海岸水位變動區早齡期混凝土耐久性失效防治方法及案例分析

趙程磊 俞鐵勇 張 軍 毛江鴻 宋 鑫

1. 國家電網舟山電力公司 浙江 舟山 316004；2. 浙大寧波理工學院 浙江 寧波 315100

混凝土結構內鋼筋表面的氯離子濃度達到一定閾值會造成鋼筋鈍化膜破壞，進而發生銹蝕[1]。隨著銹蝕程度增加，混凝土結構將出現保護層開裂剝落、剛度降低、承載能力下降等一系列安全耐久性問題，嚴重影響結構的服役性能和壽命。大量國內外工程案例表明，由于鋼筋銹蝕而進行必要的結構修復、加固和重建等需要巨大的經濟社會成本[2-4]。海洋環境中的混凝土結構非常容易遭受氯離子侵蝕[5]，必須嚴格控制建造期和服役期的氯離子侵蝕并采取適當的耐久性保障措施。

海洋環境是一個整體、籠統的概念，根據其對結構的作用方式與特點，一般可分為水下區、潮差區、浪濺區和大氣區等[6]。結構處于不同的區域時，鋼筋銹蝕速率存在較大的差異。在海岸水位變動區域（潮差區、浪濺區），結構受到海水干濕交替的作用，氯離子的侵蝕作用最為嚴重[7]。當海洋水位較高時，氯離子通過毛細吸附作用不斷侵入混凝土對流區，并進一步通過擴散作用向混凝土內部移動；當海洋水位下降時，混凝土表面由于水分蒸發而不斷干燥，此時對流區部位氯離子濃度升高而向內部擴散[8]。因此，在干濕交替的作用下，水位變動區混凝土內部氯離子不斷快速累積。而對于施工期結構，由于混凝土尚未完全凝結硬化，極易遭受氯離子侵蝕[9]。金南國等[10]發現早齡期混凝土內部孔隙率和孔徑均較大；朱勁松等[11]和李晗[12]的試驗研究表明，早齡期混凝土氯離子擴散系數明顯較大、滲透性較高。因此，對于處于海岸水位變動區，特別是地基基礎等下部混凝土結構，施工期采取耐久性保障和防治措施尤為重要。

本文分析了水位變動區混凝土結構的耐久性特點和劣化原因，通過工程案例證實了電化學修復技術對提升早齡期混凝土耐久性的有效性，并分析了實際應用電化學方法的技術要點。

1 水位變動區混凝土結構的耐久性保障措施

一般而言，提升混凝土工程設施耐久性的主要措施包括：“防”“抗”和“治”[13]。其中：“防”是指在新建結構前，預先采取適當措施防止鋼筋銹蝕，主要包括在混凝土和鋼筋表面涂抹防腐涂層[14-16]、在混凝土拌和物中添加阻銹劑、陰極保護法等；“抗”是指提升材料和結構自身的性能，抵抗侵蝕性介質的影響，主要包括使用耐腐蝕鋼筋、提高混凝土抗滲性、控制原材料氯離子含量等；“治”主要是通過修復技術對已建結構進行修復提升，延長使用壽命，主要包括修補法[17]、陰極保護法、電滲阻銹法[18]等。

對于處于水位變動區的已建混凝土結構，上述耐久性措施普遍適用。但是對于處于水位變動區的新建混凝土結構，由于早齡期混凝土抗滲透性差、氯離子污染風險高，極易造成施工質量檢查不過關和鋼筋過早腐蝕的情況。電化學方法的基本原理是通過外加電源，以結構內部鋼筋為陰極，并在結構外電解液中布置金屬網作為陽極，形成外加電場。恰當控制外加電流密度、通電時間、增益陽離子種類和濃度等因素可以將結構內部的氯離子等陰離子遷移到結構外陽極中，同時也可遷入增益陽離子以增強對鋼筋的防護作用或提升混凝土的性能，如圖1所示。由于早齡期混凝土的高滲透性，增益陽離子和氯離子的遷移效率都將大幅提升。因此，電化學修復技術對于早齡期混凝土同樣具有很好的使用效果。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

