海洋環境下混凝土結構耐久性問題研究現狀

楊校宇，唐軍務

（海軍工程大學勤務學院，天津　塘沽　300450）

海洋環境下混凝土結構耐久性問題研究現狀

楊校宇，唐軍務

（海軍工程大學勤務學院，天津塘沽300450）

海洋環境下的鋼筋混凝土結構受氯鹽腐蝕十分嚴重，如果不采取有效保護措施，使用壽命甚至不足 10 年，遠遠達不到設計使用年限，而且耗費巨額的維修和加固費用，甚至拆除重建。提高海工混凝土耐久性的主要措施是采用高性能混凝土，其它的輔助措施可歸納為三類：鋼筋保護、混凝土保護和混凝土表層處理。每種措施的優缺點及適用性不同，在實際工程中，往往是根據腐蝕情況和環境特點進行選用。

海洋環境；混凝土；耐久性；保護措施

0　混凝土耐久性簡介

混凝土結構的耐久性是指在預定作用和預期的維護與使用條件下，結構及其部件能在預定的期限內維持其所需的最低性能要求的能力。在實際工程中，由于材料老化、不良使用條件等因素造成混凝土腐蝕及內部鋼筋銹蝕的情況比比皆是，往往達不到預期使用壽命。結構腐蝕造成的經濟損失是巨大的。我國對混凝土耐久性的研究起步于 20 世紀 50 年代初的治淮工程（修建梅山、佛子嶺水庫大壩）[1]，但結構耐久性問題在我國引起廣泛關注是在 1980 年以后，特別是在1992 年，中國土木工程學會混凝土與預應力混凝土分會成立了混凝土耐久性專業委員會，極大地推動了我國混凝土耐久性方面的研究。

引起混凝土結構耐久性失效的原因存在于結構全壽命周期內的各個環節，包括結構的設計不合理、施工技術不完善及使用階段外界環境中腐蝕介質的侵蝕或維護不當等。研究混凝土的耐久性要綜合外界環境 (大氣環境和局部環境)、結構型式、應力狀態三方面因素。從研究對象的角度又可分為材料、構件和結構三個層次。材料層次的研究重點是腐蝕機理、防腐蝕技術措施、評定標準和腐蝕狀態識別等。本文主要介紹的是防腐蝕技術措施。

1　氯鹽是導致海洋環境下混凝土結構腐蝕的首要因素

影響混凝土耐久性的主要因素集中在 4 個方面，即鋼筋銹蝕（包括氯鹽腐蝕、保護層中性化、雜散電流腐蝕）、凍融作用、鹽類侵蝕、堿骨料反應。在海洋環境下，混凝土結構物長期處于氯鹽環境，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕導致混凝土結構破壞而造成的經濟損失和危害居于首位。通常情況下，鋼筋在混凝土的高堿環境中呈鈍態而不受腐蝕。處于海洋環境下的混凝土結構，由于大量氯離子侵入到混凝土內部到達鋼筋表面，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使被保護的鋼筋受到嚴重腐蝕，銹蝕產物體積膨脹使混凝土保護層脹裂甚至脫落，嚴重威脅混凝土結構物的安全性與使用性。另一方面，氯鹽對混凝土本身也有破壞作用。在干濕循環條件下，氯鹽的結晶會使混凝土產生大量的裂縫。在北方地區，氯鹽與凍融共同作用，加速了混凝土的損傷[2]。

2　提高海洋環境混凝土結構耐久性的方法

氯離子進入混凝土主要通過兩種形式：一是澆筑混凝土時連同拌合物摻入進去，二是外界氯鹽環境的滲入。規范中明確規定海工混凝土中骨料、拌合水、外加劑等帶入混凝土中的氯離子總量，不得超過混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。實際工程往往采用耐久性良好的高性能混凝土來抑制外界氯離子的侵入。但是，為了滿足更高的設計使用年限，僅依靠高性能混凝土是不夠的，還必須加以輔助措施。輔助措施可歸納為對鋼筋的保護、對混凝土的保護和對混凝土表層進行處理三個方面。

