濱海環境下混凝土結構裂縫防護與修復的研究進展

陳娜 臧家偉 葉碩 林雅靜 潘崇根 * 何靜姿 虞曉磊

（1. 武漢大學水利水電學院，湖北武漢 430000；2. 浙大寧波理工學院，浙江寧波 315100；3. 浙江亞廈裝飾股份有限公司，浙江杭州 310008）

1 引言

鋼筋混凝土是世界上使用最廣泛的材料之一，其中混凝土可以保護被包裹的鋼材，使其免受堿性環境的侵蝕，并能在惡劣的環境下承受時間和壓力的影響，但暴露在濱海環境中，它會變得格外脆弱［1-2］。氯離子滲透和碳化是誘導混凝土結構性能下降的原因，前者占主要部分［3］。再加上海洋中氧氣、微生物、重金屬等因素的影響，導致在易受海水浸泡或飛濺的區域混凝土結構腐蝕更為嚴重［4-5］。由此，歐洲在濱海相的腐蝕環境中規范并細分了4 個微環境暴露等級［6］：XS1，結構暴露在含鹽量高的空氣中，但不與海水直接接觸；XS2，結構永久淹沒；XS2/3，結構經常潮濕（例如中、低潮帶和回填地層）；XS3，結構偶爾濕潤（例如潮汐上升、飛濺/噴射、水下建筑物的“干燥”內表面）。

隨著經濟和技術的發展，中國的碼頭、涵洞、跨海大橋等濱海混凝土結構工程大量增加，而海洋多變的復雜環境導致濱海混凝土結構服役時間難以滿足設計使用年限要求。建筑腐蝕同樣是一個世界性難題，全球范圍內，每年因腐蝕造成的損失高達2.2萬億美元，約占當年生產總值的3%［7］。其中，建筑腐蝕降低混凝土結構的性能和可靠性，進而導致結構使用壽命縮短［8］。且不同腐蝕狀況下所產生的修復費用以新建混凝土結構所花費用為基數以5 的冪次逐級增加［9］。美國混凝土鋼筋結構銹蝕占每年各種腐蝕損失的50%（約280 億美元）［10］。中國沿海地區使用7～25 年的橋梁，約有89%出現鋼筋銹蝕問題［11］。以浙江省為例，2019 年就累計修復受腐危橋247座，建成養護公路安防工程2 500 km。此外，濱海環境會與其他因素協同造成更大破壞。例如，濱海地區港口貨物吞吐量大，卡車、貨車等重型車輛需求量大，大幅度增加的交通量造成道路長期疲勞，加劇路面結構耐久性問題的產生［12］。

總體上，濱海混凝土結構依據不同的濱海腐蝕微環境具體表現為混凝土保護層龜裂、剝落、分層、出現縱向裂縫和鋼筋裸露；路面結構沉陷及重車轍且病害程度重等。而混凝土裂縫缺陷若不及時修復，外界水和腐蝕性介質將不斷滲入，將進一步加深鋼筋混凝土耐久性問題［13］。因此，從機理角度分析濱海混凝土結構裂縫形成的原因，并采取有效的措施進行修復，延遲結構的使用年限具有重要的意義。

2 濱海環境混凝土結構裂縫作用因素及形成過程

濱海地區結構開裂的環境復雜，要求工程設計人員考慮的因素更多，比如鹽類腐蝕、空氣濕度、土質等［14］，難以準確模擬出濱海的特定現實條件也是一大設計難點。由于天氣或潮汐等作用，海平面、地下水位、土壤濕度、承載力、鹽離子含量等因素不斷變化，復雜的濱海條件加速了鋼筋的銹蝕。

2.1 高鹽離子環境作用

海水中富含具有侵蝕性能的鹽類（MgSO4，K2SO4，MgCl2，NaCl 等）［15］，這些鹽類通過混凝土外表裂縫以及內部細孔的毛細作用進入結構內部。鋼筋表面的氧化膜與侵入的Cl-發生反應，進而形成腐蝕電池，反應速度將非常迅速［16］。在濱海高Cl－條件下，Cl－通過混凝土毛細管作用、滲透和擴散作用及電化學遷移等方式進入混凝土內部產生鹽狀結晶，改變混凝土內部理化特性。在此過程中，Cl-參與反應的方程式如式（1）、（2）所示。可見Cl-會在銹蝕反應過程中起到催化劑的作用，且會逐漸積累［17］。

