混凝土防鹽腐蝕措施的探討*

王毅紅，賈順利，周 綱，納啟財

(1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安710061;2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安710068;3.青海省共玉指揮部，青海 西寧810000)

0 引 言

中國鹽漬土按地理位置可分為濱海鹽漬土和內陸鹽漬土。濱海鹽漬土主要為氯鹽鹽漬土，含鹽量一般不超過10%，而內陸鹽漬土種類較多、性質復雜，包括硫酸鹽鹽漬土、氯鹽鹽漬土和碳酸鹽鹽漬土，其含鹽量變化幅度較大，一般在20%以上，最高可達95%，鹽類腐蝕嚴重，工程問題較為突出，尤其在中國青海、內蒙、新疆、西藏等地分布著大量富含鹵水、鹽漬土分布范圍廣的鹽湖［1］。調查顯示［2］，在含鹽量高、成分復雜、氣候條件惡劣的內陸強鹽漬土、鹽湖地區，橋涵、房屋、管線等地下埋設構造物的腐蝕現象嚴重而普遍。

中國從60 年代開始，研究了引氣混凝土(APC)［3］，通過減少混凝土分子間的空隙和裂縫，以增加混凝土的密實性，防止易溶鹽中的Cl-或通過水的滲透作用與混凝土結合成聚合物，對混凝土進行分解、膨脹破壞。70 年代，青藏鐵路的預制構件中采用了聚合物浸漬混凝土［4］。2000年以后，針對鹽湖地區復雜的環境情況，許多學者和科研機構提出了非引氣高性能混凝土(HPC)［5-6］。近年來，鹽漬土地區樁基工程中逐漸采用了鋼板樁和鋼管樁，其受力性能和防腐蝕工藝的研究較多［7-8］，鹽湖地區由于富含鹵水，對建筑物、構筑物防滲透技術研究也受到重視［9-10］。在新疆、甘肅、青海等省的公路橋梁建設中，采取換填無鹽土或礫石、添加外加劑、采用抗硫酸鹽水泥或表面涂層防護等防腐蝕技術措施，對鹽漬化程度較低或輕鹽漬土地區橋涵構造物起到一定的防腐蝕作用，但對強鹽漬土及鹽湖地區的腐蝕問題仍未完全解決。

針對強鹽漬土、鹽湖地區建筑物、構筑物以及大型橋梁等地下混凝土結構，如不采取可靠的防腐蝕措施或防腐措施采取不當，在荷載+凍融+鹽湖鹵水腐蝕以及鹵水干濕循環交替的多重因素作用下，混凝土建筑物和構筑物在2 ～3 a 可發生嚴重腐蝕，嚴重的3 a 左右開始粉化，遠不能滿足現行規范對建筑物、構筑物和大型橋梁實際使用壽命的要求，嚴重影響耐久性和安全使用。所以，對混凝土防鹽腐蝕技術的研究，已成為鹽漬土地區建筑物、構筑物及大型橋梁在設計和施工時需要重點關注的問題之一［11］。

文中對常用的混凝土防鹽腐蝕措施在不同環境下的適用范圍進行了探討，并且通過對土工布袋在實際工程中的應用研究，從理論上分析其防腐機理，對強鹽漬土地區大直徑袋裝混凝土灌注樁中所使用的防腐袋的防腐機理和防鹽蝕效果進行分析，并且在混凝土試件中內摻、外涂XYPEX防水材料，經過鹵水浸泡、干濕循環后的混凝土防鹽蝕效果進行分析，為強鹽漬土、鹽湖地區新建建筑物、構筑物和大型橋梁采用何種防鹽蝕措施提供參考。

1 混凝土防鹽腐蝕常用措施

目前，工程中對混凝土防鹽腐蝕的方法較多，可以起到一定的防鹽蝕效果，但也存在一些問題。

圖1 被鹽蝕的公路界碑Fig.1 Saline corroded highway boundary tablet

1.1 提高混凝土自身性能

從混凝土自身考慮，通過優化配合比，選用不同級配的砂、石，采用各種適宜的摻合料和外加劑，配制出高性能混凝土［5-6］，以改善混凝土的物理結構，使之密實，達到減弱有害物質的滲透。但該方法多適用于鹽漬化程度較輕或海洋環境下，專門針對強鹽漬土、鹽湖環境下高性能混凝土方面的研究比較少，研究成果相對有限，要達到較高的耐久性要求很難實現。而且由于對材料及配合比要求嚴格，外摻劑成本較高，使得施工成本增加。

