海洋環(huán)境下混凝土工程的耐久性問題

李澤良 顏 軍

宿遷學院建筑工程系（223800）

1 影響混凝土耐久性的主要原因

海港、碼頭、引橋、防浪堤壩等與海水接觸的建筑工程中的混凝土構件，稱為海工混凝土。海工混凝土長期受海水的侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現象非常嚴重，導致海港工程達不到設計使用期限的要求。海水中含有較多的可溶鹽類,最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。這些鹽類的存在對混凝土產生兩種破壞作用。

1.1 硫酸鹽的腐蝕

硫酸鹽的腐蝕主要是由于硫酸根離子與水泥水化產物水化鋁酸鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣反應,形成鈣礬石并吸附大量的結晶水，體積膨脹近1倍(94%),從而產生巨大的結晶而造成破壞。

當硫酸根離子濃度較大時，還可與水泥水化產物Ca（OH）2發(fā)生反應生成硫酸鈣,體積膨脹124%。

1.2 氯鹽的腐蝕

海水中的NaCl、MgCl2與水泥的水化產物Ca（OH）2作用，生成 CaCl2等物質。由于生成的 CaCl2、Mg（OH）2都是無膠凝作用的物質，嚴重破壞混凝土的內部結構，同時，反應后產生大量游離氯離子，致使鋼筋發(fā)生銹蝕。氯離子腐蝕主要是破壞鋼筋表面的鈍化膜，在鋼筋表面形成“腐蝕電池”，再加上Cl-的去極化作用和Cl-的導電作用從而引起了鋼筋的銹蝕。銹蝕鋼筋轉為鐵銹時，體積最大膨脹6倍，不僅鋼筋強度降低，而且使混凝土脹裂，降低鋼筋與混凝士的粘結力,從而導致結構承載能力的降低。

氯離子通過混凝土內部的孔隙和微裂縫從周圍環(huán)境向混凝土內部傳遞。氯離子侵入混凝土的方式主要有以下幾種：1）擴散作用：由于濃度的作用，氯離子從濃度高的地方向濃度低的地方轉移；2）毛細管作用：氯離子向混凝土內部干燥的部分移動；3）滲透作用：在水壓力作用下，氯離子向壓力較低的方向移動；4）電化學遷移：氯離子向電位較高的方向移動。氯離子的侵蝕是上述幾種方式的共同作用，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學結合、物理粘結、吸附等作用的影響。但對于特定的條件，其中的一種侵蝕方式是主要的。雖然氯離子在混凝土中的傳輸機理非常復雜，但是在許多情況下，擴散過程仍然被認為是最主要的傳輸方式之一。大量的檢測結果表明，氯離子的傳輸過程可以認為是一個線性的擴散過程：

式（2）即為傳統的Fick第二定律表式,Fick第二定律的解取決于問題的邊界條件，在穩(wěn)定的使用環(huán)境(如海洋環(huán)境)中，假定混凝土結構在經過相當長的使用時間后其表面的氯離子濃度恒定不變，另外再假定混凝土結構相對于暴露表面為無限介質，在任一時刻，相對于暴露表面的無限處的氯離子濃度值為初始濃度(可假定為零)，從而解式（2）得：吳瑾等人提出的將擴散系數作為隨機數，混凝土表面氯離子濃度、保護層厚度作為隨機變量,建立混凝土中鋼筋表面氯離子濃度分布的隨機模型，推導出鋼筋表面氯離子濃度的均值的隨機模型均值為：

由此模型計算的氯離子濃度較傳統的Fick定律的計算值更接近實測結果，進一步利用其模型能比較準確評估海洋環(huán)境下混凝土的壽命。研究表明：氯離子是造成海工混凝土破壞的最主要因素。此外，水位變動區(qū)混凝土的凍融破壞，海水對混凝土構件的沖刷磨損也對混凝土耐久性產生破壞作用。

目前，關于單因素環(huán)境下的氯離子侵入模型研究比較深入,多因素下的研究相當少,學術界也未能達成一致意見，比較突出的是Anders Lindvall的觀點——在全球12個海洋區(qū)域所做的實驗統計結論。全球海洋區(qū)域的溫度、氯離子濃度不同，氯離子侵蝕混凝土有著若干種影響因素。研究表明：氯離子的侵入量主要影響因素是海水的溫度,濃度是次要因素，因此更精確的表征氯離子侵入需參考暴露海水溫度因素，所以上述模型也存在一定的缺陷，有待進一步的深入研究，溫度影響因素可用腐蝕速度的增加倍數α參數來表達：T（℃）。

當8≤T≤53時，

2 提高混凝土工程在海洋環(huán)境的耐久性措施

2.1 劃分混凝土構件環(huán)境區(qū)域

海工混凝土構件在海域的部位不同，腐蝕程度也有較大差異。根據多年對海港碼頭的調查，將混凝土構件所處區(qū)域劃分為四個區(qū)，即大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)。浪濺區(qū)與水位變動區(qū)鋼筋腐蝕最嚴重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)腐蝕最輕。混凝土設計時要根據不同區(qū)域，有針對性的采取不同的防腐蝕措施和方法。

