濱海環(huán)境地下混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性分析

謝偉

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110179

引言

海洋環(huán)境通常包括海水環(huán)境、海岸環(huán)境、海風(fēng)環(huán)境等，濱海地區(qū)地下工程混凝土結(jié)構(gòu)較多處于海岸環(huán)境，如果不采取有效措施，將受到嚴(yán)重侵蝕。

1 海岸環(huán)境介質(zhì)對(duì)混凝土的破壞形式

海岸環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式主要表現(xiàn)為腐蝕性破壞、鹽結(jié)晶破壞、鋼筋腐蝕破壞等形式。

1.1 腐蝕性破壞

根據(jù)介質(zhì)對(duì)混凝土的破壞，其腐蝕主要表現(xiàn)為如下幾種形式：①溶出型破壞。水泥在強(qiáng)氧化鈣的作用下，非常容易發(fā)生溶解現(xiàn)象，混凝土晶體在長(zhǎng)期作用下，強(qiáng)度會(huì)不斷降低，在流水以及壓力的作用下，容易發(fā)生比較嚴(yán)重的流失問(wèn)題，混凝土堿度會(huì)不斷降低，最終導(dǎo)致物質(zhì)水化現(xiàn)象的發(fā)生，混凝土被破壞。②分解型破壞。其主要是指各種酸性物質(zhì)直接與混凝土成分發(fā)生反應(yīng)，如鎂離子和氫氧根發(fā)生沉淀反應(yīng)。③膨脹型破壞。其主要是指環(huán)境當(dāng)中的硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物生成氫氧化鈣，生成水化鋁酸鈣，由于生成的高硫型的硫鋁酸鈣晶體中含有大量的結(jié)晶水，從而導(dǎo)致水泥石的體積得到較大幅度的增加，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹壓力，并最終能導(dǎo)致混凝土開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 破壞

受到混凝土結(jié)構(gòu)毛細(xì)壓力的作用，與混凝土接觸的海水可以被混凝土毛細(xì)管提升，在空氣濕度降低后，毛細(xì)管當(dāng)中的水分就會(huì)直接蒸發(fā)到空氣當(dāng)中，毛細(xì)管當(dāng)中的溶液就會(huì)被壓縮，從而導(dǎo)致鹽結(jié)晶情況的發(fā)生，并會(huì)在一定程度上結(jié)晶生長(zhǎng)，其結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中溶液受到毛細(xì)孔壁的限制，并對(duì)孔壁產(chǎn)生一定的作用力，如果作用力超過(guò)一定的幅值，容易導(dǎo)致混凝土開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 鋼筋腐蝕破壞

鋼筋腐蝕破壞是指混凝土保護(hù)層受到電化學(xué)腐蝕的影像，其中腐蝕性物質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生膨脹作用，其膨脹壓力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土的極限強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)容易出現(xiàn)混凝土開裂和鋼筋失效情況的發(fā)生。在濱海環(huán)境中，存在較多的氯鹽，其在與鋼筋長(zhǎng)期作用下，容易導(dǎo)致液態(tài)侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，鋼筋腐蝕情況會(huì)加劇，該情況在預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)中更為常見，腐蝕破壞現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。

1.4 混凝土遭受的腐蝕性因素

在液態(tài)海岸環(huán)境中存在較多的氯離子、鎂離子、硫酸根離子。水泥當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生較多的水化鋁酸鈣和氫氧化鈣，一旦水泥當(dāng)中氫氧化鈣發(fā)生了較為嚴(yán)重的溶解和流失問(wèn)題，就容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)分解和破壞現(xiàn)象的發(fā)生。其中氫氧化鈣和水化鋁酸鈣可以發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，其會(huì)直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積變大，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力。對(duì)構(gòu)件的腐蝕一般是從孔隙和裂隙中開始發(fā)生的，混凝土的抗?jié)B性能對(duì)腐蝕速度有著非常直接的影像，抗?jié)B性能直接決定了混凝土的密實(shí)性[1]。

