涉海混凝土橋梁腐蝕裂化與防護措施研究

孟召輝

(盤錦河海土木工程咨詢有限公司，遼寧 盤錦 124200)

調查顯示，我國海岸線長達上萬公里，跨海橋梁等海工建筑數量正隨著海洋領域中人類活動的加速擴展而急劇增多，沿海地區基礎設施建設規模不斷擴大[1-2]。在運營過程中沿海地區混凝土橋梁承受著風浪、海潮等自然環境的侵蝕以及正常車輛荷載的多重作用，混凝土中的鋼筋受海風和海水中的氯離子侵入發生銹蝕，結構安全可靠性明顯下降，大大縮短了結構的使用年限[3]。鑒于此，文章全面探討了混凝土橋梁在海洋環境下的裂化機理，并結合實踐經驗提出增強其抗腐蝕性能的措施，旨在延長結構使用壽命和改善混凝土耐久性。

1 海洋環境下混凝土裂化機理

常溫條件下，海水的pH值處于7.5-8.6范圍，一般含有多種可溶性鹽如表1，整體鹽度達到3.0%-3.8%范圍。海洋環境下，受離子的化學侵蝕作用混凝土結構發生腐化裂化的形式主要有兩種，即海水中氯離子Cl-1誘發的鋼筋銹蝕及鎂鹽、硫酸鹽對混凝土水化產物的腐蝕。

表1 海水中主要鹽分元素的濃度

1.1 氯鹽的腐蝕作用

海洋環境下混凝土結構耐久性能主要受氯離子侵蝕誘發鋼筋銹蝕的影響，鋼筋混凝土橋梁受海洋環境的作用，其使用年限大多不超過30a，服役時間較短主要與氯鹽誘發的鋼筋銹蝕相關[4]。海洋環境下氯離子誘發鋼筋銹蝕的作用機理，可以從以下方面加以探討：

1)鈍化膜破壞。水泥水化形成的高堿性環境會使鋼筋表面發生鈍化，并形成一層有效防護鋼筋的致密鈍化膜。Cl-通過微裂縫或孔隙達到鋼筋表面吸附于鈍化膜處，鈍化膜局部發生酸化，pH值快速下降致使鈍化膜逐漸出現破壞。

2)構成腐蝕電池。Cl-破壞鈍化膜后，局部鋼筋的鐵基體露出，并與鈍化膜完好的部位形成腐蝕電池，即存在電位差。

3)陽極去極化作用。Cl-的存在能夠加速陽極反應，并且反應過程中起著循環破壞作用，并未被消耗掉，Cl-充當加速鋼筋銹蝕的催化作用，其反應過程如圖1所示。

4)導電作用。離子通道為構成腐蝕電池的關鍵要素，在腐蝕電池中Cl-的存在降低了陰、陽級之間的電阻，強化了離子通道使得腐蝕電流效率明顯提高。

圖1 Cl-的去極化作用

一般地，氯離子達到鋼筋表面的方式有“外滲”和“內摻”兩種[5]。其中，“外滲”是指海洋環境中含有的大量氯鹽經混凝土內部孔隙或微裂縫達到鋼筋表明，富集到一定程度后氯離子就會造成鋼筋的銹蝕，為延緩鋼筋的銹蝕必須對氯離子的滲透加以限制，從而保證結構的使用壽命。“內摻”是指外加劑、水、集料等混凝土原材料中可能會含有一定量的氯離子或氯化物，混凝土拌制初始就摻入了氯離子，因此為防止鋼筋銹蝕要求混入混凝土中的氯離子不能超過一定的界限值。

1.2 鎂鹽和硫酸鹽腐蝕

海水中的鎂鹽主要是指MgSO4和MgCl2，水泥水化生成的Ca(OH)2可與這些離子發生以下反應，即：

Mgcl2+Ca(OH)2→Cacl2+Mg(OH)2

(1)

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→Mg(OH)2+CaSO4·2H2O

(2)