2.2 結構設計

海工混凝土的結構選型及構造與普通混凝土不同，設計時應作到滿足以下要求：

1）構件截面幾何形狀力求簡單、平順，有利于排水；限制導致表面積水的設計，盡量減少構件受潮和濺濕的表面積。

2）構件應便于施工，易于成型。對處于腐蝕嚴重部位的構件，應考慮其易于更換的可能。

3）結構形式要利于關鍵部位的檢測和維修，應設置利于檢測維護的通道。

4）處理好構件間的連接，采用的支座和節(jié)點要保證結構的變形約束最小。

5）構件中受力的鋼筋和構造鋼筋宜構成閉口鋼筋籠，以增加結構的堅固和耐久。

6）混凝土保護層最小厚度應符合表1和表2的規(guī)定。

表1 海工鋼筋混凝土保護層最小厚度（mm）

表2 預應力海工鋼筋混凝土保護層最小厚度（mm）

2.3 原材料選擇

1）水泥是配制海工混凝土的關鍵原料。根據海水對混凝土的腐蝕機理,要盡量選擇水化產物中Ca（OH）2少、水化鋁酸鹽少的水泥。水位變動區(qū)還應考慮水泥石的抗凍性、耐磨性。水泥的強度不能低于42.5 MPa。拌和用水可以采用地下水、城市供水系統的水、河水，不能采用海水。對使用的水要進行檢測，保證水中氯離子含量不大于200 mg/L，同時保證水的pH值大于4。水灰比是反映混凝土密實度的一個重要指標。水灰比的大小反映混凝土抵抗氯離子入侵的能力。這種能力主要表現在水灰比和氯離子擴散系數的關系。研究證明：氯離子擴散系數與水灰比呈現良好的線性關系,其關系可用公式（3）表示。

式中，Dd為氯離子擴散系數，10-8cm2/s；w/c 為水灰比。因此設計中的水灰比應在滿足要求的前提下盡量取小值。

表3 海工混凝土水灰比最大允許值和最低水泥用量

2）集料應堅硬、清潔、級配良好，優(yōu)先選用天然河砂、碎石或卵石。粗集料中不能含活性SiO2，以防止堿與集料反應。細集料不能采用海砂。粗集料的最大粒徑，在浪濺區(qū)不大于保護層厚度的2/3，其他區(qū)不大于保護層厚度的4/5。

3）增加鋼筋本身抵抗銹蝕的能力，也是提高海工混凝土耐久性的有效措施：①添加鋼筋阻銹劑；②使用涂層鋼筋，包括環(huán)氧樹脂涂層鋼筋和熱浸鍍鋅鋼筋；③鋼筋的陰極保護，可分為為犧牲陽極法和外加電流法；④采用耐腐蝕鋼筋，耐腐蝕鋼筋和涂層鋼筋所不同的是，涂層鋼筋是伍鍘筋表面覆蓋上某種耐腐蝕物質，鋼筋是普通碳素鋼筋，而耐腐蝕鋼筋是鋼筋自身具有耐悔蝕的性能。耐腐蝕鋼筋在混凝土結構中的使用還是一個相對較新的課題，國外的研究要比國內的研究超前，目前主要有不銹鋼鋼筋和纖維塑料筋兩種。

4）混凝土表層處理

為防止氯化物、二氧化碳等侵蝕性介質滲入混凝土中，延緩鋼筋銹蝕，對新澆筑的混凝土結構表面涂層也是一種簡便、經濟和有效的輔助性保護措施。涂層可以分為侵入型和隔離型兩類。侵入型涂料不會在混凝土表面成膜，也不能充滿混凝土內的毛細孔隙，但能顯著降低混凝土的吸水性。而隔離型涂料可以使混凝土和侵蝕介質隔離。

5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中摻有礦物摻和料,如粉煤灰、礦渣、硅粉等。這些摻和料對混凝土的性能具有物理和化學改善作用，有效增加混凝土的密實度，增強抵抗侵蝕的能力。高性能混凝土已作為提高海工混凝土的有效措施被研究和開發(fā)。

[1]吳瑾,吳勝興.海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋表面氯離子濃度的隨機模型[J].河海大學學報(自然科學版),2004(1).

[2]Anders Lindvall.Chloride ingress data from field and laboratory,exposure Influence of salinity and temperature.Cement&Concrete Composites 29(2007)88~93,Sweden,26 August 2006.

[3]錢磊,宋曉冰,劉西拉.氯離子環(huán)境下溫度對鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕的影響[J].建筑技術開發(fā),2004(7).

[4]黃明,沈德建.海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的防腐蝕設計[J].混凝土,2006(11).

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