2 海岸環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

為了保證混凝土使用的耐久性，需要做好混凝土的設(shè)計(jì)、施工和使用，讓其在穩(wěn)定的環(huán)境中，在一個(gè)比較明確的時(shí)間段內(nèi)，可以有效維持的自身的外觀，并不用花費(fèi)太多的時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行維護(hù)，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能滿足使用的基本要求，避免出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)失效情況的發(fā)生，或者讓混凝土外觀變得非常難以接受。根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，需要能夠有效對(duì)各種因素進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過(guò)保持穩(wěn)定的性能來(lái)保證使用壽命，這就需要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)工作。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要認(rèn)真做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，對(duì)相關(guān)構(gòu)件按照要求開展維護(hù)工作，盡量避免壽命期限內(nèi)出現(xiàn)大修的現(xiàn)象，并按照《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)設(shè)計(jì)其工作壽命，根據(jù)相關(guān)業(yè)主的要求，其結(jié)構(gòu)的工作壽命應(yīng)該保持在50年，但其中部分構(gòu)件的壽命應(yīng)該具有100年以上的使用壽命，對(duì)于不重要的構(gòu)件可以適當(dāng)縮短其壽命，但通常情況下不得少于25年。在工作壽命設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該認(rèn)真做好以下的工作：①在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該最大限度提升結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，從而有效提升抵抗侵蝕的能力。②對(duì)于各種輔助性的設(shè)施，如排水設(shè)施、支撐和接頭等，應(yīng)該能夠做到對(duì)這些部件及時(shí)進(jìn)行更換。③對(duì)于各種有特殊要求的防護(hù)措施，從而保證重要結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)的壽命保證。④保證其結(jié)構(gòu)性壽命可以在不需要頻繁維護(hù)下，可以得到基本的保障。⑤為了提升結(jié)構(gòu)使用效果，可以采用不同耐久性措施，同時(shí)，使用的措施在前面的損壞之后，可由另外一個(gè)來(lái)進(jìn)行替換。⑥在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該保持一定的檢查、檢修口，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在預(yù)期壽命內(nèi)更加及時(shí)地開展檢查和維護(hù)工作。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于暴露的混凝土結(jié)構(gòu)其在與環(huán)境相互作用過(guò)程中，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)形式造成較為嚴(yán)重的影像，發(fā)生結(jié)構(gòu)退化的敏感度會(huì)不斷增加，嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命，結(jié)構(gòu)后期維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較多。此外，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的老化問(wèn)題，也會(huì)在一定程度上增加退化的可能性。為了有效避免該問(wèn)題的出現(xiàn)，就需要認(rèn)真做好暴露結(jié)構(gòu)形狀、類型和接縫澆筑、施工縫、連接選擇工作，從而避免腐蝕區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重危險(xiǎn)集中問(wèn)題，避免過(guò)多的腐蝕性液態(tài)物質(zhì)以擴(kuò)散形式進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，從而對(duì)混凝土造成嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，需要認(rèn)真做好混凝土表面的排水工作，并注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①應(yīng)該避免在接縫和止水帶上直接進(jìn)行排水，將承受潮濕、濺水、積水的面積努力降到最低。②對(duì)于建筑的立面應(yīng)該采取必要的排水措施，如果方便應(yīng)該進(jìn)行清洗。③合理在結(jié)構(gòu)中設(shè)置必要的孔洞，讓其起到排水和通風(fēng)的作用。④應(yīng)該采取必要的預(yù)應(yīng)力管道灌漿，并對(duì)預(yù)應(yīng)力錨筋區(qū)域采取必要的保護(hù)措施。⑤應(yīng)該避免在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫，否則不僅對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成嚴(yán)重的影響，甚至?xí)斐筛g介質(zhì)入侵現(xiàn)象的發(fā)生。⑥對(duì)于那些腐蝕破壞比較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行更換處理[2]。