調查發現，通過察爾汗鹽湖地區的G215 沿線的公路界碑雖然采用了高性能混凝土，但其腐蝕依然很嚴重，水泥漿起皮掉落，與鹽漬土接觸的底部混凝土出現整體剝落，大顆粒石子裸露可見(見圖1)。

中國在1979 年修建青藏鐵路鹽湖段時使用的聚合物浸漬混凝土［4］，防腐效果較好，但由于需要在工廠預制，遠距離運送成本較大，而且時間較長，不便于施工的連續性，沒有得到廣泛推廣。

1.2 加大混凝土構件斷面尺寸

該方法適用于在鹽漬化程度較低，氣候相對較好的環境下，能夠提高混凝土結構的耐久性，從而達到防腐蝕的目的。但對于氣候條件惡劣，鹽漬化程度非常高的鹽湖地區，這種方法的效果和實用性就大大降低，因為在鹽漬土和溫度的雙重作用下，混凝土的腐蝕非常嚴重，腐蝕速度也很快，加大截面、提高混凝土保護層厚度，也受結構物外觀的限制，在鹽湖地區的防腐蝕措施中僅屬于輔助地位。

1.3 加強施工現場防護

由于混凝土的多孔性以及施工易產生裂紋，在施工過程中應避免施工現場因風沙攜鹽帶入混凝土內以及現場鋼筋堆放的鹽類腐蝕，該方法不能完全隔絕鹽類的帶入腐蝕，具有較大的局限性，對混凝土防鹽腐蝕沒有可靠保證。

1.4 包裹隔離法

在混凝土表面包裹耐腐蝕的材料，阻隔鹽漬土對混凝土的直接接觸，從而提高混凝土防鹽腐蝕。常用包裹材料有瀝青、玻璃鋼纖維、油氈等。青海鹽湖鉀肥廠一期工程中，就采用了瀝青和油氈對混凝土進行隔離保護，但地上覆蓋層在紫外線作用下，3 ～5 a 即老化破裂。該方法適用范圍受限，包裹材料與混凝土的親和性較差，2 ～3 a 即與混凝土剝離，對于深基礎基本不適用，而且造價高，防腐效果一般。

1.5 表面涂層法

該方法通過提高混凝土表面的密實性，降低混凝土的透水性，達到防鹽腐蝕的目的。常用的涂層材料有:樹脂類涂料(環氧樹脂、丙烯酸聚氨酯)、水性涂料，硅烷浸漬劑等［12］。環氧樹脂類涂料在目前應用較廣泛，但在鹽湖地區強烈紫外線照射作用下，使用壽命只有5 a 左右，操作工藝復雜，施工時需加熱而且限制多，耐腐耐久性較差。水性涂料由于防腐能力不強，耐久性不足，不適于鹽湖地區。硅烷浸漬劑成本較高，無法在鹽湖地區推廣。

1.6 改善混凝土外部環境

主要采用陰極保護法，即根據鋼筋腐蝕的電化學原理，采取措施使電位等于或低于平衡電位，使鋼筋不再進行陽極反應(腐蝕)。杭洲灣跨海大橋南、北航道橋主墩承臺、塔座在腐蝕嚴重的水位變動區和浪濺區部位采用了電流陰極保護法［12］。但其建設及養護成本高，主要適用于在濱海鹽漬土或海水環境下的混凝土，內陸干旱、半干旱地區鹽漬土尤其是強鹽漬土地區的適用性還有待研究。

2 混凝土防鹽蝕措施新嘗試

2.1 土工布袋防鹽腐蝕

依據近年研究成果，外裹土工布袋防鹽腐蝕的方法在基礎工程中已有應用。

2.1.1 土工布袋在鹽漬土地區的應用

1)袋裝碎石樁。應用筒狀土工布袋，將砂石或粉質粘土等填料裝入布袋形成樁體。土工布袋在外力作用下使袋內產生張力，由于土工布袋的約束，樁基承載力增大。土工布對土體形成較大的徑向支撐力，從而達到提高復合地基承載力的作用，同時土工布的防水特性起到一定的防水防腐功能。

