海水侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性的研究

韓 旭

(營(yíng)口資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)集團(tuán)有限公司，遼寧 營(yíng)口 115000)

混凝土這種建筑材料一直在建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，到目前為止，混凝土已經(jīng)在建筑領(lǐng)域中被使用了二百多年。經(jīng)過兩個(gè)多世紀(jì)的大量應(yīng)用，許多的混凝土建筑結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了沒有達(dá)到使用年限的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象包含了許多因素，其中絕大多數(shù)都發(fā)生在沿海建筑上，主要的原因是海水中的氯離子腐蝕所導(dǎo)致，建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的氯離子腐蝕，其鋼筋表面會(huì)產(chǎn)生大量的銹蝕產(chǎn)物，這種銹蝕產(chǎn)物在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的長(zhǎng)時(shí)間堆積就會(huì)讓混凝土的保護(hù)層出現(xiàn)破裂，而保護(hù)層的破裂會(huì)進(jìn)一步加深海水對(duì)建筑的腐蝕程度，形成惡性循環(huán)，從而讓混凝土建筑的使用年限極大的降低。

近幾年，全世界范圍內(nèi)的研究人員對(duì)混凝土的耐久性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面說明了不同環(huán)境下混凝土耐久性是不同的。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)檢測(cè)氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)速度，能夠明顯的發(fā)現(xiàn)潮濕養(yǎng)護(hù)下的混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子運(yùn)動(dòng)速度較慢，并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，氯離子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)得到更進(jìn)一步的降低，極大地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。與此同時(shí)，還有研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)在無養(yǎng)護(hù)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)數(shù)量不少的有害孔，與此同時(shí)氯離子的運(yùn)動(dòng)速度也遠(yuǎn)高于潮濕養(yǎng)護(hù)下的混凝土結(jié)構(gòu)。

1 混凝土結(jié)構(gòu)在海洋中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著全球經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，再加上陸地上的資源儲(chǔ)備不足，越來越多的國(guó)家開始構(gòu)建海洋發(fā)展戰(zhàn)略。目前為止構(gòu)建并施行了新的海洋發(fā)展戰(zhàn)略的國(guó)家有日本、美國(guó)、荷蘭等多個(gè)國(guó)家。改革開放以來，我國(guó)進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)井噴時(shí)代，經(jīng)過多年發(fā)展現(xiàn)已經(jīng)成為了世界上首屈一指的出口大國(guó)，由此對(duì)海洋的依賴程度較高，在海上占據(jù)巨大的利益。與此同時(shí)我國(guó)“十三五”規(guī)劃公布的發(fā)展戰(zhàn)略當(dāng)中，關(guān)乎海洋的戰(zhàn)略名列前茅，充分表明了我國(guó)對(duì)海洋的重視程度。對(duì)海洋的開發(fā)利用都離不開混凝土這一基礎(chǔ)材料，目前為止混凝土在島礁、水電大壩、沿海工程、跨海橋梁等多方面得到廣泛使用，未來混凝土必然要應(yīng)用于海洋資源開發(fā)和海洋鉆探等領(lǐng)域，所以混凝土在海洋環(huán)境中的耐久性便極為重要。

2 海水侵蝕環(huán)境對(duì)混凝土的影響

海水侵蝕環(huán)境對(duì)混凝土的影響，即在混凝土建筑的使用過程中，海水通過直接或者間接的方式對(duì)混凝土建筑進(jìn)行腐蝕，其中又含有外部腐蝕和內(nèi)部腐蝕兩種腐蝕手段。通俗的解釋就是建設(shè)在海水中的混凝土建筑，建筑表面直接和海水接觸時(shí)即為海水對(duì)混凝土的外侵蝕。隨著時(shí)間的推移，海水逐漸滲透進(jìn)混凝土建筑的內(nèi)部進(jìn)行侵蝕，也就是內(nèi)侵蝕[1]。

