南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的調(diào)查研究

達(dá)波, 余紅發(fā), 麻海燕, 張亞棟, 朱海威, 余強(qiáng), 葉海民, 景顯雙

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210073；

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南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的調(diào)查研究

達(dá)波1, 余紅發(fā)1, 麻海燕1, 張亞棟2, 朱海威1, 余強(qiáng)3, 葉海民4, 景顯雙4

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210073；

3.海軍海防工程研究中心，北京 100070；4.中國(guó)人民解放軍92003部隊(duì)，廣東湛江 524003)

為了探究熱帶海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，通過(guò)對(duì)我國(guó)南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與測(cè)試，研究了普通混凝土的破壞現(xiàn)狀、碳化深度、自由氯離子含量(Cf)和總氯離子含量(Ct),并計(jì)算了氯離子結(jié)合能力(R)、表面自由氯離子含量(Cs)、表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)和自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Df)。結(jié)果表明：在南海島礁工程中，普通混凝土結(jié)構(gòu)的主要破壞特征為混凝土保護(hù)層脹裂、剝落、垮塌、露筋、鋼筋銹蝕等；其碳化服役壽命不足25a；海風(fēng)是加速氯離子擴(kuò)散滲透的主要因素之一；普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國(guó)東海等近海環(huán)境，大致高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

熱帶海洋環(huán)境；普通混凝土；混凝土結(jié)構(gòu); 耐久性; 碳化深度；氯離子結(jié)合能力；表面自由氯離子含量；氯離子擴(kuò)散系數(shù)

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南海海洋環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的腐蝕破壞作用，氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用、微生物腐蝕以及干濕交替的頻繁作用和風(fēng)暴引起的海浪沖刷磨損等是導(dǎo)致海洋混凝土腐蝕破壞的主要原因[1-2]。其中，氯離子侵蝕導(dǎo)致海洋混凝土腐蝕破壞尤為突出，嚴(yán)重危害著海洋混凝土結(jié)構(gòu)工程的安全性和耐久性[3]。因此，對(duì)我國(guó)南海島礁海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行調(diào)查研究是一項(xiàng)十分重要工作。

Antonio C等[4]對(duì)葡萄牙海洋環(huán)境下的碼頭、橋梁等建筑物進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：由于氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕非常嚴(yán)重，使得混凝土結(jié)構(gòu)服役較短時(shí)間就發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。Normand R[5]對(duì)英國(guó)海邊700座普通混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其耐久性的破壞主要與浪濺區(qū)的鋼筋嚴(yán)重腐蝕有關(guān)。近十年來(lái)對(duì)我國(guó)沿海建筑物調(diào)查表明，因氯化物侵蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象遍及我國(guó)沿海所有碼頭、閘涵和海濱電廠。趙國(guó)藩等[6]對(duì)華南、華東地區(qū)進(jìn)行了三次沿海港口工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)狀的調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土鋼筋銹蝕破壞的時(shí)間有的僅5～10 a。

而我國(guó)沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性調(diào)研主要針對(duì)渤海灣、華東與華南沿海，對(duì)南海島礁海洋環(huán)境的耐久性調(diào)研則未見相關(guān)報(bào)道。本文重點(diǎn)觀測(cè)我國(guó)南海島礁環(huán)境的普通混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性狀態(tài)，系統(tǒng)測(cè)試混凝土保護(hù)層厚度、碳化深度和氯離子含量的深度分布規(guī)律，并運(yùn)用修正的Fick擴(kuò)散定律[7]研究不同混凝土的氯離子耐久性參數(shù)，為研究熱帶海洋島礁環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和實(shí)際工程壽命問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支持。

1　現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與試驗(yàn)方法

1.1工程結(jié)構(gòu)信息、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要參照《港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[8]進(jìn)行。采用表面觀測(cè)、鑿開觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、取樣測(cè)試和數(shù)碼相機(jī)記錄等辦法，重點(diǎn)檢查了我國(guó)南海海域某島礁的普通混凝土結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)狀(具體見表1)，包括開裂，剝落、鋼筋裸露及其附屬設(shè)施損壞等，對(duì)于重點(diǎn)考察的部位分別測(cè)定保護(hù)層厚度和用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的酚酞酒精溶液測(cè)定碳化深度等。必要時(shí)采取不同深度的混凝土粉末樣品，用于室內(nèi)分析測(cè)試。