2.1采用高性能混凝土

高性能混凝土是指通過摻加火山灰質材料，如微硅粉、磨細礦渣或粉煤灰，使混凝土電阻率增加，增強了混凝土抵抗氯離子滲透的能力，達到延遲銹蝕的起始時間和降低銹蝕開始后的銹蝕速率。概括來說就是能夠更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結構的使用壽命，降低造價。高性能混凝土在我國港工建筑物的建設中廣泛應用，也是海工混凝土提高耐久性措施的首選方法。高性能混凝土通常采用的水膠比是 0.3～0.4，礦物摻合料的總量通常為 50%～70%。

2.2針對鋼筋的保護

2.2.1電化學保護法

主要原理是給金屬補充大量的電子，使被保護的金屬處于電子過剩的狀態，金屬表面各點達到同一負電位。陰極保護法有外加電流和犧牲陽極兩種方式。

外加電流法是將鋼筋與直流電源的陰極相連，通電后使鋼筋極化至保護電位。采用外加電流陰極保護法應注意，預應力或次應力鋼筋不利于電流的分布，極易發生氫脆危險而不能實施陰極保護系統。存在內部強堿性聚集反應的結構會加重內部堿性反應，也不能實施陰極保護系統。工程實踐表明，一些處于一般惡劣環境的結構物采用此法在經濟上并不劃算，處于酸根離子或氯離子等腐蝕破壞初期的混凝土結構進行該方法所表現出的性價比最高[3]。主要應用于除冰鹽危害的地方，如高速公路、橋面、停車場等。

犧牲陽極法是將電性更負的材料（犧牲陽極）與鋼筋相連，通過陽極與鋼筋之間的電位差使陽極材料溶解，而鋼筋得到保護。相比外加電流法，該系統安裝簡便，不必經常維護管理，不會過保護及發生氫脆，但提供的保護電流有限。

2.2.2采用鋼筋防護涂層

鋼筋防護涂層可以分為金屬和非金屬兩類。金屬防護涂層又可分為鈍化膜型（如鉻基鍍層）和犧牲型（如鍍鋅層）兩種[4]。如果應用于海水環境并且混凝土質量較差，則金屬防護涂層效果較差。非金屬防護涂層主要為有機類，以環氧涂層為主，其它的還有聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等。環氧樹脂粉末的涂覆使得鋼筋表面較為平滑，降低了與混凝土之間的握裹力，且涂層缺陷難以避免，在腐蝕環境下缺陷處形成強陽極從而加速鋼筋腐蝕。

2.2.3摻加鋼筋阻銹劑法

加入鋼筋阻銹劑是通過對鋼筋的鈍化作用或抑制銹蝕的產生與發展達到保護鋼筋的目的。阻銹劑有多種分類方式，常見的是按作用方式和應用對象劃分為摻入型和滲入型兩種。摻入型主要用于新建工程，也可用于修復工程。滲入型多為低粘度的液體，通過在混凝土表面的噴涂滲入到鋼筋表面，使鋼筋重新鈍化，達到修復的目的。在實際工程中，鋼筋阻銹劑配合高性能混凝土是比較常用和有效的方法，不僅簡單經濟，而且能夠達到雙重保護的目的。

2.3針對混凝土的保護

2.3.1提高混凝土保護層厚度

混凝土保護層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須有足夠的厚度，混凝土保護層厚度對于阻止腐蝕介質接觸鋼筋表面起著重要作用。海工混凝土應該適當加大其保護層厚度。JTJ 275－2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》規定：海水環境鋼筋最小保護層厚度 50mm，預應力鋼筋最小保護層厚度 75mm，其中浪濺區最小保護層厚度 90mm。

2.3.2使用透水性模板

透水模板技術是指利用透水模板布這種新型建筑材料，在混凝土施工時將透水模板布貼在模板內壁，形成透水模板，主要用于改善表層混凝土質量，避免表層混凝土因為普通模板的不透水、不透氣而使孔隙率變大。使用透水性模板經濟實用，尤其適用于對保護層有嚴格要求的施工建設中。我國對透水模板布的性能要求主要有透氣性、排水能力、保水能力和撕破強度等，均是針對透水模板布的材料本身性能的測試。