在建筑物的使用過程中，大部分建筑物內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)存在提前損壞問題，其中有一少部分建筑，在還沒有使用的時(shí)候就損壞，這些現(xiàn)象都會(huì)直接造成各種資源的大量浪費(fèi)。而海水對(duì)混凝土建筑的侵蝕有兩方面原因：一方面就是混凝土建筑在海水環(huán)境中經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡，內(nèi)部的鋼筋被海水銹蝕；另一方面就是混凝土經(jīng)過海水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡所產(chǎn)生的損壞，為了進(jìn)一步降低甚至避免海水對(duì)混凝土建筑的侵蝕，我國(guó)的科研人員為此開展了許多的研究與實(shí)驗(yàn)。

3 海水侵蝕環(huán)境影響混凝土耐久性的機(jī)理

根據(jù)混凝土建筑的受荷時(shí)間強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)情況，能夠直接反映出混凝土建筑在遭受海水侵蝕的不同階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同變化和損壞原理[2]。在海水侵蝕的早期，海水中所包含的各種離子侵入到混凝土建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過不同離子之間的相互反應(yīng)，導(dǎo)致在混凝土建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生許多具有不溶性的物質(zhì)，對(duì)混凝土建筑內(nèi)部的空隙進(jìn)行填充，能夠讓混凝土建筑的性能和堅(jiān)固程度進(jìn)一步提升。隨著時(shí)間的推移，海水對(duì)混凝土建筑的腐蝕程度進(jìn)一步加深，這時(shí)候產(chǎn)生的不溶物體積會(huì)越來越大，給混凝土建筑內(nèi)部造成沉重的壓力，從而導(dǎo)致混凝土建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞，建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度開始下降。當(dāng)破壞逐漸嚴(yán)重時(shí)，混凝土建筑表面就會(huì)出現(xiàn)裂縫，而裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致海水的侵蝕更加迅速和劇烈，海水能夠通過表面的裂縫更多的涌入混凝土建筑內(nèi)部當(dāng)中進(jìn)行侵蝕，讓水泥石的功能受到限制，導(dǎo)致混凝土建筑的強(qiáng)度更進(jìn)一步的下降。

近幾年，許多國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)混凝土在不同環(huán)境影響之下的使用年限展開了研究。其中對(duì)混凝土的干燥養(yǎng)護(hù)和潮濕養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土使用年限的影響的研究更為深入，經(jīng)過對(duì)兩種環(huán)境之下混凝土材料進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果表明處于潮濕養(yǎng)護(hù)的狀態(tài)下氯離子在混凝土中腐蝕的速度明顯減慢，并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，氯離子在混凝土中的腐蝕速度會(huì)進(jìn)一步的降低，所以通過這種養(yǎng)護(hù)方式能夠讓混凝土建筑的使用年限得到極大的延長(zhǎng)[3]。而在干燥養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子腐蝕速度和效率明顯提高，混凝土結(jié)構(gòu)建筑的使用年限也會(huì)出現(xiàn)縮減。

在混凝土試件的實(shí)驗(yàn)過程中，最主要的兩種影響因素是：第一，伴隨著海水對(duì)混凝土的侵蝕，海水中的鹽離子在與混凝土建筑接觸后生成了鹽類化合物，從而造成了其重量的提升；第二，在海水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡和侵蝕下，混凝土建筑表面的建筑材料脫落，所以重量在一定程度上降低。從以上的研究數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果中能夠明顯看出，氯離子對(duì)混凝土建筑的腐蝕效率極大的受到混凝土養(yǎng)護(hù)手段的影響[4]。所以，在有關(guān)海洋的大規(guī)模工程項(xiàng)目中，要對(duì)混凝土建筑進(jìn)行嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)，除此之外，還要建造嚴(yán)密的輔助設(shè)施，比如混凝土表層防護(hù)結(jié)構(gòu)等保護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)，這樣才能夠最大程度的保障混凝土建筑在海水侵蝕下的使用年限。

