海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題研究現(xiàn)狀

楊校宇，唐軍務(wù)

（海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津　塘沽　300450）

海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題研究現(xiàn)狀

楊校宇，唐軍務(wù)

（海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津塘沽300450）

海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受氯鹽腐蝕十分嚴(yán)重，如果不采取有效保護(hù)措施，使用壽命甚至不足 10 年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，而且耗費(fèi)巨額的維修和加固費(fèi)用，甚至拆除重建。提高海工混凝土耐久性的主要措施是采用高性能混凝土，其它的輔助措施可歸納為三類：鋼筋保護(hù)、混凝土保護(hù)和混凝土表層處理。每種措施的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性不同，在實(shí)際工程中，往往是根據(jù)腐蝕情況和環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行選用。

海洋環(huán)境；混凝土；耐久性；保護(hù)措施

0　混凝土耐久性簡介

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指在預(yù)定作用和預(yù)期的維護(hù)與使用條件下，結(jié)構(gòu)及其部件能在預(yù)定的期限內(nèi)維持其所需的最低性能要求的能力。在實(shí)際工程中，由于材料老化、不良使用條件等因素造成混凝土腐蝕及內(nèi)部鋼筋銹蝕的情況比比皆是，往往達(dá)不到預(yù)期使用壽命。結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。我國對混凝土耐久性的研究起步于 20 世紀(jì) 50 年代初的治淮工程（修建梅山、佛子嶺水庫大壩）[1]，但結(jié)構(gòu)耐久性問題在我國引起廣泛關(guān)注是在 1980 年以后，特別是在1992 年，中國土木工程學(xué)會混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土分會成立了混凝土耐久性專業(yè)委員會，極大地推動了我國混凝土耐久性方面的研究。

引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理、施工技術(shù)不完善及使用階段外界環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的侵蝕或維護(hù)不當(dāng)?shù)?。研究混凝土的耐久性要綜合外界環(huán)境 (大氣環(huán)境和局部環(huán)境)、結(jié)構(gòu)型式、應(yīng)力狀態(tài)三方面因素。從研究對象的角度又可分為材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)三個(gè)層次。材料層次的研究重點(diǎn)是腐蝕機(jī)理、防腐蝕技術(shù)措施、評定標(biāo)準(zhǔn)和腐蝕狀態(tài)識別等。本文主要介紹的是防腐蝕技術(shù)措施。

1　氯鹽是導(dǎo)致海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的首要因素

影響混凝土耐久性的主要因素集中在 4 個(gè)方面，即鋼筋銹蝕（包括氯鹽腐蝕、保護(hù)層中性化、雜散電流腐蝕）、凍融作用、鹽類侵蝕、堿骨料反應(yīng)。在海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)物長期處于氯鹽環(huán)境，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失和危害居于首位。通常情況下，鋼筋在混凝土的高堿環(huán)境中呈鈍態(tài)而不受腐蝕。處于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，由于大量氯離子侵入到混凝土內(nèi)部到達(dá)鋼筋表面，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使被保護(hù)的鋼筋受到嚴(yán)重腐蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，嚴(yán)重威脅混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性與使用性。另一方面，氯鹽對混凝土本身也有破壞作用。在干濕循環(huán)條件下，氯鹽的結(jié)晶會使混凝土產(chǎn)生大量的裂縫。在北方地區(qū)，氯鹽與凍融共同作用，加速了混凝土的損傷[2]。

2　提高海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的方法

氯離子進(jìn)入混凝土主要通過兩種形式：一是澆筑混凝土?xí)r連同拌合物摻入進(jìn)去，二是外界氯鹽環(huán)境的滲入。規(guī)范中明確規(guī)定海工混凝土中骨料、拌合水、外加劑等帶入混凝土中的氯離子總量，不得超過混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。實(shí)際工程往往采用耐久性良好的高性能混凝土來抑制外界氯離子的侵入。但是，為了滿足更高的設(shè)計(jì)使用年限，僅依靠高性能混凝土是不夠的，還必須加以輔助措施。輔助措施可歸納為對鋼筋的保護(hù)、對混凝土的保護(hù)和對混凝土表層進(jìn)行處理三個(gè)方面。

2.1采用高性能混凝土

高性能混凝土是指通過摻加火山灰質(zhì)材料，如微硅粉、磨細(xì)礦渣或粉煤灰，使混凝土電阻率增加，增強(qiáng)了混凝土抵抗氯離子滲透的能力，達(dá)到延遲銹蝕的起始時(shí)間和降低銹蝕開始后的銹蝕速率。概括來說就是能夠更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低造價(jià)。高性能混凝土在我國港工建筑物的建設(shè)中廣泛應(yīng)用，也是海工混凝土提高耐久性措施的首選方法。高性能混凝土通常采用的水膠比是 0.3～0.4，礦物摻合料的總量通常為 50%～70%。