2.3 合理選擇混凝土材料和保護(hù)層厚度

為了提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)該最大限度保證混凝土的低滲透性，并在配置混凝土過(guò)程中，保證拌和物的均勻性和穩(wěn)定性，從而保證混凝土的密實(shí)性、界面結(jié)構(gòu)、尺寸穩(wěn)定性，避免由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫問(wèn)題的發(fā)生。將混凝土干縮現(xiàn)象力爭(zhēng)降到最低，保證混凝土當(dāng)中的C3S和C3A含量在合理的區(qū)間范圍，避免混凝土當(dāng)中出現(xiàn)氫氧化鈣和水化鋁酸鈣過(guò)多現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少液態(tài)物質(zhì)當(dāng)中的鹽分對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，并對(duì)混凝土集配合理進(jìn)行選擇。在含有氯離子的條件下，應(yīng)該盡量選擇狀態(tài)良好的骨料，并合理使用外加劑，最大限度避免離析和泌水現(xiàn)象的發(fā)生，降低混凝土的滲透性，通過(guò)對(duì)粉煤灰合理進(jìn)行使用，可以起到減水、增漿、分散、活化的作用，保證混凝土的耐久性。大量工程實(shí)踐表明，通過(guò)合理對(duì)粉煤灰進(jìn)行使用，可以有效提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，并能夠在一定程度上提升對(duì)氯離子的滲透阻力。對(duì)于鋼筋保護(hù)層厚度，其不應(yīng)該小于鋼筋的直徑，并滿足《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》的基本要求。根據(jù)海港鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，對(duì)于設(shè)計(jì)工作壽命超過(guò)100年的結(jié)構(gòu)，需要適當(dāng)增加混凝土的防護(hù)厚度。

2.4 細(xì)部構(gòu)造

在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)布筋過(guò)程中，應(yīng)該最大程度保證操作的可行性，通過(guò)采用三向鋼筋籠的形式，從而保證混凝土的整體堅(jiān)固性，并對(duì)暴露結(jié)構(gòu)中的施工縫合理進(jìn)行選擇，暴露結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足環(huán)境應(yīng)用要求，避免縫位置處出現(xiàn)過(guò)大的水平應(yīng)力和變異，合理有效控制混凝土接縫積水現(xiàn)象，對(duì)于構(gòu)件的薄弱區(qū)域，應(yīng)該盡量避開干濕交替位置和浪濺區(qū)。

2.5 裂縫的控制

對(duì)于海洋海岸環(huán)境中使用的預(yù)應(yīng)力混凝土，應(yīng)該保證其在整個(gè)使用壽命內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的局部鈍化問(wèn)題，混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力在合理的區(qū)間范圍。

3 其他的一些防腐措施

3.1 對(duì)鋼筋涂刷環(huán)氧層

為了有效提升鋼筋的防腐性能，可以在鋼筋表層涂覆一層環(huán)氧涂層，該技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，在各種工程中應(yīng)用越來(lái)越普遍。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，鋼筋在涂刷環(huán)氧涂層之后，其使用壽命會(huì)延長(zhǎng)20年左右。當(dāng)前，該技術(shù)在各國(guó)已經(jīng)得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用，并已經(jīng)成功制定了相關(guān)的涂層鋼筋規(guī)范。為了有效提升濱海環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕形式，可以對(duì)鋼筋采用該技術(shù)，其會(huì)在很大程度上提升鋼筋混凝土的使用壽命[3]。

3.2 阻銹劑

使用符合環(huán)境保護(hù)要求的滲入型的阻銹劑。該型阻銹劑屬于一種低滲透性的低黏度液體，可以直接涂刷在混凝土表面，并通過(guò)毛細(xì)孔表面張力作用，從而有效吸入到混凝土表層，并沉積在鋼筋表明，從而形成保護(hù)薄膜，并能夠?qū)摻畋砻娴穆入x子置換出來(lái)，讓鋼筋發(fā)生鈍化反應(yīng)。通過(guò)將該阻銹劑涂刷在鋼筋表明，可以有效提升鋼筋的抗腐蝕性能。