表1　南海海域某島礁調(diào)查的普通混凝土結(jié)構(gòu)工程信息

1.2試驗(yàn)室分析方法

1.2.1自由氯離子含量、結(jié)合氯離子含量和總氯離子含量

采用Z1A型便攜式鉆機(jī)，合金鉆頭直徑為6 mm，現(xiàn)場(chǎng)采集0～5、5～15、15～25、25～35、35～55、55～65、65～75、75～85和85～95 mm等不同深度的混凝土粉末試樣，并用孔徑為0.15 mm的篩子過(guò)篩，以除去粗顆粒。參照國(guó)家交通部標(biāo)準(zhǔn)JTJ270-98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[9]和文獻(xiàn)[10〗，采用水溶和酸溶萃取法分別測(cè)定自由氯離子含量(Cf)、總氯離子含量(Ct)和結(jié)合氯離子含量(Cb)由下式計(jì)算：

(1)

式中：Ct為混凝土的總氯離子含量(%)；Cf為混凝土的自由氯離子含量(%)；Cb為混凝土的結(jié)合氯離子含量(%)。

1.2.2氯離子結(jié)合能力

根據(jù)Nilsson等[11]定義了混凝土的氯離子結(jié)合能力(R)：

(2)

式中R是混凝土的氯離子結(jié)合能力。海洋混凝土結(jié)構(gòu)的Ct和Cf之間符合線性關(guān)系[12]：

Ct=KCf

(3)

式中：K是試驗(yàn)常數(shù)。將式(1)、(3)代入式(2)，得到

(4)

1.2.3表面自由氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到不同平均深度的Cf，利用Excel數(shù)學(xué)分析軟件和和混凝土氯離子的擴(kuò)散模型[13]得到混凝土的Cs值和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)。Da計(jì)算公式如下：

一維

(5)

二維

(6)

三維

(7)

式中：Cf為距混凝土表面x處的自由氯離子含量(%),Cs為混凝土表面的自由氯離子含量(%),C0為混凝土內(nèi)部的初始自由氯離子含量(%),Da為混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù),L1、L2和L3分別為沿x、y和z方向的厚度,erf 為誤差函數(shù)：

根據(jù)Maage M等[14]研究，混凝土的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Df)與表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)之間具有如下關(guān)系：

(8)

式中R為混凝土的氯離子結(jié)合能力。

2　現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與分析

2.1普通混凝土結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)狀

圖1為南海島礁環(huán)境不同普通混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞現(xiàn)狀。圖1(a)、圖1(b)、圖1(f)和圖1(h)分別為廢棄車庫(kù)、廢棄車庫(kù)頂板、某建筑物A和某構(gòu)筑物A，其測(cè)試齡期分別為25、25、22和15 a。由此可見，在南海島礁環(huán)境中，由于氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用、干濕交替和海風(fēng)的頻繁作用等導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重以及鋼筋銹蝕，嚴(yán)重危害著島礁混凝土結(jié)構(gòu)工程的安全性和耐久性。圖1(c)、圖1(e)和圖1(g)分別為預(yù)制電纜標(biāo)記碑、碼頭和某建筑物B的耐久性破壞現(xiàn)狀，可見在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中，多風(fēng)、高溫的氣候使得混凝土開裂，砂漿逐層剝落，集料暴露，必然影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。圖1(d)所示的預(yù)制混凝土電桿破壞與臺(tái)風(fēng)有關(guān)。

圖1　南海島礁環(huán)境普通混凝土結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)狀Fig.1　Destruction of ordinary concrete structures in the South China Sea

2.2普通混凝土保護(hù)層厚度和碳化深度

圖2為南海島礁的不同混凝土結(jié)構(gòu)，表2為該混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度和碳化深度。圖2(a)所示的廢棄車庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重破壞，混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、骨料外露。外觀檢查和碳化深度檢測(cè)結(jié)果表明，此熱帶海島由于長(zhǎng)期受西南季風(fēng)的影響，車庫(kù)3號(hào)混凝土柱25 a后的迎風(fēng)面碳化深度高達(dá)35～40 mm，背風(fēng)面碳化深度僅有迎風(fēng)面的50%左右，遠(yuǎn)大于寧波海工碼頭大氣區(qū)的23 a碳化深度(2.4 mm)[15；圖2(b)為某建筑物A，其22 a碳化深度為10 mm；圖2(c)為某建筑物B，其18 a碳化深度為30 mm；圖2(d)為預(yù)制鋼絲網(wǎng)水泥砂漿結(jié)構(gòu)，其40 a碳化深度為5 mm。這充分表明，南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的碳化服役壽命不足25 a。