4 混凝土結(jié)構(gòu)防侵蝕的必要性

混凝土結(jié)構(gòu)在建造完成后，隨著時(shí)間的推移海水會(huì)對(duì)水泥進(jìn)行水化，這個(gè)時(shí)候混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)得到極大地強(qiáng)化，這是外部環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的積極影響。隨著海水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，海水會(huì)慢慢腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)，造成混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，使用年限大幅度縮減，這是外部環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響。通過相關(guān)研究表明，海水中能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕的物質(zhì)主要是硫酸鹽和鎂鹽。具體的腐蝕過程為，硫酸鹽和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)從而生成體積膨脹的物質(zhì)，這些生成的物質(zhì)隨著數(shù)量的增加會(huì)直接破壞混凝土結(jié)構(gòu)，這就是硫酸鹽腐蝕。鎂鹽和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成易溶于水的膠狀物，鎂鹽侵蝕會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)膠結(jié)力降低，從而硬度下降。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氫氧化鈣與穿過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部的二氧化碳?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)的過程就是混凝土的碳化，這個(gè)中和反應(yīng)的過程會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)純堿度下降，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋保護(hù)膜出現(xiàn)損傷，使鋼筋被銹蝕。初始階段的混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的高堿度是防止鋼筋出現(xiàn)銹蝕的良好環(huán)境，但當(dāng)水汽運(yùn)載的氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部的時(shí)候，由于氯離子自身的特性，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)給鋼筋表面的保護(hù)膜造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕從而力學(xué)性能降低，與此同時(shí)腐蝕產(chǎn)物不斷累積會(huì)破壞掉鋼筋表面的混凝土結(jié)構(gòu)。海洋中細(xì)菌等微生物和藤壺等大型污損生物附著在混凝土結(jié)構(gòu)表面就是生物侵蝕，這些海洋生物的代謝分泌物會(huì)持續(xù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成侵蝕?；炷两Y(jié)構(gòu)在服役過程由于長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)動(dòng)靜荷載和海浪等沖刷磨蝕，導(dǎo)致其表面受到破壞漏出內(nèi)部的鋼筋，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，此外荷載作用下混凝土出現(xiàn)裂縫等缺陷的概率非常大，一旦出現(xiàn)裂縫就會(huì)進(jìn)一步加劇其他有害因子的化學(xué)侵蝕。

從上述侵蝕機(jī)理分析可見，混凝土的破壞很大一部分是由于海水的入侵，而海水中攜帶的大量氯離子、硫酸根離子等又是混凝土發(fā)生破壞的重要因素，因此防水勢(shì)在必行。此外，隨著海洋生物侵蝕的現(xiàn)象受到越來越多研究者的關(guān)注，實(shí)際工程環(huán)境中，混凝土的耐久性失效往往非單因素作用，一般伴隨多因素耦合作用。因此提高混凝土的耐久性，除了防止水汽的入侵外還需要防止微生物和大型海生物對(duì)混凝土的附著。

5 防止海水侵蝕環(huán)境對(duì)混凝土耐久性影響的策略

混凝土的質(zhì)量和使用情況受水泥質(zhì)量的影響很大，所以使用高質(zhì)量的水泥制成的混凝土的質(zhì)量和使用年限也會(huì)更為理想，能夠更好地抵御海水的侵蝕[5]。也就是說，有針對(duì)性的使用特殊水泥來進(jìn)行海中建筑混凝土結(jié)構(gòu)的建造，是提升海中混凝土建筑使用年限的有利舉措。

與此同時(shí)，對(duì)于混凝土受到海水的侵蝕作用這一點(diǎn)，可以通過加厚混凝土建筑結(jié)構(gòu)的表面保護(hù)層，延緩混凝土和混凝土中鋼筋的海水侵蝕速度和程度，從而延長(zhǎng)混凝土建筑的使用年限，這種方式是一個(gè)最基本的辦法。但是，對(duì)于保護(hù)層的具體厚度產(chǎn)生了爭(zhēng)議，一些人認(rèn)為侵蝕混凝土建筑的主要因素是因?yàn)楹Ｋ械柠}，做出這種判斷主要是依據(jù)菲克擴(kuò)散第二定律，所以海水中混凝土建筑的保護(hù)層的厚度應(yīng)該要達(dá)到7.5cm以上。

