海工混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理與防腐措施

林永慶

摘 要：海工混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕性破壞的情況，大多因?yàn)楹Ｋh(huán)境的影響，即海水氯離子滲透于混凝土鋼筋的表面，導(dǎo)致其鈍化膜保護(hù)作用喪失，出現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜的電化學(xué)腐蝕情況。因此，為了有效減少和預(yù)防海水腐蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響，該文探討海工混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理與相應(yīng)的防腐措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：海工混凝土結(jié)構(gòu) 腐蝕機(jī)理 防腐措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.7+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0088-03

當(dāng)前，我國(guó)的海工建設(shè)正處于快速發(fā)展的重要階段，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為使用最廣的構(gòu)筑材料結(jié)構(gòu)，在我國(guó)海洋規(guī)模迅速擴(kuò)大，海港工程日益增多之際，其構(gòu)筑的穩(wěn)定安全性也得到了越來(lái)越多人的關(guān)注?？v觀我國(guó)當(dāng)前的海港設(shè)施建設(shè)，很多陳舊的構(gòu)筑已經(jīng)被海水腐蝕化，對(duì)設(shè)施安全性造成極大的威脅。

1 海工混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理

1.1 混凝土腐蝕破壞及腐蝕現(xiàn)狀分析

混凝土的腐蝕破壞表現(xiàn)在環(huán)境作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)作用，導(dǎo)致混凝土的耐久性與力學(xué)性明顯下降?；炷粮g破壞直接導(dǎo)致其內(nèi)部的鋼筋出現(xiàn)腐蝕情況，且對(duì)應(yīng)的銹脹力達(dá)到30 MPa使其開(kāi)裂，嚴(yán)重威脅使用性能及安全性。有國(guó)外的研究資料顯示[1]，英國(guó)當(dāng)前的混凝土橋梁中有近40%的橋梁都因?yàn)楦g需修復(fù)。而在美國(guó)當(dāng)前的近60萬(wàn)的橋梁中，有超過(guò)一半的橋梁都出現(xiàn)了鋼筋腐蝕破壞的情況。我國(guó)當(dāng)前也有很多的橋梁受到損害，且危橋數(shù)量基數(shù)不小，因?yàn)槠浠炷两Y(jié)構(gòu)的腐蝕問(wèn)題導(dǎo)致的損失超過(guò)幾十億。

1.2 跨海橋梁混凝土腐蝕機(jī)理研究

如圖1所示，在海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期暴露區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)、水下區(qū)等不同部位受到侵蝕，都會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕。在海洋環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁工程受到腐蝕的原因主要有以下幾點(diǎn)，鎂鹽侵蝕、碳化侵蝕、鋼筋銹蝕、酸性氣體侵蝕、硫酸鹽侵蝕等，其中比較常見(jiàn)的侵蝕性原因是鋼筋銹蝕，在這種腐蝕作用下更容易造成損壞且程度較為嚴(yán)重。其機(jī)理可以以化學(xué)式Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O，碳化結(jié)果后pH值低于9，而這個(gè)數(shù)值則比保持鋼筋鈍化的最低pH值9.5更低，因此會(huì)出現(xiàn)混凝土的中性化，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕。而鹽類(lèi)侵蝕作用發(fā)生的機(jī)理為：3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→

3CaO·Al2O33CaSO4·32H2O。這些年以來(lái)，伴隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，我國(guó)很多地區(qū)出現(xiàn)酸雨情況，酸雨對(duì)鋼筋混凝土產(chǎn)生的危害比碳化更明顯[2]。通過(guò)鹽類(lèi)侵蝕導(dǎo)致混凝土體積發(fā)生膨脹和破壞，更難以修補(bǔ)。鋼筋銹蝕作用發(fā)生的機(jī)理，主要是因?yàn)槁入x子的侵蝕導(dǎo)致。有研究資料顯示，即便混凝土碳化的深度較低，但如果氯離子的含量較高，那么對(duì)應(yīng)的鋼筋也很容易被腐蝕。這與氯離子半徑小、活性大以及具有較強(qiáng)穿透力有關(guān)。如果鋼筋周邊的混凝土孔隙液中氯離子濃度達(dá)到一定值，那么氯離子吸附于膜結(jié)構(gòu)存在缺陷支出，就會(huì)導(dǎo)致本身難以溶解的氫氧化鐵轉(zhuǎn)變成為容易溶解的FeCl2，于是鋼筋表面的鈍化膜局部發(fā)生破壞，出現(xiàn)坑蝕，在這個(gè)過(guò)程中主要反應(yīng)化學(xué)式為Fe→Fe2-+2eFe2-+2Cl+4H2O→FeCl2·4H2O，F(xiàn)eCl2·4H2O→Fe（OH）2↓+2Cl+2H+2H2O，4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。由上式可以看出，在鋼筋產(chǎn)生銹蝕的同時(shí)，氯離子通常不會(huì)對(duì)銹蝕產(chǎn)生的過(guò)程發(fā)生改變，并且混凝土本身的含量也不會(huì)由于腐蝕作用而減少，只是單純的催化作用。氯離子導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生銹蝕屬于一種比較復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，通常情況下氯離子首先在很小的區(qū)域鋼筋表面中將鈍化膜破壞，出現(xiàn)小陽(yáng)極并與大部分表面鈍化膜完好的鋼筋形成腐蝕電偶，這種坑蝕發(fā)展進(jìn)程快速，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)膨脹。在鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，從理論上看鐵銹的物質(zhì)體積表現(xiàn)為原有鋼材體積的2倍以上，如果所處的環(huán)境存在缺氧，則為原有體積的2倍左右。裂縫出現(xiàn)的擴(kuò)張以及混凝土保護(hù)層出現(xiàn)剝離，都將對(duì)鋼筋混凝土本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，大大減弱鋼筋性能[3]。

