海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學性能研究進展

程定波 王乾峰

（1.湖北交投產城控股集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

0 前言

隨著我國經濟實力的快速發(fā)展，我國的綜合競爭力也有了巨大的提升，為了進一步尋求發(fā)展空間，國家的發(fā)展眼光已經從原來的中東部地區(qū)，逐漸擴展至我國東南地區(qū)廣大的海洋之中。但是，相較于陸地，海洋的自然環(huán)境更加惡劣，氯鹽和硫酸鹽等介質對鋼筋混凝土結構的侵蝕性更為顯著，導致其工程結構更加不穩(wěn)定。從目前來看，鋼筋混凝土結構是當前主流的建筑結構形式，主要用于廠房建設、橋梁、港口碼頭與各種水上結構之中。隨著這一建筑結構形式的應用規(guī)模日漸擴大，其受到自然環(huán)境的腐蝕侵蝕效應也愈發(fā)普遍，鋼筋混凝土的耐久性和安全性受到影響，成為當前工程界頗為關注的問題。

據當前相關機構的調查數(shù)據，鋼筋混凝土在海洋環(huán)境下，僅使用約15 年左右，便出現(xiàn)大范圍的銹蝕、開裂等問題。專家認為，海水中的氯離子、硫酸根離子等腐蝕性物質侵入鋼筋混凝土內部，與水泥化產物發(fā)生化學作用，繼而產生膨脹性的物質，致使鋼筋混凝土內部空隙增加，出現(xiàn)裂紋、開裂、剝落等問題，這是海洋環(huán)境中最為主要的化學性侵蝕。由此來看，如何攻克氯鹽和硫酸鹽等侵蝕介質影響混凝土力學性能的難題，是解決這一問題的主要手段。

基于此，本文擬總結海洋環(huán)境中氯鹽、硫酸鹽侵蝕下的混凝土材料的劣化機理，介紹侵蝕介質下混凝土力學性能試驗的現(xiàn)狀，并對當前腐蝕混凝土研究中存在的問題，及未來發(fā)展的方向兼做探討。

1 混凝土的劣化機理

首先，就混凝土材料本身來說，微孔和微裂紋是混凝土材料不可避免的現(xiàn)實問題。而在氯鹽環(huán)境中，氯離子可以穿透混凝土，一方面，它與Ca（OH）2相互作用生成CaCl2，這使混凝土的內部結構松弛；此外，氯離子與水泥的水合產物容易出現(xiàn)化學反應，并進行物理結晶，生成較原始材料數(shù)倍膨脹的物質，而伴隨著氯離子等侵蝕介質發(fā)生作用的時間增加，膨脹產物的數(shù)量也會逐漸增加，一旦混凝土孔隙內的膨脹應力大于其本身的抗張強度時，新的微裂紋就會出現(xiàn)，從而降低混凝土材料的耐久性和力學性能。

2 海洋環(huán)境下混凝土力學性能問題簡述

在海洋環(huán)境中，鋼筋混凝土結構會受到來自海水和海洋大氣的物理化學雙重作用，以及來自波浪和飄浮固體的沖擊和磨損。這其中，最突出的是鋼筋受到氯化物的影響出現(xiàn)腐蝕。這樣來看，處在海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結構處在與普通大氣環(huán)境中迥然不同的腐蝕機理之中，其受到腐蝕的程度大大加深，對此，需要進一步具體參考海洋環(huán)境加以研究。

一般來說，海洋的腐蝕環(huán)境分為五個區(qū)域，它們分別是：海洋大氣帶，海水噴濺帶，潮汐帶，海水浸沒帶和海底泥漿帶。這其中，海水噴濺帶由于處于與大氣接觸的位置，供養(yǎng)充足，潮汐區(qū)域由于潮汐波動以及交替變化的干、濕度，對混凝土結構的腐蝕最嚴重。對于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結構，可以通過長期的自然環(huán)境暴露測試或通過實驗室加速分析以及海洋自然環(huán)境的長期暴露測試結果來研究其力學性能衰減模型，并且以之提供該結構剩余使用壽命的預測。