3.3 陰極保護(hù)以及電化學(xué)處理

陰極保護(hù)屬于一種電化學(xué)保護(hù)措施，其在各種管道工程中的應(yīng)用最為普遍。我國(guó)很多濱海區(qū)域的浪濺板都采用了該防護(hù)措施。通過(guò)該防護(hù)措施的應(yīng)用，其憑借原電池原理來(lái)對(duì)混凝土當(dāng)中的鋼筋進(jìn)行防護(hù)。大量實(shí)踐證明，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于防止局部修補(bǔ)后的腐蝕問(wèn)題非常有效。

3.4 纖維加勁塑料

其通過(guò)將纖維包裹在樹脂母體上，從而形成一種復(fù)合材料，其主要分為玻璃纖維加勁塑料、芳綸纖維加勁塑料和碳纖維加勁塑料。FRP是從20世紀(jì)40年代開始發(fā)展起來(lái)的一種新材料，其具有使用強(qiáng)度高、重量輕、耐疲勞能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于價(jià)格相對(duì)較高，在工程中的應(yīng)用還不夠普遍，但最近幾年在混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)中的應(yīng)用越來(lái)越多，其憑借施工簡(jiǎn)單、使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取得了非常大的發(fā)展。其在修補(bǔ)加固工程中的應(yīng)用可以分為兩類，其分別是噴射纖維加勁材料以及將纖維加勁布粘貼到結(jié)構(gòu)表面上，從而起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密封性的作用[4]。

3.5 漿膜內(nèi)襯技術(shù)

利用漿膜內(nèi)襯技術(shù)將多點(diǎn)錨固PE板與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于為混凝土結(jié)構(gòu)加裝一層防護(hù)層的同時(shí)，因?yàn)樽⑷氲氖撬嗌皾{，這些漿液也會(huì)把混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的地方全部密封。這種方法是使結(jié)構(gòu)、防護(hù)雙雙達(dá)到目的。在加裝完之后，混凝土結(jié)構(gòu)還能夠獲得防腐、防水、防滲的作用，同時(shí)因?yàn)槎帱c(diǎn)錨固PE板的斷裂伸長(zhǎng)率與拉伸率都非常的出色，也不會(huì)輕易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象；再加上特殊的錨固結(jié)構(gòu)使得每平方米產(chǎn)生420kN的拉拔力，亦能夠保證安裝完之后的多點(diǎn)錨固PE板不會(huì)輕易出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。而接口處也會(huì)利用焊機(jī)完美地把板與板直接完全密封，形成一個(gè)美觀、平整、密封的整體，可以說(shuō)多點(diǎn)錨固PE板擁有著其他材料無(wú)法媲美的優(yōu)勢(shì)，是混凝土結(jié)構(gòu)防滲的最佳材料。

3.6 碳化

為了提升混凝土的抗腐蝕能力，可以讓混凝土當(dāng)中的氫氧化鈣與空氣當(dāng)中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，從而生成碳酸鈣。由于混凝土當(dāng)中存在氫氧化鈣，其可以讓混凝土保持堿性，從而有利于鋼筋發(fā)生鈍化作用。在碳化鋒面到達(dá)鋼筋時(shí)，通過(guò)碳化讓被C-S-H膠體黏結(jié)的氯離子周圍形成活動(dòng)的氯離子，讓其中的鋼筋容易發(fā)生腐蝕作用。碳化作用對(duì)混凝土也可以起到有益的作用。在密實(shí)的混凝土中，如果碳化深度在一定范圍，其碳化生成的硅、鋁和氧化鐵骨架就會(huì)被碳酸鈣填充，不僅可以提升混凝土強(qiáng)度，還可以降低混凝土的滲透性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，對(duì)濱海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能，提出了更高的要求。針對(duì)濱海環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)抗腐蝕能力不強(qiáng)的問(wèn)題，應(yīng)該引起足夠的重視，科學(xué)分析問(wèn)題發(fā)生的原因，然后及時(shí)采取必要的措施，認(rèn)真做好混凝土結(jié)構(gòu)抗腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)工作。