由此可見(jiàn)，要確定海工混凝土結(jié)構(gòu)得到安全穩(wěn)定的使用，就必須保證在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的工作中確保氯離子滲透不進(jìn)入鋼筋的表面并積極采取各種有效的防腐措施。

2 海工混凝土結(jié)構(gòu)的有效防腐措施分析

當(dāng)前在我國(guó)海工混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)防腐蝕措施中，普遍采用的方法有以下幾點(diǎn)：（1）結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)、形式、布置以及構(gòu)造進(jìn)行合理選擇，預(yù)防由于結(jié)構(gòu)等原因?qū)е落P蝕通道的情況發(fā)生；（2）盡可能選擇具有良好抗?jié)B性與抗腐蝕性的混凝土，從而改善工作的性能；（3）以環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)，合理增加混凝土保護(hù)層的厚度；（4）優(yōu)化施工工藝，提高技術(shù)水平；（5）采用其他的輔助措施[4]。

首先是結(jié)構(gòu)方面的措施，這是預(yù)防腐蝕最基礎(chǔ)的方式，工作人員可以盡量選擇跨度較大的橋梁進(jìn)行布置，從而減少橋梁和海水接觸或是被浪花飛濺的范圍；還要合理選擇結(jié)構(gòu)形式，確保構(gòu)件的截面形狀平順簡(jiǎn)單，盡可能避免出現(xiàn)棱角，也要預(yù)防應(yīng)力的集中，減少出現(xiàn)混凝土表面裂縫。在浪濺區(qū)的范圍內(nèi)，要將混凝土的裂縫寬度控制在0.1 mm以內(nèi)；針對(duì)支座與預(yù)應(yīng)力錨固等有可能會(huì)出現(xiàn)集中應(yīng)力的位置，采用有效措施預(yù)防混凝土的受拉；要強(qiáng)化檢修與維修，要求相關(guān)工作人員及時(shí)對(duì)混凝土的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)與修補(bǔ)并考慮構(gòu)件是否需要更換的情況。

其次要改善混凝土性能，重點(diǎn)在于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，所以要盡量選用優(yōu)質(zhì)的混凝土進(jìn)行施工。通常情況下工作人員會(huì)選擇抗?jié)B性更好、密實(shí)度更高的高性能混凝土，如果使用普通混凝土，那么就要注重水灰比的具體情況，注意浪濺區(qū)的混凝土水灰比最大值在0.4～0.5之間。針對(duì)混凝土抗裂與抗氯離子侵蝕性就可以以膠凝材料摻和比例調(diào)整的方式改變。采用大比例摻粉煤灰或磨細(xì)礦渣粉都能夠降低膠凝材料在早期與后期的水化熱，而采用含有水泥、粉煤灰以及磨細(xì)礦渣粉的膠凝材料配置而成的混凝土，就能保證混凝土抗裂性能的改善。另外是降低水化熱，選擇中熱水泥比選擇硅酸鹽水泥更好，通過(guò)對(duì)中熱水泥的使用，確定0.3～0.4的水膠比，并摻入55%的磨細(xì)礦渣粉與15%的粉煤灰，就能配置具有滿足橋梁混凝土設(shè)計(jì)要求的高強(qiáng)度等級(jí)混凝土。大量研究顯示，改善混凝土性能措施以及采用高性能混凝土都具有有效的抗腐蝕效果，且有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[5]。

再次是合理增加鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度，這是預(yù)防鋼筋腐蝕的重要屏障。與陸地的混凝土保護(hù)層厚度相比，海工混凝土保護(hù)層更大，同時(shí)再適當(dāng)增加其厚度對(duì)耐久性壽命的延長(zhǎng)有很大的促進(jìn)作用。但與此同時(shí)也要注意，保護(hù)層的厚度也不能太大，要注意混凝土材料本身的脆性以及可能出現(xiàn)開(kāi)裂等情況。針對(duì)浪濺區(qū)或潮差區(qū)，要確?；炷龄摻畋Ｗo(hù)層厚度超過(guò)8 cm，而在大氣區(qū)，保護(hù)層厚應(yīng)超過(guò)5 cm。

