海水侵蝕環境下混凝土耐久性的研究

韓 旭

(營口資產經營集團有限公司，遼寧 營口 115000)

混凝土這種建筑材料一直在建筑領域廣泛應用，到目前為止，混凝土已經在建筑領域中被使用了二百多年。經過兩個多世紀的大量應用，許多的混凝土建筑結構都出現了沒有達到使用年限的現象，這種現象包含了許多因素，其中絕大多數都發生在沿海建筑上，主要的原因是海水中的氯離子腐蝕所導致，建筑中的鋼筋混凝土結構經過長時間的氯離子腐蝕，其鋼筋表面會產生大量的銹蝕產物，這種銹蝕產物在鋼筋混凝土結構內部的長時間堆積就會讓混凝土的保護層出現破裂，而保護層的破裂會進一步加深海水對建筑的腐蝕程度，形成惡性循環，從而讓混凝土建筑的使用年限極大的降低。

近幾年，全世界范圍內的研究人員對混凝土的耐久性進行了大量的實驗，實驗結果全面說明了不同環境下混凝土耐久性是不同的。對混凝土結構進行潮濕養護時檢測氯離子在混凝土結構中的運動速度，能夠明顯的發現潮濕養護下的混凝土結構中氯離子運動速度較慢，并且隨著養護時間的延長，氯離子的運動速度會得到更進一步的降低，極大地提升混凝土結構的耐久性能。與此同時，還有研究表明，混凝土結構在無養護的時候，結構內會出現數量不少的有害孔，與此同時氯離子的運動速度也遠高于潮濕養護下的混凝土結構。

1 混凝土結構在海洋中的應用現狀

隨著全球經濟和科技的高速發展，再加上陸地上的資源儲備不足，越來越多的國家開始構建海洋發展戰略。目前為止構建并施行了新的海洋發展戰略的國家有日本、美國、荷蘭等多個國家。改革開放以來，我國進入了經濟井噴時代，經過多年發展現已經成為了世界上首屈一指的出口大國，由此對海洋的依賴程度較高，在海上占據巨大的利益。與此同時我國“十三五”規劃公布的發展戰略當中，關乎海洋的戰略名列前茅，充分表明了我國對海洋的重視程度。對海洋的開發利用都離不開混凝土這一基礎材料，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用于海洋資源開發和海洋鉆探等領域，所以混凝土在海洋環境中的耐久性便極為重要。

2 海水侵蝕環境對混凝土的影響

海水侵蝕環境對混凝土的影響，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混凝土建筑進行腐蝕，其中又含有外部腐蝕和內部腐蝕兩種腐蝕手段。通俗的解釋就是建設在海水中的混凝土建筑，建筑表面直接和海水接觸時即為海水對混凝土的外侵蝕。隨著時間的推移，海水逐漸滲透進混凝土建筑的內部進行侵蝕，也就是內侵蝕[1]。

在建筑物的使用過程中，大部分建筑物內部的主要結構存在提前損壞問題，其中有一少部分建筑，在還沒有使用的時候就損壞，這些現象都會直接造成各種資源的大量浪費。而海水對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境中經過長時間的海水浸泡，內部的鋼筋被海水銹蝕；另一方面就是混凝土經過海水長時間的浸泡所產生的損壞，為了進一步降低甚至避免海水對混凝土建筑的侵蝕，我國的科研人員為此開展了許多的研究與實驗。

3 海水侵蝕環境影響混凝土耐久性的機理

根據混凝土建筑的受荷時間強度循環次數情況，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部結構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構內部，通過不同離子之間的相互反應，導致在混凝土建筑結構內部產生許多具有不溶性的物質，對混凝土建筑內部的空隙進行填充，能夠讓混凝土建筑的性能和堅固程度進一步提升。隨著時間的推移，海水對混凝土建筑的腐蝕程度進一步加深，這時候產生的不溶物體積會越來越大，給混凝土建筑內部造成沉重的壓力，從而導致混凝土建筑結構遭到破壞，建筑結構的強度開始下降。當破壞逐漸嚴重時，混凝土建筑表面就會出現裂縫，而裂縫的出現會導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部當中進行侵蝕，讓水泥石的功能受到限制，導致混凝土建筑的強度更進一步的下降。

近幾年，許多國內的專家學者對混凝土在不同環境影響之下的使用年限展開了研究。其中對混凝土的干燥養護和潮濕養護對混凝土使用年限的影響的研究更為深入，經過對兩種環境之下混凝土材料進行對比和分析，結果表明處于潮濕養護的狀態下氯離子在混凝土中腐蝕的速度明顯減慢，并且隨著養護時間的延長，氯離子在混凝土中的腐蝕速度會進一步的降低，所以通過這種養護方式能夠讓混凝土建筑的使用年限得到極大的延長[3]。而在干燥養護環境中，混凝土結構中的氯離子腐蝕速度和效率明顯提高，混凝土結構建筑的使用年限也會出現縮減。

在混凝土試件的實驗過程中，最主要的兩種影響因素是：第一，伴隨著海水對混凝土的侵蝕，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，在海水長時間的浸泡和侵蝕下，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。從以上的研究數據對比結果中能夠明顯看出，氯離子對混凝土建筑的腐蝕效率極大的受到混凝土養護手段的影響[4]。所以，在有關海洋的大規模工程項目中，要對混凝土建筑進行嚴格的養護，除此之外，還要建造嚴密的輔助設施，比如混凝土表層防護結構等保護結構的建設，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 混凝土結構防侵蝕的必要性

