中經(jīng)常摻入具有一定抗侵蝕性能的混凝土膨脹劑，以期其發(fā)生一定的膨脹而堵塞混凝土中的孔隙，使混凝土密實。

3.2 設計構(gòu)造優(yōu)化

3.2.1 混凝土強度 為了提高接觸水部位的混凝土強度，就需要我們在經(jīng)濟設計的基礎上進行完善。通過試驗我們不難看出，當高強度等級混凝土抗?jié)B抗凍能力比低強度等級混凝土強時，可以提高混凝土的抗腐蝕能力。

3.2.2 混凝土保護層 混凝土保護層主要是防止腐蝕的重要屏障。因此在不影響結(jié)構(gòu)安全的前提下，我們可以加大混凝土的鋼筋保護層厚度，這樣能夠增加橋梁的使用年限。對于潮差和浪濺區(qū)，控制結(jié)構(gòu)的保護層厚度大于8mm，對于大氣區(qū)，保護層厚度也應大于5mm。

3.2.3 混凝土表面防護技術(shù) 混凝土表面防護技術(shù)可以將混凝土結(jié)構(gòu)表面與外部環(huán)境形成可靠的物理隔絕，阻止氯離子侵蝕和混凝土碳化深入混凝土內(nèi)部，消除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成腐蝕破壞的必要條件，同時由于表面隔離，也可以避免過多的水分進入混凝土表層，從而達到抑制凍融的目的。

3.3 施工管理優(yōu)化 裂縫是混凝土受侵蝕的最直觀的原因，采取適當?shù)幕炷翜囟瓤刂?，降低混凝土?nèi)部水化的溫度，有效防止因為降低溫度而產(chǎn)生的裂縫，有效阻止海水中有害物質(zhì)的侵入。

因此就需要我們加強混凝土振搗和養(yǎng)護管理。防止混凝土因為早期的開裂而導致影響后續(xù)的耐久性嫩。

4 結(jié)論

混凝土在海洋環(huán)境下采用多種防腐技術(shù)策略，在一定程度上能夠保證混凝土結(jié)構(gòu)處于較強腐蝕性的環(huán)境時候，也能避免其被有害介質(zhì)侵蝕。但是還需要我們采用具體的方法。如根據(jù)環(huán)境及所需保護結(jié)構(gòu)的實際狀況進行具體的分析和設計。因此，基于費用及控制效果的考慮，綜合采用控制腐蝕性的方法，還要達到節(jié)約投資，又能使結(jié)構(gòu)免于腐蝕侵害，增加設計使用的壽命。

[1]楊志方.東海大橋防腐蝕需求與現(xiàn)狀[J].世界橋梁,2004(增刊):25-27.

[2]張東東,邵吉林.海港碼頭鋼筋混凝土建筑物的腐蝕和防護[J].交通科技,2010（5）:104－106.

[3]戈雪良.混凝土抗海水侵蝕試驗研究及其抗蝕性能預測[D].武漢大學:碩士論文,2005.