海洋環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁耐久性研究

張俊杰

(湛江市交通投資集團(tuán)有限公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

鋼筋混凝土是鋼筋與混凝土的復(fù)合材料，它具有性價(jià)比高，環(huán)境耐受力高的特點(diǎn)，因此被大量運(yùn)用在工程建設(shè)中，建造各種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施。海洋環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施必須長(zhǎng)期處在海風(fēng)和海水的惡劣環(huán)境下，因此對(duì)混凝土的耐久性要求極高，但是嚴(yán)酷的外界環(huán)境會(huì)侵蝕材料，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)遭到腐蝕而快速破壞，如此設(shè)施的使用年限會(huì)大大縮短。因此必須采取有效的措施提高鋼筋混凝土的耐久性，才能更好地進(jìn)行海洋工程建設(shè)，合理開(kāi)發(fā)利用海洋資源。

1 海洋環(huán)境中鋼筋混凝土的腐蝕破壞機(jī)理

1.1 海洋環(huán)境的特征

1.2 鋼筋混凝土的腐蝕破壞機(jī)理

(1)鋼筋銹蝕

建筑物中的鋼筋被銹蝕，會(huì)導(dǎo)致其截面有效面積減少或體積膨脹，外層混凝土?xí)虼碎_(kāi)裂與其斷開(kāi)粘接，隨著銹蝕加劇，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大下降因此遭受破壞。海洋環(huán)境下的銹蝕不同于大氣中CO2氣體破壞鈍化膜，主要是其中的氯離子侵蝕，氯離子在這種環(huán)境下的濃度比其他環(huán)境大的很多，即便有足夠厚的鋼筋保護(hù)層厚度，鋼筋也避免不了被穿透能力很強(qiáng)的氯離子腐蝕，尤其是濃度達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)滲入并破壞的鈍化膜，與鐵離子發(fā)生反應(yīng)，加速鋼筋的銹蝕致使混凝土脹裂，因此必須控制好防護(hù)措施，否則會(huì)加劇鋼筋的腐蝕。

(2)混凝土的凍害

寒冷的海洋中的海水溫度比較低，因此混凝土?xí)r刻存在凍害的風(fēng)險(xiǎn)，浪濺區(qū)和潮差區(qū)的混凝土因?yàn)榉捶磸?fù)復(fù)凍融，冰鹽會(huì)因此剝蝕破壞混凝土材料。海洋寒冷的環(huán)境讓混凝土結(jié)冰，如此孔隙中的鹽含量會(huì)增多到大于周?chē)h(huán)境中的鹽濃度，從而形成滲透壓強(qiáng)，增加的壓力加劇了混凝土的破壞，此外鹽析作用會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷水，使得混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔結(jié)冰并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力?；炷羶?nèi)外的鹽濃度高差在受凍時(shí)產(chǎn)生壓力差，這些情況都會(huì)使混凝土遭破壞并層層剝離。海水中的NaCl與水泥漿中的Ca(OH)2反應(yīng)，會(huì)有Ca(OH)2濾出，繼而增加混凝土接觸面的空隙，加劇侵蝕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(3)混凝土的腐蝕

海洋環(huán)境中，混凝土更容易受到腐蝕，第一種為氯鹽的腐蝕，主要是其中的NaCl會(huì)加速混凝土中的活性骨料的反應(yīng)速度，從而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)；第二種為海水中鎂鹽、硫酸鹽的侵蝕破壞，它們會(huì)與混凝土水泥石中的Ca(OH)2產(chǎn)生反應(yīng)，生成氫氧化鎂、鈣礬石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O和硅酸鎂水化物4 mgO·Si2O·8H2O等物質(zhì)。這些反應(yīng)導(dǎo)致水泥漿體的結(jié)構(gòu)松軟、混凝土膨脹并強(qiáng)度下降；第三種為堿-骨料反應(yīng)，就是海水中的堿性物質(zhì)進(jìn)入混凝土空隙，與其中的活性礦物質(zhì)集料中的一些物質(zhì)反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生堿性的凝膠體，這些物質(zhì)吸水膨脹變大最終導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂；第四種為混凝土的碳化作用，如果混凝土堿性較高，也在海水中形成的溶液中(OH-)也較多，海水中存在大量的Cl-，一旦滲入混凝土孔隙中，會(huì)與未水化C3A反應(yīng)生成復(fù)鹽，產(chǎn)生大量OH-離子，使碳化反應(yīng)繼續(xù)加劇。