2.2針對鋼筋的保護(hù)

2.2.1電化學(xué)保護(hù)法

主要原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)的金屬處于電子過剩的狀態(tài)，金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位。陰極保護(hù)法有外加電流和犧牲陽極兩種方式。

外加電流法是將鋼筋與直流電源的陰極相連，通電后使鋼筋極化至保護(hù)電位。采用外加電流陰極保護(hù)法應(yīng)注意，預(yù)應(yīng)力或次應(yīng)力鋼筋不利于電流的分布，極易發(fā)生氫脆危險(xiǎn)而不能實(shí)施陰極保護(hù)系統(tǒng)。存在內(nèi)部強(qiáng)堿性聚集反應(yīng)的結(jié)構(gòu)會加重內(nèi)部堿性反應(yīng)，也不能實(shí)施陰極保護(hù)系統(tǒng)。工程實(shí)踐表明，一些處于一般惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)物采用此法在經(jīng)濟(jì)上并不劃算，處于酸根離子或氯離子等腐蝕破壞初期的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行該方法所表現(xiàn)出的性價(jià)比最高[3]。主要應(yīng)用于除冰鹽危害的地方，如高速公路、橋面、停車場等。

犧牲陽極法是將電性更負(fù)的材料（犧牲陽極）與鋼筋相連，通過陽極與鋼筋之間的電位差使陽極材料溶解，而鋼筋得到保護(hù)。相比外加電流法，該系統(tǒng)安裝簡便，不必經(jīng)常維護(hù)管理，不會過保護(hù)及發(fā)生氫脆，但提供的保護(hù)電流有限。

2.2.2采用鋼筋防護(hù)涂層

鋼筋防護(hù)涂層可以分為金屬和非金屬兩類。金屬防護(hù)涂層又可分為鈍化膜型（如鉻基鍍層）和犧牲型（如鍍鋅層）兩種[4]。如果應(yīng)用于海水環(huán)境并且混凝土質(zhì)量較差，則金屬防護(hù)涂層效果較差。非金屬防護(hù)涂層主要為有機(jī)類，以環(huán)氧涂層為主，其它的還有聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等。環(huán)氧樹脂粉末的涂覆使得鋼筋表面較為平滑，降低了與混凝土之間的握裹力，且涂層缺陷難以避免，在腐蝕環(huán)境下缺陷處形成強(qiáng)陽極從而加速鋼筋腐蝕。

2.2.3摻加鋼筋阻銹劑法

加入鋼筋阻銹劑是通過對鋼筋的鈍化作用或抑制銹蝕的產(chǎn)生與發(fā)展達(dá)到保護(hù)鋼筋的目的。阻銹劑有多種分類方式，常見的是按作用方式和應(yīng)用對象劃分為摻入型和滲入型兩種。摻入型主要用于新建工程，也可用于修復(fù)工程。滲入型多為低粘度的液體，通過在混凝土表面的噴涂滲入到鋼筋表面，使鋼筋重新鈍化，達(dá)到修復(fù)的目的。在實(shí)際工程中，鋼筋阻銹劑配合高性能混凝土是比較常用和有效的方法，不僅簡單經(jīng)濟(jì)，而且能夠達(dá)到雙重保護(hù)的目的。

2.3針對混凝土的保護(hù)

2.3.1提高混凝土保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須有足夠的厚度，混凝土保護(hù)層厚度對于阻止腐蝕介質(zhì)接觸鋼筋表面起著重要作用。海工混凝土應(yīng)該適當(dāng)加大其保護(hù)層厚度。JTJ 275－2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：海水環(huán)境鋼筋最小保護(hù)層厚度 50mm，預(yù)應(yīng)力鋼筋最小保護(hù)層厚度 75mm，其中浪濺區(qū)最小保護(hù)層厚度 90mm。

2.3.2使用透水性模板

透水模板技術(shù)是指利用透水模板布這種新型建筑材料，在混凝土施工時(shí)將透水模板布貼在模板內(nèi)壁，形成透水模板，主要用于改善表層混凝土質(zhì)量，避免表層混凝土因?yàn)槠胀０宓牟煌杆?、不透氣而使孔隙率變大。使用透水性模板?jīng)濟(jì)實(shí)用，尤其適用于對保護(hù)層有嚴(yán)格要求的施工建設(shè)中。我國對透水模板布的性能要求主要有透氣性、排水能力、保水能力和撕破強(qiáng)度等，均是針對透水模板布的材料本身性能的測試。