2)袋裝混凝土樁。采用“二布一膜”［13］的土工布袋，內部澆筑混凝土，作為一種復合地基提高地基的承載力、滿足防腐的設計要求。二布為內、外襯層，即保護層和支持層，起到保護土工膜和支持防腐袋受力的作用，中間為土工膜起到隔水和阻水作用，但其在一定的水壓力下容易壓破，不易單獨使用，須和土工布結合使用，從而達到混凝土樁體防腐蝕作用。

在青海鹽湖工業集團綜合利用二期工程中，樁基采用袋裝混凝土樁，實現了防止鹽漬土和鹵水等物質對混凝土樁體腐蝕的目標。但這種樁基樁徑小、樁長短，僅適用于地基承載力要求較低的情況，對于大型橋梁需要較大承載力的大直徑樁基礎，無論承載力，還是防腐措施，均不能達到鹽漬土環境下的技術要求。

綜上所述，現有技術在強鹽漬土環境下的防腐蝕效果不夠理想、承載力較小，針對大型橋梁、建筑物、構筑物，大直徑袋裝混凝土灌注樁的成功應用，彌補了土工布袋樁的不足。

2.1.2 大直徑袋裝混凝土灌注樁

大直徑袋裝混凝土灌注樁采用注排漿法、現澆裹體工藝，形成直徑1.2 ～1.5 m，樁長45 m 的鋼筋混凝土樁，該技術目前在工程領域內已有應用，它既能滿足大型橋梁所需較大承載力的要求，又可以達到防鹽腐蝕的目的。

大直徑袋裝混凝土灌注樁防鹽腐蝕材料主要是防腐袋，該防腐袋是利用土工復合材料具有的防滲、抗老化特點，制成具有防腐蝕、抗滲透、高強度等特點的復合高強防腐型材料，其防腐機理是通過防腐袋將樁體的鋼筋混凝土與樁側鹽漬土環境進行完全隔離，從而達到防鹽腐蝕的目的。防腐袋采用“三布二膜”［14］復合土工布袋，三布為內、中、外襯層，起到增加防腐袋的強度和阻隔腐蝕物進入樁體作用，中間設置2 層防腐層為土工膜(HDPE 膜)，起到隔水防腐的作用。“三布二膜”與“二布一膜”相比較，由于多了一層土工布和一層土工膜，其耐久性增加，防鹽腐蝕性能更加可靠。

防腐袋中土工布采用WJF -1 型聚丙烯(丙綸)長絲機織布，丙綸是一種化纖材料，能耐土中常見化學物質的侵蝕以及鹽漬土的腐蝕，其本身就具有防腐蝕性能。土工膜選用高密度聚乙烯熱壓成型HDPE 膜，具有防滲、耐酸堿、有機溶劑的腐蝕。因此，防腐袋形成雙重防腐保證體系。

防腐袋的應用，提高了地下混凝土基礎的耐久性，降低了鹽漬土環境下地下混凝土結構對混凝土性能的要求，從而一定程度上解決了強鹽漬土對樁體材料的腐蝕性破壞。但目前對防腐袋施工中及施工后是否劃傷破損以及防腐袋在鹽漬土中老化，并沒有完整有效的防腐檢測方法和防止在鹽漬土中老化的有效措施，這些問題還需要不斷地深入研究和完善。

2.2 水泥基滲透結晶型防水材料(XYPEX)的防鹽腐蝕

2.2.1 XYPEX 材料的防水機理

XYPEX 材料是一種灰色粉末狀無機材料，由波特蘭水泥、硅砂和多種特殊的活性化學物質組成。其作用機理為XYPEX 材料中特殊的活性化學物質與水相融合，通過混凝土孔隙向混凝土內部滲透，促進未完全水化的水泥與水發生二次水化，形成不溶性的結晶，堵塞混凝土孔隙和裂縫，提高混凝土結構的自密性，從而達到防水的目的［15］。

中國首次使用XYPEX 防水且僅在內墻做一道防水的建筑物是由貝聿銘設計的北京中國銀行大廈。之后，XYPEX 材料大量應用于中國大型重要建筑物、鐵路橋梁、隧道大壩，如國家大劇院、北京京西賓館游泳池、“鳥巢”、山西平型關隧道、新疆石門子大壩等。

