海洋環(huán)境中混凝土樁基的耐腐蝕性研究

李 海

(山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

混凝土價(jià)格合理、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)便、適應(yīng)范圍廣泛，是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中常見的材料。隨著開放格局的推進(jìn)，我國(guó)沿海地區(qū)建設(shè)了許多的碼頭與海上平臺(tái)。[1]其中，樁基可靠性是決定構(gòu)筑物穩(wěn)定性的重要因素之一。沿海地區(qū)的碼頭樁基由于受到化學(xué)、生物作用的影響，相較于淡水流域，混凝土退化問題更為突出。混凝土樁基在長(zhǎng)期腐蝕作用下，材料強(qiáng)度下降、剛度降低，嚴(yán)重影響了樁基的負(fù)荷能力，因此必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以延長(zhǎng)碼頭的有效使用年限。

1 腐蝕機(jī)制

在沿海地區(qū)，水工建筑的樁基受到風(fēng)蝕、波浪沖刷和鹽類的腐蝕，這些都會(huì)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，如保護(hù)層出現(xiàn)裂縫、脫落等。這種現(xiàn)象主要受環(huán)境條件和施工技術(shù)的影響。其中，自然因素主要是指海洋水中所含的電解質(zhì)的侵蝕作用，施工因素主要是指混凝土中的堿骨料含量與混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度等。

1.1 海水腐蝕

電解質(zhì)離子通過化學(xué)作用，對(duì)于混凝土樁基具有較強(qiáng)的腐蝕作用。在不同海域，海水的離子組成會(huì)隨著匯入的河流和洋流不同而變化，但離子種類與濃度基本保持在一個(gè)大致區(qū)間內(nèi)，以我國(guó)北方渤海灣附近的海洋環(huán)境為例，其中的電解質(zhì)離子的濃度組成大致如下，見表1。

表1 海水離子成分對(duì)照表

續(xù)表

Cl-對(duì)于混凝土破壞的作用主要是膨脹性腐蝕作用，主要是和其中的堿性物質(zhì)反應(yīng)，例如與Ca(OH)2、3CaO·2Al2O3等反應(yīng)生成CaCl2與固態(tài)化合物，其中固態(tài)化合物帶有大量的結(jié)晶水，體積膨脹系數(shù)在3以上，若是大量存在混凝土的毛細(xì)孔當(dāng)中，會(huì)造成混凝土體積膨脹，內(nèi)部的應(yīng)力不斷增大，致使表面出現(xiàn)裂縫。[2]具體反應(yīng)過程如下：

2Ca(OH)2+2C1-+(n-1)H2O→Cao·CaCl2·nH2O

3CaCl2+3CaO·Al2O3·6H2O·25H2O→3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O

1.2 鹽土腐蝕

此外，隨著樁基暴露的部位和條件的差異，腐蝕作用的效果也有較大的差別。浪濺區(qū)由于處在水氣交界面，根據(jù)氣體傳質(zhì)的雙膜理論，此處水中的溶解氧濃度最高，提供了強(qiáng)電位環(huán)境，加劇了混凝土的腐蝕。綜合而言，各類腐蝕的綜合作用整體示意如圖1所示。

圖1 腐蝕性作用示意圖

2 混凝土性能退化作用結(jié)果

海洋環(huán)境中，由于腐蝕作用而導(dǎo)致混凝土退化的過程呈現(xiàn)出了一定的階段性。在初始階段，隨著氯離子在鋼筋表面的富集，鋼筋首先發(fā)生銹蝕，發(fā)生體積膨脹，致使表面的混凝土層內(nèi)部應(yīng)力增大，逐漸出現(xiàn)裂縫。此時(shí)由于混凝土表面被破壞，密閉性削弱，與海水的接觸面積增大，腐蝕作用對(duì)于樁基的危害陡然加劇，同時(shí)反作用于鋼筋，混凝土的保護(hù)能力下滑，性能退化，樁基負(fù)荷能力水平持續(xù)性減退。[2]

2.1 對(duì)鋼筋的影響

混凝土表面出現(xiàn)裂縫是腐蝕作用通過誘導(dǎo)階段的積累，進(jìn)入了快速發(fā)展階段的標(biāo)志。為了定性研究腐蝕產(chǎn)生的裂縫對(duì)于鋼筋結(jié)構(gòu)的影響的大小，通過總結(jié)各類工程的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到以下計(jì)算公式：