2.3普通混凝土的氯離子含量分布

圖3為南海島礁海域普通混凝土廢棄車庫(kù)立柱、某建筑物A(DB)和預(yù)制鋼絲網(wǎng)水泥砂漿結(jié)構(gòu)(QZ)的自由氯離子含量(Cf)和總氯離子含量(Ct)分布，其測(cè)試齡期分別為25、22和40 a。結(jié)果表明，在南海島礁海洋環(huán)境下，海風(fēng)和鹽霧中的氯鹽，會(huì)加速擴(kuò)散滲透進(jìn)入島上建筑物或者構(gòu)筑物，車庫(kù)3號(hào)柱西面(3#W)與南面(3#S)的氯離子含量遠(yuǎn)高于東面(3#E)和北面(3#N)的氯離子含量?？梢?，海風(fēng)是加速氯離子擴(kuò)散滲透的主要因素之一。

圖2　南海島礁的不同混凝土結(jié)構(gòu)Fig.2　Different concrete structures in the South China Sea

表2　南海島礁上不同混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度和碳化深度

圖3　南海島礁不同普通混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子含量分布Fig.3　Different depth chloride concentration distribution of ordinary concrete in the South China Sea

2.4普通混凝土的氯離子結(jié)合能力

圖4為南海島礁普通混凝土廢棄車庫(kù)和某建筑物A的Ct和Cf之間的關(guān)系，其測(cè)試齡期分別為25 a和22 a。由圖可見，南海島礁環(huán)境中普通混凝土的Ct和Cf均符合線性關(guān)系，這與一般海洋環(huán)境的規(guī)律一致[12]。表3為島礁普通混凝土Ct和Cf之間的線性回歸關(guān)系。

根據(jù)Nilsson等[11]提出的氯離子結(jié)合能力定義，計(jì)算得到南海島礁普通混凝土廢棄車庫(kù)柱3#E、3#S、3#W和3#N和某建筑物A的R值分別為0.202、0.078、0.149、0.048和0.103，比暴露在日本海洋環(huán)境下普通混凝土的R值(0.230)[12]要低12.2%～79.1%。普通混凝土R值越低，表明氯鹽侵蝕對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用越大，說(shuō)明在南海島礁環(huán)境，氯鹽侵蝕對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用明顯高于日本海洋環(huán)境。

圖4　南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的Ct和Cf之間的關(guān)系Fig.4　Ordinary concrete relationship between Ct and Cf in the South China Sea

表3　南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的Ct和Cf之間回歸關(guān)系

2.5表面自由氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.5.1普通混凝土結(jié)構(gòu)

表4為南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的表面自由氯離子含量(Cs)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，在南海島礁環(huán)境經(jīng)歷25 a的廢棄車庫(kù)普通混凝土柱在不同方向的Cs值規(guī)律是：0.130%>0.102%>0.079%>0.064%，即3#W和3#S的Cs值大于3#N和3#E的Cs值而南海海域常年以西南季風(fēng)為主，可見，風(fēng)向是影響結(jié)構(gòu)表面氯離子含量的主要因素。車庫(kù)混凝土柱不同方向的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)分別為0.352、0.964、0.461和1.416 cm2/a，自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Df)分別為0.404 8、1.040、0.483和1.702 cm2/a，其Da值比寧波海域普通混凝土結(jié)構(gòu)的Da(0.068～0.273 cm2/a)約大4～20倍[15〗。這充分表明，普通混凝土結(jié)構(gòu)在高溫、高濕、高鹽和多風(fēng)的南海島礁環(huán)境的耐久性問(wèn)題異常嚴(yán)峻。

表4　南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的表面自由氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.5.2不同海域暴露區(qū)域的影響

圖5示出了南海島礁不同混凝土結(jié)構(gòu)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露時(shí)間的關(guān)系。圖中，同時(shí)列出了美國(guó)西太平洋Bikini環(huán)礁的珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)[16〗、我國(guó)東海[15〗、和北歐[17〗和加拿大蒙特利爾海港碼頭(非引氣混凝土，存在凍融剝落現(xiàn)象)[18〗、Bamforth P.B[19〗匯總30多項(xiàng)國(guó)際文獻(xiàn)發(fā)表以及他調(diào)研的歐洲與北美76組普通水泥混凝土(不摻礦物摻合料，無(wú)明顯腐蝕破壞)、65組粉煤灰混凝土和54組礦渣混凝土等近海混凝土結(jié)構(gòu)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)。其中，對(duì)我國(guó)東海、美國(guó)西太平洋Bikini環(huán)礁的珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)和加拿大蒙特利爾海港碼頭(非引氣混凝土，存在凍融剝落現(xiàn)象)文獻(xiàn)中的Da