因此，就上述分析來看，海洋腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結構的力學性能研究應當包括以下方面：

（1）銹蝕部件的抗彎曲性：部件的彎曲能力隨腐蝕程度和時間而變化，包括部件在海洋腐蝕環(huán)境中的損壞方式，鋼筋腐蝕后的機械性能變化等等。

（2）銹蝕構件的抗剪強度：通常，混凝土零件的箍筋在豎筋的外部，其保護層的厚度小于豎筋的厚度，因此箍筋總是首先腐蝕。箍筋腐蝕不僅直接影響混凝土零件的抗剪強度，而且不能有效地控制混凝土，這也間接影響承壓構件的承載能力和延展性。

（3）鋼筋與混凝土之間的粘結性能：鋼筋混凝土的腐蝕并非均勻腐蝕，而是呈現(xiàn)局部嚴重、局部輕微的表現(xiàn)形態(tài)，這就導致鋼和混凝土之間的粘結強度不同于均勻腐蝕下的粘結強度，對此人們無法憑直覺判斷它是好是壞，有必要通過實驗研究它。

（4）結構動力性能研究：包括在海洋腐蝕環(huán)境中部件疲勞性能和抗震性能的變化。腐蝕改變了鋼筋的表面條件、橫截面尺寸以及鋼筋與混凝土之間的結合力。特別腐蝕加劇了應力集中現(xiàn)象，并且加劇了對鋼筋混凝土結構動力性能的不利影響。

3 混凝土力學性能試驗現(xiàn)狀

為了深入明確海洋環(huán)境中氯鹽侵蝕介質下對混凝土力學性能的影響，有必要開展精細的試驗工作。但是，就目前來看，這一類試驗受到各種因素的影響，試驗數(shù)量還很不足。此外，受制于不同專家學者在試驗環(huán)境、材料、侵蝕手段等方面的差異，僅有的一些試驗因為未實現(xiàn)標準的一致性，致使其得到的試驗結果亦多有出入，很難從這些復雜的數(shù)據基礎上總結出相對完善的試驗體系。

雖然存在著上述問題，但目前可見的試驗，還是提供了一些參考。據這些試驗數(shù)據，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著氯鹽侵蝕介質作用混凝土時間越長，混凝土的力學性能經歷了一個先增大、后衰減的過程。

總體而言，我們目前現(xiàn)有的試驗手段，還未能實現(xiàn)從根本上解釋清楚海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學性能衰減的內在理路。而為了進一步探究這一問題，找尋腐蝕混凝土力學性能的本質規(guī)律，還需要使用多種不同方法對其進行更為科學細致的研究。

4 現(xiàn)有問題與未來的展望

近一段時間以來，關于海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學性能的研究大量出現(xiàn)，取得了較為突出的成果，但是這些研究往往停留在試驗階段，怎樣更為真實地解釋提供混凝土受腐蝕過程與力學性能變化之間的聯(lián)系，為實際工程領域提供理論支持，是未來需要進一步大力著手的工作。對此，筆者認為可以從以下三個角度加以考慮：

（1）為了進一步減少混凝土受到腐蝕的時間，加快混凝土的損傷劣化效率，在試驗中往往采用加大侵蝕介質濃度的方法，以加快試驗進程。但是，這種措施很容易對混凝土自身的劣化機理產生干擾，造成數(shù)據的錯誤。因此，除了這種試驗方式外，科研人員還需要進行大量的非加速試驗的成果作為數(shù)據支撐。

（2）處在海洋環(huán)境中的混凝土，會同時受多種離子的耦合影響，因此需要探討多種離子同時作用混凝土時的侵蝕性問題。

（3）最后，在海洋環(huán)境中混凝土力學性能受侵蝕介質影響而降低，其本身即物理—化學—力學耦合的復雜過程。對此，科研人員要將腐蝕試驗與力學試驗相結合，并在其后構建起一個本構模型，并使用多角度的手段進行混凝土材料的力學性能研究，以解釋不同程度下混凝土材料受侵蝕影響的結果。