另一方面，混凝土內部是高堿性的環境，其內部的鋼筋應處于被保護的鈍化狀態下，但是SO42－會和混凝土內的Ca2＋，Mg2+和Na+反應生成CaSO4，MgSO4，Na2SO4等難溶性物質，硫化物與硫酸鹽也會與固態水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石，反應式見式（3）～（5）。在這個過程中結晶體體積膨脹4～5 倍而產生膨脹壓力，進而導致混凝土膨脹開裂，引起抗拉、壓強度的性能劣化［18］。

濱海的高濕度環境使鋼筋的銹蝕更加容易發生。寧波市北倉區沿海地帶服役30 年的4 座橋梁，T形梁局部損失率達13.1%～51.0%，且越靠近橋墩，破損更嚴重［19］。山東日照沿海地區長期服役的濱海大橋邊梁側面混凝土表面上有大面積層裂、空鼓破損，80%的護欄產生順筋脹裂，基本上喪失原有作用［20］。

2.2 冷熱溫差變化作用

鋼筋混凝土表面散熱能力弱，當外部環境變化引起混凝土表面與中心形成過高的溫度梯度時，表面會產生拉應力，當超過抗拉強度時即產生溫度裂縫［21］。濱海環境的高濕度與冷熱循環致使凍融加劇混凝土的破壞。水泥混凝土受凍后會出現微小裂紋，在外部荷載作用下裂紋繼續發展，進而出現開裂、斷板等破壞現象。由于凍融的發生，部分結構強度下降，當所需的疲勞應力不能得到滿足便出現破壞現象［22］。

濱海的高Cl－條件也會造成獨有的離子凍融破壞現象，濱海環境中滲入混凝土結構的NaCl 結冰后體積膨脹率和滲透性增大，具體表現為飽和后的混凝土表面層嚴重剝落［23］。凍融次數越多，混凝土中Cl-的擴散系數越大。濱海混凝土需要在如此環境下發揮作用多達數十年，多次凍融的出現，使得內部Cl-含量越來越高，產生不可避免的離子凍融破壞。另外，我國東部和東南部濱海地區多處于亞熱帶，雨水比較充沛，水分沿著道路表面的孔隙或毛細孔通道向內部滲透，在反復凍融的情況下，結構也會產生裂縫影響使用［24］。溫度裂縫成因示意見圖1。

圖1 溫度裂縫成因示意

2.3 土體物理性質影響

我國濱海地區土壤的含水率差異性大，土體承載能力相差較大。海岸地帶淺部淤泥含有大量泥炭和有機質，大多處于欠固結狀態，物理力學指標變化極具不均勻性。研究表明，經長期變形破壞的土體，結構性喪失后其抗剪強度僅為一般抗剪強度的40%～50%［25］。以寧波為例，寧波地區的軟土主要為淤泥質粉質黏土和淤泥質黏土，含水量高，具有典型的海綿結構和層理結構，很多房屋和路面的沉降明顯。由于結構產生不均勻沉降或位移，產生附加應力，超出了結構的抗拉能力，導致裂縫產生。

3 濱海混凝土結構防護

腐蝕是加劇結構裂縫的催化劑，各國在建筑物防腐上投入了極大的人力與財力。我國近幾年成立了諸多針對濱海防腐的國家級實驗室，比如“海洋涂料國家重點實驗室”。目前，主要從原料與防腐涂層兩個層面增加鋼筋混凝土耐腐蝕性能。

3.1 混凝土原料優化設計

（1）配合比。在混凝土的配合比設計上采用高性能混凝土，其拌合料具有高塑性，且在凝結硬化過程中和硬化后的體積穩定［26］。高性能混凝土具有較少的毛細孔，使其具有較高的抗Cl-滲透性能。同時高性能混凝土一般在優化了配合比的基礎上，添加了減水劑等外加劑，提高了混凝土的耐久性，從而能夠適應更長時間的濱海建筑作業。多數高性能混凝土抗腐蝕能力的提高是通過對混凝土內部毛細孔道的優化來達到的，在實際操作中，要確保孔道壓漿的密實性［27］。