值進(jìn)行重新計(jì)算。由圖可見，在一般海洋近海工程中，混凝土結(jié)構(gòu)的Da值隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，兩者之間呈典型的冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)暴露時(shí)間相近時(shí)，在南海島礁與太平洋等熱帶海洋環(huán)境下普通混凝土的Da值，明顯位于一般海洋近海工程的Da與暴露時(shí)間之關(guān)系區(qū)域的上方，即普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國(guó)東海等近海環(huán)境，大致高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，南海島礁環(huán)境下珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的Da值大于普通混凝土Da值，在海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)和水下區(qū)的珊瑚混凝土最大Da值是普通混凝土大氣區(qū)最大Da值的2.1倍、2.8倍和5.9倍，該結(jié)果與日本學(xué)者[20]研究環(huán)太平洋地區(qū)的珊瑚混凝土完全相符。

圖5　南海島礁不同混凝土結(jié)構(gòu)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露時(shí)間的關(guān)系Fig.5　Different concrete structure Da relationship with exposed time in the South China Sea

3　結(jié)論

1)南海島礁工程中，多風(fēng)、高溫的海洋環(huán)境對(duì)普通混凝土結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的腐蝕破壞作用，碳化深度較大，其主要破壞特征為混凝土保護(hù)層脹裂、剝落、垮塌、露筋、鋼筋銹蝕、箍筋銹斷等。

2)南海島礁工程中，由于長(zhǎng)期受西南季風(fēng)的影響，普通混凝土柱25a后的迎風(fēng)面碳化深度高達(dá)35～40 mm，背風(fēng)面碳化深度僅有迎風(fēng)面的50%左右；且南海島礁普通混凝土結(jié)構(gòu)的碳化服役壽命不足25 a。

3)南海島礁環(huán)境中，海風(fēng)和鹽霧中的氯鹽，會(huì)加速擴(kuò)散滲透進(jìn)入島上建筑物或者構(gòu)筑物，可見，海風(fēng)是加速氯離子擴(kuò)散滲透的主要因素之一；南海島礁環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量(Ccr)值應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.05%，可能接近美國(guó)ACI201規(guī)范的規(guī)定，約為0.01%。

4)南海島礁環(huán)境中,普通混凝土的總氯離子含量(Ct)和自由氯離子含量(Cf)均符合線性關(guān)系，這與一般海洋環(huán)境的規(guī)律一致,南海島礁環(huán)境中氯離子結(jié)合能力(R)比暴露在日本海洋環(huán)境下普通混凝土的R值(0.230)要低12.2%～79.1%，表明在南海島礁環(huán)境下，氯鹽侵蝕對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用大于日本海洋環(huán)境。

5)南海島礁環(huán)境中，風(fēng)向是影響混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子含量(Cs)的主要因素，迎風(fēng)面的Cs值較高；在一般海洋近海工程中，混凝土結(jié)構(gòu)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)值隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，兩者之間呈典型的冪函數(shù)關(guān)系；普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國(guó)東海等近海環(huán)境，大致高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

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本文引用格式：

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Investigation of durability of ordinary concrete structures in the South China Sea

DA Bo1, YU Hongfa1, MA Haiyan1, ZHANG Yadong2, ZHU Haiwei1, YU Qiang3,YE Haimin4, JING Xianshuang4

(1. Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautic and Astronautic, Nanjing 20016, China; 2. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 20016, China; 3. Navy Research Center of Coastal Defense Engineering, Beijing 100070, China; 4. The People′s Liberation Army Unit 92003, Zhanjiang 524003, China)

To investigate the durability of concrete structures in the tropical marine environment, in this study, we carried out site investigations in the South China Sea and laboratory experiments to determine the destruction status, carbonization depth, free chloride concentration (Cf), total chloride concentration (Ct), chloride binding capacity(R), surface free chloride concentration (Cs), apparent chloride diffusion coefficients (Da) and free chloride diffusion coefficients (Df) of ordinary concrete. The results show that in the islands engineering of South China Sea, the main failure characteristics in ordinary concrete structures are cover cracks, exfoliation, collapse, steel bar exposure, and steel corrosion. In addition, the carbonation service life of these structures is less than 25 years, and wind is one of the main factors accelerating the chloride diffusion penetration. In the South China Sea environment, the Davalue for ordinary concrete is about 1～2 orders of magnitude higher than that of the Northern Europe, North America, and East China Sea offshore environments.

tropical marine environment; ordinary concrete; concrete structure;durability; carbonation depth; chloride binding capacity; surface free chloride concentration; chloride diffusion coefficient

2015-05-18.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-06-24.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508272)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB655102)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX15-0230).

達(dá)波 (1988-)，男，博士研究生;

余紅發(fā)(1964-), 男，教授，博士生導(dǎo)師.

余紅發(fā)，E-mail: yuhongfa@nuaa.edu.cn.

10.11990/jheu.201505051

TU528

A

1006-7043(2016)08-1034-07