海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學(xué)性能研究進展

程定波 王乾峰

（1.湖北交投產(chǎn)城控股集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟實力的快速發(fā)展，我國的綜合競爭力也有了巨大的提升，為了進一步尋求發(fā)展空間，國家的發(fā)展眼光已經(jīng)從原來的中東部地區(qū)，逐漸擴展至我國東南地區(qū)廣大的海洋之中。但是，相較于陸地，海洋的自然環(huán)境更加惡劣，氯鹽和硫酸鹽等介質(zhì)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕性更為顯著，導(dǎo)致其工程結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定。從目前來看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)前主流的建筑結(jié)構(gòu)形式，主要用于廠房建設(shè)、橋梁、港口碼頭與各種水上結(jié)構(gòu)之中。隨著這一建筑結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用規(guī)模日漸擴大，其受到自然環(huán)境的腐蝕侵蝕效應(yīng)也愈發(fā)普遍，鋼筋混凝土的耐久性和安全性受到影響，成為當(dāng)前工程界頗為關(guān)注的問題。

據(jù)當(dāng)前相關(guān)機構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，鋼筋混凝土在海洋環(huán)境下，僅使用約15 年左右，便出現(xiàn)大范圍的銹蝕、開裂等問題。專家認(rèn)為，海水中的氯離子、硫酸根離子等腐蝕性物質(zhì)侵入鋼筋混凝土內(nèi)部，與水泥化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)作用，繼而產(chǎn)生膨脹性的物質(zhì)，致使鋼筋混凝土內(nèi)部空隙增加，出現(xiàn)裂紋、開裂、剝落等問題，這是海洋環(huán)境中最為主要的化學(xué)性侵蝕。由此來看，如何攻克氯鹽和硫酸鹽等侵蝕介質(zhì)影響混凝土力學(xué)性能的難題，是解決這一問題的主要手段。

基于此，本文擬總結(jié)海洋環(huán)境中氯鹽、硫酸鹽侵蝕下的混凝土材料的劣化機理，介紹侵蝕介質(zhì)下混凝土力學(xué)性能試驗的現(xiàn)狀，并對當(dāng)前腐蝕混凝土研究中存在的問題，及未來發(fā)展的方向兼做探討。

1 混凝土的劣化機理

首先，就混凝土材料本身來說，微孔和微裂紋是混凝土材料不可避免的現(xiàn)實問題。而在氯鹽環(huán)境中，氯離子可以穿透混凝土，一方面，它與Ca（OH）2相互作用生成CaCl2，這使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松弛；此外，氯離子與水泥的水合產(chǎn)物容易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，并進行物理結(jié)晶，生成較原始材料數(shù)倍膨脹的物質(zhì)，而伴隨著氯離子等侵蝕介質(zhì)發(fā)生作用的時間增加，膨脹產(chǎn)物的數(shù)量也會逐漸增加，一旦混凝土孔隙內(nèi)的膨脹應(yīng)力大于其本身的抗張強度時，新的微裂紋就會出現(xiàn)，從而降低混凝土材料的耐久性和力學(xué)性能。

2 海洋環(huán)境下混凝土力學(xué)性能問題簡述

在海洋環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會受到來自海水和海洋大氣的物理化學(xué)雙重作用，以及來自波浪和飄浮固體的沖擊和磨損。這其中，最突出的是鋼筋受到氯化物的影響出現(xiàn)腐蝕。這樣來看，處在海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處在與普通大氣環(huán)境中迥然不同的腐蝕機理之中，其受到腐蝕的程度大大加深，對此，需要進一步具體參考海洋環(huán)境加以研究。

一般來說，海洋的腐蝕環(huán)境分為五個區(qū)域，它們分別是：海洋大氣帶，海水噴濺帶，潮汐帶，海水浸沒帶和海底泥漿帶。這其中，海水噴濺帶由于處于與大氣接觸的位置，供養(yǎng)充足，潮汐區(qū)域由于潮汐波動以及交替變化的干、濕度，對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕最嚴(yán)重。對于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以通過長期的自然環(huán)境暴露測試或通過實驗室加速分析以及海洋自然環(huán)境的長期暴露測試結(jié)果來研究其力學(xué)性能衰減模型，并且以之提供該結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測。

因此，就上述分析來看，海洋腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究應(yīng)當(dāng)包括以下方面：