（2）骨料。骨料占混凝土質量的70%～80%，其對混凝土的耐酸腐蝕具有重要作用［28］。通過測試，抗腐蝕混凝土的骨料應優選比表面積更大的鈣質骨料，且粗骨料的堅固性指標不得大于8%，最大粒徑不得大于40 mm［29］。

在骨料的選擇時，也需要考慮到混凝土的堿集料反應。其中發生率較高的ASR 的發生機理是骨料中含有堿活性硅質礦物與混凝土孔隙中的鈉、鉀離子反應產生凝膠吸水膨脹，而ASR 破壞往往在混凝土澆筑完成的多年后發生，且一旦發生，將難以控制，嚴重影響混凝土的耐久性能。鈉離子在海洋中大量存在且海水易通過毛細吸附進入混凝土內部，更容易加速ASR 破壞的產生。選擇低堿的鈣質骨料能夠在一定程度上提高混凝土耐久性，而為了保證混凝土結構基體的均質性，一般不推薦使用粗骨料。

（3）水灰比。水灰比與混凝土強度呈反比，但在抗腐蝕水灰比的選擇中，需要充分考慮環境溶液的離子濃度，李雙喜等人通過對不同水灰比配件的耐腐蝕研究證明，改變水灰比以達到長期抗腐蝕的目的具有一定局限性，不考慮環境離子濃度，直接采用優化水灰比的高抗腐蝕水泥混凝土可能會留下安全隱患。我國《水運工程混凝土施工規范》規定海水水位變動區的混凝土結構水灰比最大允許值為0.45～0.55［30］。

（4）外加劑。濱海地區鋼筋混凝土外加劑主要分為礦物外加劑和化學外加劑兩類，其種類繁多、功效不一，具有緩凝、增加和易性、改善塑性和防腐蝕等功能。以常見的摻入型的含亞硝酸鹽阻銹劑為例，它在鋼筋位置發生的反應見式（6）。

亞硝酸根促進鐵離子生成具有保護作用的鈍化膜（νFeOOH）。當結構處在濱海環境中，Cl-的破壞作用與亞硝酸鈉的成膜修補作用競爭進行，當后者作用更大時，鋼筋銹蝕便會停止［31］。

3.2 防腐涂層技術

在混凝土結構表面或者內部鋼筋表面進行涂層防護，能有效提升混凝土結構的抗裂性能。混凝土表面涂層類型見表1。

表1 混凝土表面涂層類型及主要特性

國內主要使用環氧樹脂作為濱海地區鋼筋混凝土結構涂層。其適用于處在潮濕環境或侵蝕性介質中的各類結構，有效地延長結構的使用壽命。但環氧樹脂固化產物存在交聯密度高、韌性差、耐紫外線光能力差等弊端，國內外也利用有機硅［32］、丙烯酸［33］和聚氨酯［34］等材料對環氧樹脂進行改性，提升涂層抗滲透性能和防腐性能。

4 濱海鋼筋混凝土結構裂縫修補材料及技術

裂縫修補技術主要有傳統的開槽式修補、灌漿式修補、表面式修補。面對復雜多變的濱海環境，傳統的修補方法在經濟性、技術性、耐久性、可逆修復性等方面無法滿足更高的要求。基于此，濱海混凝土的修補開始更新傳統技術和應用新型修復材料。

4.1 灌漿式修補技術

灌漿技術又稱為注漿技術，它是將一定的材料配制成漿液，用壓送設備將其灌入地層或縫隙內使其擴散、膠凝或固化，以達到加固地層或防滲堵漏的目的［35］。

目前我國針對不同沿海微環境情況下的裂縫采用不同的灌漿材料和灌漿手段。在灌漿材料的選擇上，除去傳統的黏土類、水泥－水玻璃類注漿材料外，多選擇柔性灌漿的聚氨酯類（PUR）灌漿材料［36］，其化學成分為聚氨基甲酸酯類高聚物。聚氨酯類材料的水溶性配比物漿材遇水后體積可膨脹數倍，且具有良好的滲透性和擴散性，在使用過程中，無顆粒及沉降現象，適合濱海環境下的混凝土結構裂縫修復。