2.4通過對混凝土表層處理進行保護

2.4.1成膜防護涂料

目前混凝土工程采用的成膜型涂料主要包括環氧涂料、聚氨酯涂料、脲彈性體涂料、丙烯酸乳膠漆、氟樹脂涂料等。環氧涂料在海港及橋梁工程中的應用尤其突出，是最重要的海洋鋼筋混凝土防腐涂料，其對抗氯鹽高性能混凝土耐久性的改善作用非常明顯，缺點是隨著時間的推移，環氧樹脂涂層的性能會出現劣化，長期防護效果不足。

2.4.2水泥基滲透結晶防水材料

水泥基滲透結晶防水材料作用機理是材料中含有的活性化學物質通過水向混凝土內部滲透，與混凝土中未發生反應的水泥成分發生二次水化反應，在混凝土中形成不溶于水的結晶體，填塞毛細孔道，從而使混凝土致密防水。對于滲透結晶防水材料，國外無相應的標準可以參照，我國對滲透結晶防水材料的性能要求主要有第二次抗滲壓力以及對混凝土的安定性、凝結時間、抗折抗壓強度等的影響[5]。

2.4.3有機硅滲透性防護涂料

目前有機硅涂料主要包括水溶性有機硅、溶劑型有機硅、膏體型有機硅等三種類型，應用最廣泛的主要為有機硅烷和膏體硅烷。有機硅涂料與其他防水涂料不同，它是利用混凝土的可滲透性，滲入到混凝土表面一定深度，采取滲透保護，而不是通過封堵空隙或表層毛細孔，這樣保證了基材的透氣性和自然外觀。我國對有機硅滲透型防護涂料的性能要求主要有有機硅滲透深度、吸水率和吸水量比、氯離子滲透深度等。

2.4.4包覆隔離防護

指對處于水位變動區等部位采取物理包裹，隔絕與外界直接聯系，延長這部分使用壽命。包覆隔離防護一方面延緩氯離子向混凝土內部的擴散，另一方面也能阻止海水對混凝土的其他破壞，所以在提高結構使用壽命方面效果很好。

3　結語

影響混凝土耐久性的因素眾多，研究周期較長，需要以長期的實踐經驗為依托。我國在海港工程耐久性技術上已經取得了很大進步，從 20 世紀 80 年代以前的不到 20 年，發展到現在可以達到 50 年甚至 100 年。除結構的使用壽命外，全壽命總成本也是工程建設和營運管理必須要高度重視的一個重要問題。在海洋這類強腐蝕環境中的建設工程，必須采用“以防為主”的戰略，結構因發生腐蝕破壞而投入的加固維修費用要遠高于建設時采用預防措施的投入。未來有關混凝土耐久性方面的研究將更加深入，如反映工程實際狀態的荷載與環境耦合作用下耐久性問題、結構壽命與材料早期性能之間定量關系的建立等將會是耐久性研究的重要方向。此外，新型材料、監測技術等交叉學科將會在混凝土耐久性研究中凸顯更為重要的地位。相信通過各界的重視和廣大科研人員的不懈努力，我國的海工混凝土耐久性技術必將進入世界先進行列。

[1] 陳改新．混凝土耐久性的研究,應用和發展趨勢[J]．中國水利水電科學研究院學報，2009，7(2)：120-125．

[2] 賈麗坤，宋玉普．處于海洋環境的鋼筋混凝土耐久性研究[J]．混凝土，2002 (12)：3-5．

[3] 杜榮歸，黃若雙，趙冰，等．鋼筋混凝土結構中陰極保護技術的應用現狀及研究進展[J]．材料保護，2003，36(4)：11-14．

[4] 吳金岳，吳松貴，徐旭峰，等．環氧涂層鋼筋及其應用[J].腐蝕與防護，2004，25(3)：105-108．

[5] 王國醒．抗氯鹽高性能混凝土表層處理技術對比研究[D].華南理工大學．2012．

［通訊地址］天津市塘沽區河北路一號（300450）

楊校宇（1989－），碩士學歷，主要從事混凝土結構耐久性方面研究。