Ca(OH)2與MgCl2反應生成的Ma(OH)2無膠凝能力且松散，其溶解度較低為18mg/L，生成的CaCl2易溶于水，從而降低了水泥漿體的堿度。Ca(OH)2與MgSO4反應既生成無膠凝能力且松散的Ma(OH)2，還會生成加速硫酸鹽腐蝕的CaSO4·2H2O，即引起硫酸鹽和鎂鹽的雙重腐蝕。一定的堿度是維持水泥中水化產物穩定的必要條件，Ca(OH)2的存在保持水泥漿體的pH值處于12.5-13.5之間，Ca(OH)2的消耗會降低維持水化產物穩定的水泥漿體堿度，致使pH值不斷減小，為了維持酸堿度平衡水化硅酸鈣C-S-H等水化產物會分解，水化產物的長期消耗將大大降低水泥石的膠凝性和強度，增大結構的孔隙率甚至引起水泥石破壞。

海水中的SO42-離子濃度能夠達到2500mg/L-2800mg/L之間，水泥水化產物Ca(OH)2會直接與其發生反應生成CaSO4，生成的CaSO4將與單硫型水化硫鋁酸鈣A Fm、水化鋁酸鈣C-A-H反生生成鈣礬石A Ft，即高硫型水化硫鋁酸鈣，其結構式為{Ca6[Al(OH)6]2·24H2O}·(SO4)3·(H2O)2，其中鈣礬石總空間體積的81%被結構水填充，A Ft為體積膨脹2倍-3倍的針棒狀單向生長晶體，已硬化混凝土受繼續生成的鈣礬石約束而產生能力，并進一步引起膨脹性破壞。

2 海洋環境下混凝土橋梁防護措施

海洋環境下混凝土受鎂鹽、硫酸鹽的腐蝕作用比較緩慢，而混凝土橋梁耐久性主要取決于氯離子誘發的鋼筋銹蝕[7]。因此，為延長海洋環境下混凝土橋梁的使用壽命，增強其抗環境腐蝕的能力，可從電化學防護、混凝土表面涂層和設計等角度采取有效的措施。

2.1 電化學修復技術

電化學防護主要有新發展出的雙向滲透法、電滲阻銹法、電沉積修復法、電化學除鹽法、外加電流或犧牲陽極的陰極保護法等。①雙向滲透法：該方法是以電遷移型阻銹劑和電化學除氮技術為基礎發展而成的新型技術，其工作原理是混凝土孔隙液及鋼筋表面的氯離子，在外加電場作用下向陽極遷移進入電解質溶液，而陽離子阻銹劑向陰極遷移，該方法能夠有效降低氯離子濃度，對抑制和修復鋼筋銹蝕發揮著顯著作用。②電化學除鹽法：該方法一般適用于氯離子侵入較多的海工混凝土結構，除鹽法是以鋼筋為陰極，在混凝土表面敷置或買入電解液保持層，將鋼筋網或金屬片設置于保持層中作為陽極，陰陽極間通直流電流以降低氯鹽含量。混凝土中的負離子(如氯離子)在外加電場作用下從陰極向陽極遷移，從混凝土中脫離進入電解質，從而達到除鹽脫氮的目的。③電沉積法：可在電解質中利用電化學脫鹽的方式，即電場作用下海水中的鈣鎂離子等深入混凝土內部，電解質中離子與硅酸鹽形成致密的鹽結晶，從而填充修復內部的縫隙，實現混凝土的修復保護。④外加電流或犧牲陽極陰極保護法：該方法以陽極網、鑄鐵或活潑金屬為陽極，鋼筋為陰極，外加一定電壓的直流電使鋼筋附近不發生氧化反應，或者用導線連接陰陽極，通過發生原電池反應達到保護陰極的目的。