δω=0.078ω+0.008c/d+0.00055fcu+0.011

式中：δω為鋼筋截面損失厚度，mm；ω為混凝土裂縫的寬度，mm；c為混凝土現(xiàn)存保護(hù)層厚度，mm；

d為鋼筋直徑，mm；fcu為抗壓參數(shù)，是工程建設(shè)所用的混凝土材料的一類固有性質(zhì)參數(shù)，N/mm2。

由此可見，在實(shí)際工程當(dāng)中，混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用效果在出現(xiàn)裂縫后大大下降，并且與裂縫的寬度具有正相關(guān)關(guān)系。此外，腐蝕作用效果也與樁基的實(shí)際工作負(fù)荷有關(guān)，而鋼筋截面損失會(huì)大大降低鋼筋的承載力，在腐蝕發(fā)展階段形成了負(fù)反饋?zhàn)饔玫拈]環(huán)，如圖2所示。

圖2 鋼筋與混凝土之間的相互作用關(guān)系

2.2 樁基承載力的下降

由于腐蝕作用同時(shí)牽涉浸出腐蝕、電化學(xué)作用、結(jié)晶作用等，在實(shí)際工程中，又與樁基負(fù)荷、鋼筋腐蝕相互聯(lián)系、共同作用，目前各類研究都沒有得到一個(gè)全面的能體現(xiàn)樁基承載力與腐蝕程度之間的計(jì)算關(guān)系。[3]

但是通過控制和簡(jiǎn)化變量的方法，相關(guān)人員進(jìn)行了大量單一條件的分析試驗(yàn)。通過綜合試壓結(jié)果可以確認(rèn)的是，當(dāng)混凝土腐蝕發(fā)生到一定程度后，其對(duì)樁基產(chǎn)生的最主要影響就是延展性退化和承載力下降。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在出現(xiàn)裂縫之前，樁基的主要性能參數(shù)變化不大；而在出現(xiàn)裂縫后，鋼筋腐蝕與混凝土腐蝕之間發(fā)生協(xié)同作用，隨著樁基延展性能退化、抗彎能力降低，甚至?xí)l(fā)生水泥層整體脫落的情況，導(dǎo)致樁基出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。

3 防腐措施與混凝土防腐性能優(yōu)化

海洋環(huán)境中樁基防腐措施主要有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是提高混凝土的技術(shù)含量，通過優(yōu)化制作工藝，提高防滲性，強(qiáng)化其對(duì)樁基的保護(hù)能力；另一方面則是通過添加骨料，如粉煤灰等物質(zhì)，對(duì)混凝土進(jìn)行改性，強(qiáng)化各成分之間的連接，從而達(dá)到防止混凝土退化、保護(hù)樁基的工程目的。

3.1 加工工藝改良

一般來說，改良后的混凝土需要具備良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)于海洋環(huán)境具有足夠的抗性，能保持自身的化學(xué)性質(zhì)與工作能力。為了提高混凝土的耐久性，必須強(qiáng)化混凝土的腐蝕抗性，減小孔隙率，使其分布盡量均勻。

通過對(duì)沿海地區(qū)各類工藝制作出的混凝土在工程中的實(shí)際表現(xiàn)效果進(jìn)行歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，裹砂攪拌工藝相較于傳統(tǒng)的混凝土加工工藝，制作出的產(chǎn)物耐久性表現(xiàn)更好，泌水性質(zhì)優(yōu)良，通過強(qiáng)度測(cè)試，證實(shí)了其強(qiáng)度比一般產(chǎn)品高22%左右。[4]裹砂攪拌工藝的具體流程如圖3所示。

圖3 裹砂攪拌工藝流程圖

3.2 混凝土改性

除了混勻方式減少有害孔，強(qiáng)化混凝土中各成分之間的物理化學(xué)連接也是改良孔隙分布、提高混凝土強(qiáng)度的重要手段，其中最有效的措施就是添加微小顆粒物，例如粉煤灰、硅粉、礦渣等直徑在10 μm以下的集料。

以粉煤灰為例，加入后與其中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成凝膠類產(chǎn)物，從而堵塞Cl-擴(kuò)散通道，減少了與腐蝕因子接觸的可能性。同時(shí)由于粉煤灰中鈣相關(guān)化合物與浸出物反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物填補(bǔ)了內(nèi)在的孔隙，因此可以減小孔隙率，降低了滲透性。

4 結(jié) 論

海洋環(huán)境中混凝土更易腐蝕，為了保證樁基的可靠性和耐久性，需要采取合理的防腐措施。

(2) 在實(shí)際工程中，腐蝕作用對(duì)于鋼筋和混凝土的影響自發(fā)展階段便呈現(xiàn)出系統(tǒng)性和綜合性。同時(shí)，工作負(fù)荷也會(huì)影響腐蝕速度，最終降低樁基的承載性能。

(3) 優(yōu)化混凝土的工藝流程與添加骨料進(jìn)行混凝土改性都可以改良混凝土的防滲性能，綜合改良后的混凝土經(jīng)濟(jì)有效，為海洋環(huán)境中的樁基可靠性提供了保障。