（1）銹蝕部件的抗彎曲性：部件的彎曲能力隨腐蝕程度和時間而變化，包括部件在海洋腐蝕環(huán)境中的損壞方式，鋼筋腐蝕后的機械性能變化等等。

（2）銹蝕構(gòu)件的抗剪強度：通常，混凝土零件的箍筋在豎筋的外部，其保護層的厚度小于豎筋的厚度，因此箍筋總是首先腐蝕。箍筋腐蝕不僅直接影響混凝土零件的抗剪強度，而且不能有效地控制混凝土，這也間接影響承壓構(gòu)件的承載能力和延展性。

（3）鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能：鋼筋混凝土的腐蝕并非均勻腐蝕，而是呈現(xiàn)局部嚴(yán)重、局部輕微的表現(xiàn)形態(tài)，這就導(dǎo)致鋼和混凝土之間的粘結(jié)強度不同于均勻腐蝕下的粘結(jié)強度，對此人們無法憑直覺判斷它是好是壞，有必要通過實驗研究它。

（4）結(jié)構(gòu)動力性能研究：包括在海洋腐蝕環(huán)境中部件疲勞性能和抗震性能的變化。腐蝕改變了鋼筋的表面條件、橫截面尺寸以及鋼筋與混凝土之間的結(jié)合力。特別腐蝕加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且加劇了對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力性能的不利影響。

3 混凝土力學(xué)性能試驗現(xiàn)狀

為了深入明確海洋環(huán)境中氯鹽侵蝕介質(zhì)下對混凝土力學(xué)性能的影響，有必要開展精細(xì)的試驗工作。但是，就目前來看，這一類試驗受到各種因素的影響，試驗數(shù)量還很不足。此外，受制于不同專家學(xué)者在試驗環(huán)境、材料、侵蝕手段等方面的差異，僅有的一些試驗因為未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，致使其得到的試驗結(jié)果亦多有出入，很難從這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上總結(jié)出相對完善的試驗體系。

雖然存在著上述問題，但目前可見的試驗，還是提供了一些參考。據(jù)這些試驗數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著氯鹽侵蝕介質(zhì)作用混凝土?xí)r間越長，混凝土的力學(xué)性能經(jīng)歷了一個先增大、后衰減的過程。

總體而言，我們目前現(xiàn)有的試驗手段，還未能實現(xiàn)從根本上解釋清楚海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學(xué)性能衰減的內(nèi)在理路。而為了進一步探究這一問題，找尋腐蝕混凝土力學(xué)性能的本質(zhì)規(guī)律，還需要使用多種不同方法對其進行更為科學(xué)細(xì)致的研究。

4 現(xiàn)有問題與未來的展望

近一段時間以來，關(guān)于海洋環(huán)境下腐蝕混凝土力學(xué)性能的研究大量出現(xiàn)，取得了較為突出的成果，但是這些研究往往停留在試驗階段，怎樣更為真實地解釋提供混凝土受腐蝕過程與力學(xué)性能變化之間的聯(lián)系，為實際工程領(lǐng)域提供理論支持，是未來需要進一步大力著手的工作。對此，筆者認(rèn)為可以從以下三個角度加以考慮：

（1）為了進一步減少混凝土受到腐蝕的時間，加快混凝土的損傷劣化效率，在試驗中往往采用加大侵蝕介質(zhì)濃度的方法，以加快試驗進程。但是，這種措施很容易對混凝土自身的劣化機理產(chǎn)生干擾，造成數(shù)據(jù)的錯誤。因此，除了這種試驗方式外，科研人員還需要進行大量的非加速試驗的成果作為數(shù)據(jù)支撐。

（2）處在海洋環(huán)境中的混凝土，會同時受多種離子的耦合影響，因此需要探討多種離子同時作用混凝土?xí)r的侵蝕性問題。

（3）最后，在海洋環(huán)境中混凝土力學(xué)性能受侵蝕介質(zhì)影響而降低，其本身即物理—化學(xué)—力學(xué)耦合的復(fù)雜過程。對此，科研人員要將腐蝕試驗與力學(xué)試驗相結(jié)合，并在其后構(gòu)建起一個本構(gòu)模型，并使用多角度的手段進行混凝土材料的力學(xué)性能研究，以解釋不同程度下混凝土材料受侵蝕影響的結(jié)果。