最后還包括施工的注意事項(xiàng)，比如在表面進(jìn)行涂層保護(hù)，通過(guò)隔絕腐蝕性介質(zhì)和混凝土的直接接觸，延緩混凝土中鋼筋腐蝕的速度。但是涂層通常情況下很容易老化且保護(hù)作用的使用年限也有限，所以針對(duì)高性能的混凝土就要測(cè)定抗氯離子的滲透性來(lái)提高性能。還有使用環(huán)氧涂層實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的保護(hù)，要求工作人員在普通鋼筋的表面靜電噴涂一層環(huán)氧樹(shù)脂薄膜，以此來(lái)提高鋼筋的防腐蝕性能，這種方法能夠有效預(yù)防鋼筋銹蝕。要保證厚度在180～300 μm范圍內(nèi)，才能適合在浪濺區(qū)與潮差區(qū)。環(huán)氧涂層鋼筋的防腐性能很好，同時(shí)具備節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，因此受到越來(lái)越多人的重視。但要注意的是必須將涂層涂完整，一旦出現(xiàn)破損或存在孔洞的情況，那么環(huán)氧涂層的防護(hù)效果就會(huì)大打折扣，另外，還要注意環(huán)氧涂層鋼筋和混凝土粘結(jié)力相對(duì)較差，使用過(guò)程中要注意消除涂層的缺陷。還有就是在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑，也能有效阻止或延緩氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕作用。在選擇阻銹劑產(chǎn)品時(shí)，種類(lèi)選擇包含摻入型與遷移型兩種，當(dāng)前摻入型使用更為廣泛，且應(yīng)用前景廣闊。有大量的實(shí)踐研究證實(shí)，如果鋼筋表面或附件存在的阻銹劑含量超過(guò)一定濃度，那么抑制氯子侵蝕的能力就更明顯，而在阻銹劑不斷消耗的過(guò)程中，其保護(hù)的效果也會(huì)明顯降低。此外，如果混凝土由于收縮或是受到外力影響而出現(xiàn)開(kāi)裂或內(nèi)部鋼筋與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生了直接的接觸，那么阻銹劑也失去其保護(hù)作用。通常情況下，越密實(shí)的混凝土就具備越好的阻銹劑阻銹效果，所以可將其與其他防腐措施結(jié)合應(yīng)用。

3 海工混凝土結(jié)構(gòu)防腐措施的實(shí)例分析

比如上海的東海大橋，上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支變連續(xù)多跨截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)則是1 500 mm直徑的鋼管樁，以總體結(jié)構(gòu)為防腐的基礎(chǔ)，該工程主要采用了以下措施進(jìn)行防腐：（1）在陸上段，主要采用摻粉煤灰與磨細(xì)礦渣粉Ⅰ型改性混凝土，將保護(hù)層的厚度控制超過(guò)3 cm，裂縫寬度控制小于0.1 mm；（2）針對(duì)鋼管樁主要采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法，同時(shí)增加鋼管樁鋼板腐蝕的3 mm厚度，其潮差區(qū)的部分采用環(huán)氧重防腐措施；（3）在浪濺區(qū)和潮差區(qū)的位置采用摻粉煤灰、硅粉以及磨細(xì)礦渣粉的Ⅱ級(jí)改性混凝土，將混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度控制在超過(guò)8 cm，而混凝土裂縫寬度控制不超過(guò)0.1 mm；（4）在大氣區(qū)的部位主要采用摻粉煤灰、硅粉與磨細(xì)礦渣粉的Ⅱ級(jí)改性混凝土，并將混凝土鋼筋保護(hù)層厚度控制在超過(guò)5 cm，控制混凝土裂縫的寬度不超過(guò)0.1 mm。上海東海大橋運(yùn)行使用5年以后進(jìn)行后期的檢驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，海工混凝土結(jié)構(gòu)抗腐蝕性等作用效果良好[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在海工混凝土結(jié)構(gòu)的跨海橋梁中，使用混凝土的鋼筋銹蝕問(wèn)題應(yīng)該引起人們的關(guān)注，由于其結(jié)構(gòu)受到腐蝕以后很容易導(dǎo)致?lián)p壞，影響結(jié)構(gòu)的安全性，因此筆者建議相關(guān)工作人員在進(jìn)入到橋梁結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計(jì)的階段就根據(jù)侵蝕破壞的各種因素以及實(shí)際構(gòu)建環(huán)境的影響做出準(zhǔn)確的預(yù)估，根據(jù)具體情況選擇并執(zhí)行有效的防腐措施，才能真正保障海工混凝土結(jié)構(gòu)以及橋梁混凝土避免遭受到外界的侵蝕與破壞，從而確保橋梁得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的保障和安全的維護(hù)。該文根據(jù)筆者多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究已經(jīng)遭受腐蝕破壞的混凝土結(jié)構(gòu)情況，分析海工混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理，結(jié)合各參考文獻(xiàn)提出防腐加固的有效處理方法，從而為當(dāng)前的海上橋梁建設(shè)提出有效方案，一定程度上延長(zhǎng)使用壽命。

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