2.4通過對混凝土表層處理進(jìn)行保護(hù)

2.4.1成膜防護(hù)涂料

目前混凝土工程采用的成膜型涂料主要包括環(huán)氧涂料、聚氨酯涂料、脲彈性體涂料、丙烯酸乳膠漆、氟樹脂涂料等。環(huán)氧涂料在海港及橋梁工程中的應(yīng)用尤其突出，是最重要的海洋鋼筋混凝土防腐涂料，其對抗氯鹽高性能混凝土耐久性的改善作用非常明顯，缺點(diǎn)是隨著時(shí)間的推移，環(huán)氧樹脂涂層的性能會出現(xiàn)劣化，長期防護(hù)效果不足。

2.4.2水泥基滲透結(jié)晶防水材料

水泥基滲透結(jié)晶防水材料作用機(jī)理是材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)通過水向混凝土內(nèi)部滲透，與混凝土中未發(fā)生反應(yīng)的水泥成分發(fā)生二次水化反應(yīng)，在混凝土中形成不溶于水的結(jié)晶體，填塞毛細(xì)孔道，從而使混凝土致密防水。對于滲透結(jié)晶防水材料，國外無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以參照，我國對滲透結(jié)晶防水材料的性能要求主要有第二次抗?jié)B壓力以及對混凝土的安定性、凝結(jié)時(shí)間、抗折抗壓強(qiáng)度等的影響[5]。

2.4.3有機(jī)硅滲透性防護(hù)涂料

目前有機(jī)硅涂料主要包括水溶性有機(jī)硅、溶劑型有機(jī)硅、膏體型有機(jī)硅等三種類型，應(yīng)用最廣泛的主要為有機(jī)硅烷和膏體硅烷。有機(jī)硅涂料與其他防水涂料不同，它是利用混凝土的可滲透性，滲入到混凝土表面一定深度，采取滲透保護(hù)，而不是通過封堵空隙或表層毛細(xì)孔，這樣保證了基材的透氣性和自然外觀。我國對有機(jī)硅滲透型防護(hù)涂料的性能要求主要有有機(jī)硅滲透深度、吸水率和吸水量比、氯離子滲透深度等。

2.4.4包覆隔離防護(hù)

指對處于水位變動區(qū)等部位采取物理包裹，隔絕與外界直接聯(lián)系，延長這部分使用壽命。包覆隔離防護(hù)一方面延緩氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，另一方面也能阻止海水對混凝土的其他破壞，所以在提高結(jié)構(gòu)使用壽命方面效果很好。

3　結(jié)語

影響混凝土耐久性的因素眾多，研究周期較長，需要以長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依托。我國在海港工程耐久性技術(shù)上已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，從 20 世紀(jì) 80 年代以前的不到 20 年，發(fā)展到現(xiàn)在可以達(dá)到 50 年甚至 100 年。除結(jié)構(gòu)的使用壽命外，全壽命總成本也是工程建設(shè)和營運(yùn)管理必須要高度重視的一個(gè)重要問題。在海洋這類強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的建設(shè)工程，必須采用“以防為主”的戰(zhàn)略，結(jié)構(gòu)因發(fā)生腐蝕破壞而投入的加固維修費(fèi)用要遠(yuǎn)高于建設(shè)時(shí)采用預(yù)防措施的投入。未來有關(guān)混凝土耐久性方面的研究將更加深入，如反映工程實(shí)際狀態(tài)的荷載與環(huán)境耦合作用下耐久性問題、結(jié)構(gòu)壽命與材料早期性能之間定量關(guān)系的建立等將會是耐久性研究的重要方向。此外，新型材料、監(jiān)測技術(shù)等交叉學(xué)科將會在混凝土耐久性研究中凸顯更為重要的地位。相信通過各界的重視和廣大科研人員的不懈努力，我國的海工混凝土耐久性技術(shù)必將進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

[1] 陳改新．混凝土耐久性的研究,應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，7(2)：120-125．

[2] 賈麗坤，宋玉普．處于海洋環(huán)境的鋼筋混凝土耐久性研究[J]．混凝土，2002 (12)：3-5．

[3] 杜榮歸，黃若雙，趙冰，等．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]．材料保護(hù)，2003，36(4)：11-14．

[4] 吳金岳，吳松貴，徐旭峰，等．環(huán)氧涂層鋼筋及其應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù)，2004，25(3)：105-108．

[5] 王國醒．抗氯鹽高性能混凝土表層處理技術(shù)對比研究[D].華南理工大學(xué)．2012．

［通訊地址］天津市塘沽區(qū)河北路一號（300450）

楊校宇（1989－），碩士學(xué)歷，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面研究。