混凝土結構在建造完成后，隨著時間的推移海水會對水泥進行水化，這個時候混凝土結構的強度會得到極大地強化，這是外部環境對混凝土結構產生的積極影響。隨著海水長時間的浸泡，海水會慢慢腐蝕混凝土結構，造成混凝土結構的強度降低，使用年限大幅度縮減，這是外部環境對混凝土結構產生的消極影響。通過相關研究表明，海水中能夠對混凝土結構產生腐蝕的物質主要是硫酸鹽和鎂鹽。具體的腐蝕過程為，硫酸鹽和混凝土結構內部的物質產生化學反應從而生成體積膨脹的物質，這些生成的物質隨著數量的增加會直接破壞混凝土結構，這就是硫酸鹽腐蝕。鎂鹽和混凝土結構內部的物質產生化學反應生成易溶于水的膠狀物，鎂鹽侵蝕會造成混凝土結構膠結力降低，從而硬度下降。當混凝土結構內部的氫氧化鈣與穿過孔隙進入混凝土內部的二氧化碳氣體發生反應的過程就是混凝土的碳化，這個中和反應的過程會導致混凝土結構純堿度下降，從而導致混凝土結構內的鋼筋保護膜出現損傷，使鋼筋被銹蝕。初始階段的混凝土結構，內部的高堿度是防止鋼筋出現銹蝕的良好環境，但當水汽運載的氯離子進入混凝土內部的時候，由于氯離子自身的特性，會在短時間內給鋼筋表面的保護膜造成嚴重破壞，導致鋼筋發生銹蝕從而力學性能降低，與此同時腐蝕產物不斷累積會破壞掉鋼筋表面的混凝土結構。海洋中細菌等微生物和藤壺等大型污損生物附著在混凝土結構表面就是生物侵蝕，這些海洋生物的代謝分泌物會持續對混凝土結構造成侵蝕。混凝土結構在服役過程由于長時間面對動靜荷載和海浪等沖刷磨蝕，導致其表面受到破壞漏出內部的鋼筋，導致鋼筋混凝土結構發生破壞，此外荷載作用下混凝土出現裂縫等缺陷的概率非常大，一旦出現裂縫就會進一步加劇其他有害因子的化學侵蝕。

從上述侵蝕機理分析可見，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生破壞的重要因素，因此防水勢在必行。此外，隨著海洋生物侵蝕的現象受到越來越多研究者的關注，實際工程環境中，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混凝土的附著。

5 防止海水侵蝕環境對混凝土耐久性影響的策略

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

與此同時，對于混凝土受到海水的侵蝕作用這一點，可以通過加厚混凝土建筑結構的表面保護層，延緩混凝土和混凝土中鋼筋的海水侵蝕速度和程度，從而延長混凝土建筑的使用年限，這種方式是一個最基本的辦法。但是，對于保護層的具體厚度產生了爭議，一些人認為侵蝕混凝土建筑的主要因素是因為海水中的鹽，做出這種判斷主要是依據菲克擴散第二定律，所以海水中混凝土建筑的保護層的厚度應該要達到7.5cm以上。

當存在外界消極因素時，海水對混凝土建筑的侵蝕程度和速度要遠遠超過沒有外界消極因素的影響。基于這種情況，部分研究人員采取對比實驗的方式做了進一步分析，通過對不同應力等級時海水對混凝土的侵蝕程度進行實驗，最后得出了相關結論，即當應力較大的情況時，海水對混凝土的侵蝕速度會大大增加。

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度等級所決定，雖然對混凝土建筑強度等級的影響因素非常多，但是最主要的影響因素仍然是水泥質量的好壞。使用優質水泥制造出的混凝土，其中的聚合物顆粒非常緊密，骨料具有良好的堅韌性，在加上適當的水灰比例，制造出的混凝土建筑強度等級極高，從而對海水的侵蝕所具有的抵抗力越高。這從其他的研究結果當中也能夠得到證明[6]。

混凝土建筑能否有效抵御海水侵蝕最重要的表現是在于混凝土在海水浸泡下的實際表現，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步。目前，相關研究人員由于受到研究設施這些硬件條件的影響，對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內研究人員的重點和難點。有許多的研究人員希望通過升級科研技術來取得突破。相信隨著科技的發展進步，以后必然能夠通過對海水中含有的多種因素對混凝土的影響做出更加深入的研究。

6 結 語

如何提高混凝土建筑在海水中的使用年限，對我國海上事業的發展具有重大的意義，對混凝土建筑在海水侵蝕下的耐久度也有著深遠的影響。經過我國廣大科研工作者的研究和實驗可以看到，若是想要通過對目前的混凝土進行完善和升級，提高混凝土對海水侵蝕的抵御程度，就需要從多個方面進行完善。比如通過完善混凝土的密實程度，選擇優質并且高質量的水泥來制造混凝土，對混凝土表面的保護膜進行加厚等，這些具體手段和舉措的實施，能夠有效減緩海水對混凝土建筑的滲入速度、大大提高混凝土建筑對海水侵蝕的抵抗性，從而讓在海水侵蝕下的混凝土建筑能夠達到我國對混凝土建筑使用年限的基本要求。此外，通過相關研究得出的具體結論有：(1)倘若混凝土在養護期就受到海水的侵蝕，那么就會導致混凝土結構內部出現大量的氯離子，直接影響了混凝土結構的耐久性；(2)壽命預測結果顯示，一旦混凝土結構在養護期受到氯離子侵蝕，耐久性與使用壽命將大幅度減少，經過大量的實驗證明處于養護期的混凝土經過28天的海水環境侵蝕，剩余耐久性使用壽命只有12年；(3)涉海工程結構施工過程在養護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。如果無法實現，結構建造后建議密切跟蹤監測混凝土耐久性，避免出現結構安全事故。