當(dāng)存在外界消極因素時(shí)，海水對(duì)混凝土建筑的侵蝕程度和速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過沒有外界消極因素的影響?；谶@種情況，部分研究人員采取對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式做了進(jìn)一步分析，通過對(duì)不同應(yīng)力等級(jí)時(shí)海水對(duì)混凝土的侵蝕程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后得出了相關(guān)結(jié)論，即當(dāng)應(yīng)力較大的情況時(shí)，海水對(duì)混凝土的侵蝕速度會(huì)大大增加。

混凝土建筑所具有的綜合性能是否良好是由混凝土建筑的強(qiáng)度等級(jí)所決定，雖然對(duì)混凝土建筑強(qiáng)度等級(jí)的影響因素非常多，但是最主要的影響因素仍然是水泥質(zhì)量的好壞。使用優(yōu)質(zhì)水泥制造出的混凝土，其中的聚合物顆粒非常緊密，骨料具有良好的堅(jiān)韌性，在加上適當(dāng)?shù)乃冶壤圃斐龅幕炷两ㄖ?qiáng)度等級(jí)極高，從而對(duì)海水的侵蝕所具有的抵抗力越高。這從其他的研究結(jié)果當(dāng)中也能夠得到證明[6]。

混凝土建筑能否有效抵御海水侵蝕最重要的表現(xiàn)是在于混凝土在海水浸泡下的實(shí)際表現(xiàn)，想要有效的提高混凝土在大量海水的浸泡下的使用年限，就需要許多方面的改善和進(jìn)步。目前，相關(guān)研究人員由于受到研究設(shè)施這些硬件條件的影響，對(duì)于這方面的研究成果止步于定性分析等理論研究方面。但是，提升混凝土建筑在海水侵蝕下的使用年限是目前許多國(guó)內(nèi)研究人員的重點(diǎn)和難點(diǎn)。有許多的研究人員希望通過升級(jí)科研技術(shù)來取得突破。相信隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，以后必然能夠通過對(duì)海水中含有的多種因素對(duì)混凝土的影響做出更加深入的研究。

6 結(jié) 語

如何提高混凝土建筑在海水中的使用年限，對(duì)我國(guó)海上事業(yè)的發(fā)展具有重大的意義，對(duì)混凝土建筑在海水侵蝕下的耐久度也有著深遠(yuǎn)的影響。經(jīng)過我國(guó)廣大科研工作者的研究和實(shí)驗(yàn)可以看到，若是想要通過對(duì)目前的混凝土進(jìn)行完善和升級(jí)，提高混凝土對(duì)海水侵蝕的抵御程度，就需要從多個(gè)方面進(jìn)行完善。比如通過完善混凝土的密實(shí)程度，選擇優(yōu)質(zhì)并且高質(zhì)量的水泥來制造混凝土，對(duì)混凝土表面的保護(hù)膜進(jìn)行加厚等，這些具體手段和舉措的實(shí)施，能夠有效減緩海水對(duì)混凝土建筑的滲入速度、大大提高混凝土建筑對(duì)海水侵蝕的抵抗性，從而讓在海水侵蝕下的混凝土建筑能夠達(dá)到我國(guó)對(duì)混凝土建筑使用年限的基本要求。此外，通過相關(guān)研究得出的具體結(jié)論有：(1)倘若混凝土在養(yǎng)護(hù)期就受到海水的侵蝕，那么就會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)大量的氯離子，直接影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；(2)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，一旦混凝土結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)期受到氯離子侵蝕，耐久性與使用壽命將大幅度減少，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明處于養(yǎng)護(hù)期的混凝土經(jīng)過28天的海水環(huán)境侵蝕，剩余耐久性使用壽命只有12年；(3)涉海工程結(jié)構(gòu)施工過程在養(yǎng)護(hù)期要盡量避免混凝土與海水直接接觸，宜采用圍堰施工、滲透性模板等輔助措施。如果無法實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)建造后建議密切跟蹤監(jiān)測(cè)混凝土耐久性，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全事故。