2.2.2 XYPEX 材料防鹽腐蝕的探討

XYPEX 材料在實際工程中具有較好的防水特性，但能否利用XYPEX 材料的防水特性用于鹽蝕環境中，形成一種新的有效的混凝土防鹽腐蝕措施，目前研究成果不多。

美國ASTM C267 -77 進行的“砂漿對化學物質的阻抗試驗”［15］，證明XYPEX 不受氯化物、弱酸性、堿性等化學物質的腐蝕。又根據美國ASTM C672 -76 進行的“標定混凝土表面暴露于除冰化學物質的抗剝落能力標準測試法”的試驗研究和明尼蘇達州運輸部“評定混凝土表面涂層的方法”的試驗研究，表明XYPEX 不僅起到防水的作用，而且可以防止化學物質、鹽類及其它有害物質的滲透［15-21］。

目前該方向領域試驗數據較少，文獻［16］進行了內摻、外涂XYPEX 的混凝土試件分別在鹵水浸泡、鹵水干濕循環等條件下的防鹽蝕試驗，填補了XYPEX 在中國強鹽漬土地區試驗的空白。

試驗時，分別在混凝土試件中內摻XYPEX 材料和外涂XYPEX 材料，并制作未內摻和外涂XYPEX 的試件(后稱空白試件)。內摻量為試件水泥用量的2%，外涂XYPEX 濃縮劑和水按照體積比為5∶2配制，按照每遍0.4 kg/m2的用量在試件表面涂刷3 遍，試驗結果表明

1)在鹵水浸泡條件下，空白試件表面出現數量密集并且明顯的窩點，混凝土輕微剝落，內摻XYPEX 試件表面腐蝕程度好于空白試件，表面有數量不多的窩點，外涂XYPEX 試件在鹽溶液浸泡后表觀無變化，各試件表觀情況如圖2 所示。

分析得出:內摻的XYPEX 在混凝土內部產生的晶體結構填充混凝土空隙，降低了有害離子的擴散速度，延緩了鹵水侵蝕。XYPEX 涂層作為第一道防線，對混凝土起到了良好的防腐效果。

圖2 鹵水浸泡后的各試件表觀情況Fig.2 Apparent situation of specimens after brine immersion

2)在鹵水干濕循環條件下，空白、內摻和外涂XYPEX 試件表面均有剝落，混凝土腐蝕嚴重，但空白試件和內摻XYPEX 試件是水泥漿的剝落，而外涂XYPEX 試件是涂層的剝落。空白試件的損傷量為內摻XYPEX 試件的1.2 倍，外涂XYPEX 試件的1.7 倍。這是由于XYPEX 隨水通過裂縫滲入混凝土內部，形成不溶性的晶體填補微裂縫，對混凝土起到一定的保護作用。而XYPEX 涂層能夠對鹵水起到一定的隔絕作用，有效地延緩對混凝土的損傷。

綜上所述，在鹽漬土、鹽湖地區，混凝土中內摻或外涂XYPEX 防水材料對防鹽蝕有一定的效果。

3 結 語

1)現有常用的防鹽腐蝕措施中，提高混凝土自身性能和改善混凝土外部環境的方法其施工及養護成本較高;包裹隔離法和表面涂層法的外部材料容易老化，耐久性不足;加大混凝土構件斷面尺寸和加強施工現場防護方法僅屬于輔助措施，并未完全解決防腐耐久性的問題。這些方法均具有一定的使用局限性，可以考慮作為防腐附加措施。

2)在強鹽漬土地區，可以嘗試采用土工布袋進行防腐，尤其對地基承載力要求較高的橋涵構造物，可以嘗試采用大直徑袋裝混凝土灌注樁，利用樁基中防腐性能較好的防腐袋進行防腐，但其施工結束后防腐效果的檢測方法有待完善。

3)土工膜可以較好起到隔水防腐作用，但由于其在一定的水壓力下容易壓破，需要與高強土工布相結合，形成“兩布一膜”、“三布二膜”等“多布多膜”復合土工布袋，具有較好的發展和推廣價值。

4)內摻或外涂XYPEX 試件在鹵水浸泡條件下表面基本完好，在鹵水干濕循環條件下，盡管試件表面有脫落，但經過XYPEX 的保護，在一定程度起到延緩鹵水對混凝土腐蝕的作用，是一種防鹽腐蝕的可用措施，在強鹽漬土、鹽湖地區，可以考慮采用內摻或外涂XYPEX 來防腐。

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