2.2 混凝土表面涂層

表面涂層能夠有效防止Cl-、CO2、水分等有害介質向混凝土內部的侵入，一般有聚氨酯/聚脲(SPUA)、有機硅憎水滲透劑、防腐蝕涂料等防護材料。①聚氨酯/聚脲(SPUA)：相對于常規的表面防護材料其具有許多優異的物理化學性能，如環境溫濕度適應性好、強度高、耐老化、自身柔韌性好等，在混凝土開裂的條件下自身不會發生斷裂，并且能夠牢固地抓住混凝土起到保護和防水作用，在實際工程中的應用比較廣泛。②有機硅憎水滲透劑：目前應用效果最好、最廣的防護劑有烷基/烷氧基硅烷及其改性化合物，結構涂覆表面與荷葉表面相類似，水以水珠的形式出現難以在其表面濕潤，有效防止了氯離子等以水為載體有害介質的滲入，發揮防護作用。這類防護劑有不改變混凝土表面效果、處理后保持混凝土透氣性、防護效果持久、抗紫外線、耐酸堿、滲透性強、防水性好等優點，并且不易鼓泡脫落。但也具有易燃、有害或有毒等缺陷，對水環境造成不利影響，因不能受壓力水的滲透而不能用于水中結構。③防腐蝕涂料：涂料也稱為油漆是最常用橋梁防腐蝕措施，在混凝土表面該涂料能夠形成膜，堵塞混凝土毛細孔從而達到隔絕外界物質滲透，發揮混凝土防護作用。然而，這種涂料使得外界空氣與混凝土之間的交換完全隔絕，易引起混凝土脫落和氣泡；此外，混凝土被覆蓋后，若出現其它缺陷則很難被檢測到，后期維修時涂層的除去也較為困難。所以，在使用過程中需要經過多次論證，選擇合適的部位使用。

2.3 橋梁設計的防護

1)結構設計。為延長氯離子達到臨界濃度、海洋環境下氯離子滲入鋼筋表明的時間，可以從結構設計的層面適當增大保護層厚度。橋梁設計使用年限為50年時，橋臺、橋墩的保護層厚度≥45mm，主梁的≥35mm，基礎和承臺的≥65mm；橋梁設計使用年限為100a時，橋臺、橋墩的保護層厚度≥50mm，主梁的≥40mm，基礎和承臺的≥70mm。

2)材料設計。海洋環境下，以膠凝材料總用量的0.1%作為混入氯離子的界限值，對于預應力結構≤0.06%。此外，增強抗滲性和增加密實度是改善混凝土耐久性的關鍵。通過使用減水劑、減少水灰比等能夠有效提高其抗滲性和密實度。混凝土配制所用水泥要符合抗滲性好、抗凍性優、耐腐蝕能力強等要求，優先選用耐腐蝕性或普通硅酸鹽水泥，一般不考慮快硬硅酸鹽水泥等。為提高混凝土抗滲性應合理使用礦物摻合料，如摻入適量的硅粉有利于阻斷毛細孔，有效減少內部空隙；磨細礦粉的合理使用能夠減少水化熱和水膠比，促使水化產物二次反應，明顯降低水泥石孔隙率；將適量阻銹劑摻入混凝土內以及選用環氧樹脂涂層鋼筋或不銹鋼筋，也可以有效防止鋼筋的銹蝕[7-10]。

3 結 語

海工混凝土的環境條件非常嚴酷，混凝土橋梁的耐腐蝕性能受到海水中氯鹽、鎂鹽、硫酸鹽等高含度有害物質的考驗。因此，在橋梁設計中可通過摻入適量的礦物摻合料改善結構的孔隙狀況，摻入阻銹劑增強結構的抗腐蝕性能，增大混凝土材料密實度和保護層厚度提升其抗滲性能。此外，結合結構特點還可選擇合適的電化學及混凝土表層防護方法，從而延長海洋環境下水工結構的使用壽命。隨著新材料、新技術的不斷創新和應用，未來海工混凝土防護方法將越來越多，可為海洋環境下橋梁結構的長效安全使用提供重要保障。