2 提高海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的方法

2.1 采用高性能混凝土

制備高性能的混凝土，可以在混凝土內(nèi)加入微細(xì)粉，比如微硅粉、煤灰粉、磨細(xì)礦渣粉等等，主要原理在于提高混凝土的電阻率，這樣可以很好的抵抗外界的氯離子，如此一來(lái)混凝土就不容易被銹蝕，性能也就更佳，從而足夠滿足結(jié)構(gòu)物耐久性要求，延長(zhǎng)工程的壽命周期。同時(shí)選用高效減水劑、優(yōu)質(zhì)的水泥、粗細(xì)集料和采用水泥裹砂混凝土攪拌工藝也是配高性能混凝土不可缺少的要素，有助于提高混凝土耐久性。高性能混凝土水膠比不宜大于0.38，礦料微細(xì)粉不宜超過(guò)膠凝材料總量的30%，砂率宜為37%～44%。

2.2 針對(duì)鋼筋的保護(hù)

(1)電化學(xué)保護(hù)法

鋼筋的電化學(xué)保護(hù)方法，主要基于其金屬屬性，給鋼筋補(bǔ)充大量的電子使其電子過(guò)剩，從而達(dá)到鋼筋表面各處處于同一負(fù)電位的狀態(tài)，也叫做陰極保護(hù)方法，一般有外加電流和犧牲陽(yáng)極二種。第一種就是把鋼筋和直流電源的陰極接通，保持通電狀態(tài)來(lái)將鋼筋陰極化，采用這種電化學(xué)法主要局限在于預(yù)應(yīng)力和次應(yīng)力鋼筋的電流不利分布，反而會(huì)讓其產(chǎn)生氫脆危險(xiǎn)，如此陰極保護(hù)也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此外對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部有強(qiáng)堿性聚集反應(yīng)的，也不適用這種方法。這種方法在結(jié)構(gòu)物初期受氯離子侵蝕破壞中運(yùn)用有較高的性價(jià)比，公路、橋梁中的混凝土多用這種方法，來(lái)去除冰鹽。而犧牲陽(yáng)極的方法，主要是把鋼筋與電性呈現(xiàn)更負(fù)的材料連接，形成電位差，如此溶解陽(yáng)極材料從而保護(hù)鋼筋，這種方法安裝便利且維護(hù)管理簡(jiǎn)單，但提供的電流保護(hù)有限。

(2)采用鋼筋防護(hù)涂層

鋼筋涂層主要是一種表面防護(hù)方法，有金屬和非金屬兩種。金屬的涂層通常有鉻基鍍層和鍍鋅層兩種防護(hù)。非金屬涂層一般是用有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，通常以環(huán)氧涂層為主，其他的還有聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等。環(huán)氧涂層使鋼筋的表面比較平滑，但是缺點(diǎn)在于同時(shí)也降低了混凝土與鋼筋之間的握裹力，并且不可避免的出現(xiàn)涂層損傷，在容易腐蝕的環(huán)境下，本來(lái)就有缺陷的地方更會(huì)形成強(qiáng)陽(yáng)極而加快腐蝕。

(3)摻加鋼筋阻銹劑法

鋼筋阻銹劑的加入，可以鈍化鋼筋內(nèi)部材質(zhì)防止其生銹，從而保護(hù)鋼筋。阻銹劑一般有滲入式和摻入式兩類(lèi)，一般新的工程是在材料中摻入直接施工，而滲入式的則主要用在修復(fù)已有工程，通過(guò)混凝土表面的噴涂液體從而滲進(jìn)鋼筋表面，重新鈍化鋼筋，達(dá)到修復(fù)效果。這種方法在實(shí)際工程中運(yùn)用較多，可以很好地防止鋼筋在海水環(huán)境中的腐蝕，施工簡(jiǎn)單方便而且性價(jià)比較高。

2.3 針對(duì)混凝土的保護(hù)

(1)提高混凝土保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層可以有效防止鋼筋遭到海水環(huán)境中氯離子的侵蝕，因此必須保證其達(dá)到一定的厚度才能起到防護(hù)作用，才能阻止海水中的腐蝕物質(zhì)與鋼筋的表面直接接觸。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JTJ275-2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》做出了明確規(guī)定，海水環(huán)境下，鋼筋保護(hù)層的最小厚度為50 mm，預(yù)應(yīng)力鋼筋的最小厚度為75 mm，浪沖擊區(qū)域最小厚度則為90 mm。