江蘇南通某工業廠房位于黃海海岸，基礎形式為柱下獨立基礎，結構設計使用年限為50 a。基礎及主要混凝土構件的混凝土強度為C30。該廠房的基礎結構在施工建設中使用了氯離子含量超標的海砂，且在回填土開挖后海水滲出現象明顯，水位快速升高。基礎承臺、承臺柱等部位已受到海水浸泡。根據業主方提供的檢測報告，抽檢的基礎承臺、承臺柱的氯離子含量（質量分數，下同）為0.337%、0.308%，均已超過規范要求（≤0.20%）。該廠房尚處于施工養護期，雖還未出現明顯的耐久性劣化現象，但若不采取有效措施，后續的正常使用性能將受到嚴重危害。

2.2 現場病害調研

技術人員現場隨機抽取2處承臺及3處承臺柱，各鉆取1根芯樣，如表1所示。取樣深度大于鋼筋保護層厚度，樣品密封保存和運輸，根據JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》，采用電位滴定方法進行氯離子含量的測定。

表1 氯離子含量檢測結果

mw—混凝土配合比中每立方米混凝土的用水量，kg。從表1可知，抽檢的5處位置保護層深度以內混凝土中氯離子含量占膠凝材料質量的百分比均超過規范的規定。

2.3 電化學修復實施要點

1）分塊修復。由于待修復區域較大，不同位置混凝土電阻率差異較大且電源負荷能力有限，需進行區域劃分以保證修復效果。電化學修復之前，首先應根據設計施工圖紙查明各構件中鋼筋的位置、直徑、數量、長度特征以及混凝土保護層厚度，以便計算修復參數和確定電源連接位置。修復區域劃分與參數設計主要考慮構件內鋼筋特征、混凝土電阻率、直流電源最大功率與場地情況等多個影響因素。電遷區域尺寸設計按式（3）、式（4）計算：

不同位置的承臺與承臺柱中鋼筋特征、混凝土電阻率的差異較大，因此不同位置的構件采用不同的電遷參數，電遷參數的設計計算如表2所示。

表2 電遷參數設計

2）裝置安裝和檢查。先將建筑毯切割成塊，按劃分的區域包裹住構件表面，再把鋼絲網緊貼在建筑毯上。在建筑毯上均勻澆水，至建筑毯完全濕潤后，蓋上塑料膜減少水分蒸發。鉆開混凝土保護層，用導線分別將鋼絲網和鋼筋連接至直流電源正負極。

修復裝置安裝完成后，將直流電源集中放置，便于管理。由于電源長時間處于滿負荷工作狀態，部分電源可能會出現故障或電流不穩定，每日定期巡檢，及時發現并更換故障電源，調整電流密度以精準控制通電時長。修復期間還應定期澆水，保證修復區域高濕潤度。

2.4 修復效果分析

在所有修復區域達到通電時間后，再次對抽檢構件進行氯離子含量檢測以判斷修復效果。檢測方法與修復前相同，取芯位置為修復前的臨近位置。氯離子含量的檢測結果如表3所示。

表3 電化學修復后氯離子含量檢測結果

由表3可知，氯離子遷出效率為60%～69%，修復后氯離子含量均滿足規范要求。

3 結語

1）綜述了腐蝕性服役環境下混凝土結構的耐久性保障措施。對于處于水位變動區的早齡期混凝土滲透性較高，可利用電化學修復技術遷出氯離子，有效保障結構的耐久性。

2）結合工程案例，對海岸水位變動區早齡期混凝土耐久性失效時，電化學修復技術的應用要點分析，包括修復區域分塊、參數設計、裝置安裝與維護等。電化學方法的有效性也得到了驗證，本工程所采用的電化學方法對氯離子的遷出效率可達60%以上。