4.2 表面修補技術

濱海地區的混凝土裂縫表面修補技術可細分為表面封閉技術和堵漏技術。表面封閉技術是通過在細微裂縫表面涂膜以減少有害介質的進入，采用的密封材料通常為聚合物水泥、油漆、瀝青和彈性封縫膠等，適用于濱海地區路面及房屋結構大面積微裂縫防滲、防漏的處理。如圖2 所示，依據裂縫的性質，區分是否需要加裝由塑料薄膜或蠟紙制備的隔離層。表面封閉技術在材料方面取得長足的進展，磷酸鎂水泥［37］、單聚合物復合砂漿［38］、偏高嶺土地聚合物包裹下的膨脹珍珠巖［39］等材料，均具有良好的抗Cl-腐蝕性能和優異的致密性，一定程度上起到防護的作用。

圖2 表面修補技術

堵漏技術指對于應力集中或者結構復雜的開裂段，可以在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布或貼縫帶等來抵抗開裂的拉力。現階段我國的濱海地區貼縫帶從上至下分為高粘接材料、高彈性聚脂、高分子彈性材料、抗撕裂進口無紡布或柔性聚乙烯，四部分之間形成止漏且具有良好骨架的整體。

4.3 電化學沉積修復技術

電化學沉積修復技術是一種高效的濱海鋼筋混凝土裂縫修復方法。其將混凝土裂縫浸入惰性電極的電解質溶液中，鋼筋連接外接電源的負極，惰性電極連接正極，形成閉合回路，并通入電流［40］。混凝土內部的鋼筋作為陰極，在通電后釋放氫氧根離子［式（7）］，并在電位差的作用下，從陰極穿過混凝土保護層向陽極運動［式（8）］［41］。在裂縫處形成難溶沉淀物［如ZnO，CaCO3和Mg（OH）2等］，愈合混凝土表面裂縫，以Mg（NO3）2電解液為例［式（9）］。電化學沉積修復技術修復后的混凝土孔徑分布與電流密度、電解液濃度等多因素有關［42］。

4.4 微生物修復技術

海洋中的微生物與鋼筋混凝土結構間存在著相互作用的關系。一方面，其附著在混凝土表面生成的生物膜會促使大型污損生物的附著生成，促進裂縫產生；另一方面，通過將微生物養護在特定的營養環境下，發生降解［式（10）］，其可析出碳酸鈣、氧化物及胞外聚合物等沉淀［式（12）］，可對混凝土裂縫進行修復［43］。微生物在生成脲酶的同時，也為碳酸鈣的沉積提供了成核地點［44］。現階段，對菌種的選擇也更加多樣，巴氏孢桿菌［45］、嗜堿芽孢桿菌［46］和巴氏芽孢八疊球菌［13］等均被應用于混凝土裂縫修復工程中，但總體上由于高成本和操作復雜性，在濱海環境下應用較少。

5 結論

本文基于濱海環境特有的性質和特點，分析造成鋼筋混凝土結構裂縫開裂和腐蝕的原因，并總結混凝土路面結構的防腐、裂縫的傳統修補技術及新型高效的修補技術的研究進展。

濱海環境的復雜性會加速混凝土結構裂縫的開裂，給工程修補帶來不便。傳統處理方法是開槽時將微裂縫的混凝土去除，再填補修補劑，比如，MPC 等新型水泥作為修補材料的組成進行裂縫的修補，同時可起到一定增強混凝土耐腐蝕的能力。然而目前的裂縫修補技術大多還停留在有機物灌漿修補的階段，但是有機物成本較高，結構復雜。無機修補材料的研究還有很大的提高空間，比如MPC 材料等。電化學沉積修復技術具有良好的修復效果，但通電作用會在一定程度上損傷混凝土結構的力學性能。生物誘導式修補由于成本和技術的局限性，目前還處在理論和實驗室階段，有待更多的工程驗證。隨著海洋基礎設施的大規模建設和工程服役環境的復雜化，混凝土結構后期的養護和裂縫修補會成為一項亟須解決的工程問題。因此，對于濱海環境鋼筋混凝土所產生的裂縫要開發有針對性的長效修補技術，才可以更大程度地提高工程服役壽命。