(2)使用透水性模板

透水性模板的使用，也是保護(hù)混凝土的一種方法，一般施工方法為在模板的內(nèi)部貼上透水性布料，將混凝土和模板阻隔開(kāi)來(lái)，防止由于不透氣和不透水的問(wèn)題而造成混凝土表面的空隙變大，改善了混凝土表面質(zhì)量，缺點(diǎn)是混凝土外表面光澤可能比較暗。由于這種方法比較經(jīng)濟(jì)，因此在混凝土保護(hù)層有嚴(yán)格要求的施工中經(jīng)常被用到。

2.4 通過(guò)對(duì)混凝土表層處理進(jìn)行保護(hù)

(1)成膜防護(hù)涂料

混凝土表面的保護(hù)可以使用涂料，形成一定的外層保護(hù)膜。環(huán)氧涂料在海洋環(huán)境中使用最多，效果尤其突出。環(huán)氧涂料可以很好地防止氯鹽的腐蝕，改善混凝土的耐久性性能，因此可以運(yùn)用在橋梁和海港的工程建設(shè)中，但由于結(jié)構(gòu)物年限的增長(zhǎng)，涂層性能容易劣化而導(dǎo)致其防護(hù)效果下降。

(2)有機(jī)硅滲透性防護(hù)涂料

有機(jī)硅表面防護(hù)也是一種使用涂料來(lái)保護(hù)混凝土的方法，和其他類(lèi)型的防水材料不一樣，這種材料可以滲入到混凝土的表面并達(dá)到一定的深度，形成憎水層或把有缺陷的混凝土表面進(jìn)行封閉，大大阻止了水分和氯鹽的侵蝕。使用這種機(jī)理來(lái)保護(hù)混凝土，而不是單純地封堵細(xì)縫和孔，保證了原本的透氣性能和外觀。目前工程上運(yùn)用得最多的是有機(jī)硅烷和膏體硅烷。

2.5 加強(qiáng)施工過(guò)程質(zhì)量控制

混凝土材料的質(zhì)量及混凝土自身密實(shí)度對(duì)混凝土的耐久性起決定性因素。工程建設(shè)中，施工隊(duì)伍的素質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工管理水平、施工過(guò)程監(jiān)督、質(zhì)量把控驗(yàn)收都跟工程的質(zhì)量息息相關(guān)，對(duì)提高結(jié)構(gòu)物的耐久性有著重要的作用。加強(qiáng)質(zhì)量控制，應(yīng)重視混凝土的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先，施工人員應(yīng)認(rèn)真分析設(shè)計(jì)方案，理解設(shè)計(jì)圖紙對(duì)混凝土澆筑的要求，施工單位做好圖紙的會(huì)審等各項(xiàng)工作，分析施工中可能存在的問(wèn)題，接著施工單位應(yīng)做好混凝土施工的組織和布置， 對(duì)各項(xiàng)澆筑的進(jìn)度做好安排，對(duì)于施工中影響混凝土耐久性的復(fù)雜環(huán)節(jié)，要做好施工工藝的對(duì)比，選取出最合適的施工方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境及工程質(zhì)量要求，選用合理的水泥，嚴(yán)控水膠比，甄選優(yōu)質(zhì)骨料和摻用合適的外加劑。最后，應(yīng)做好施工中的管理、明確各施工人員的責(zé)任所在，將施工質(zhì)量控制責(zé)任落實(shí)到每個(gè)細(xì)微之處，保證海洋混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的說(shuō)來(lái)，海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到環(huán)境、材料、設(shè)計(jì)、施工等諸多因素。處在海洋強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的橋梁、海港工程，做好施工的防腐措施是十分重要的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生腐蝕損壞需要投入大量的人力物力加固維修，做好事前防控措施遠(yuǎn)比事后控制投入的費(fèi)用要高得多。海洋環(huán)境橋梁耐久性的問(wèn)題，是一個(gè)需要長(zhǎng)期研究的課題，需要廣大科研人員不斷的鉆研、試驗(yàn)、總結(jié)，才能達(dá)到延長(zhǎng)并提高結(jié)構(gòu)物的使用壽命和耐久性能。