海洋生物附著對混凝土性能影響的研究

徐永驍

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

隨著國內基建水平持續提升，各地區跨海大橋、隧道及沿海堤壩等工程投入持續增加。但由于沿海復雜鹽類腐蝕環境中存在大量的侵蝕性離子，極易對跨海橋隧工程、沿海建筑等造成極大的破壞；特別是鋼筋混凝土結構由于電解反應等情況極易被海水、海風侵蝕破壞，導致混凝土強度降低、鋼筋銹蝕，結構可靠性降低。此外，海洋環境下的混凝土還受到海浪沖擊、磨蝕，寒冷海洋區域的凍融循環，以及海風、氣旋、含鹽大氣的共同破壞作用等都會嚴重影響混凝土結構的耐久性。為了提高海洋工程混凝土標號及耐久性，工程設計的努力不得不建立在施工成本的增加上，另外，后期還存在維護難度大、費用高的問題[1]。

因此，研究海洋生物附著耐侵蝕混凝土具有非常巨大的經濟潛力。研究海洋生物的附著特性及其在水泥基材料上附著時對基材的影響不僅對社會經濟發展具有非常重要的意義，還可以推動解決沿海工程實體耐久性等相關問題，進一步推動基建及相關產業發展。

1 試驗內容

1.1 原材料

本試驗的原材料包括：水泥（P·O 42.5,比表面積340m2/㎏）；粉煤灰（F類Ⅰ級，燒失量2.8%）；細骨料（選用河砂，細度模數為2.8）、粗骨料（選用兩級配5～20mm碎石，其含泥量：0.4%，針片狀含量：8%)；外加劑（選用山東正珩聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%，28d抗壓強度比131%）；海鹽（煙臺地區海鹽，成分與海水成分相同）、海洋附著生物（藤壺、扇貝、牡蠣等）。

1.2 試驗方法

（1）參考青島周邊沿海項目C35墩身配合比，按照GB/T 50081制備混凝土試件并養護，試件包括：抗壓試件、抗凍試件、電通量試件等，養護濕度＞95%，溫度20±2℃；

（2）根據規范GB/T 50082測試海洋生物附著后與未附著區域抗凍性能對比，質量損失、動彈模等[2-3]；

（3）測試試件在同海水環境中，離子滲透深度相同時所需時間變化以及電通量指標[4]。

2 海洋生物附著對混凝土耐久性的影響研究

2.1 海洋生物附著情況

貝殼類海洋生物（藤壺、扇貝、牡蠣等）繁殖期主要集中于夏季，需8周左右發育至成年，再次生長過程中分泌膠液，待其固化后方可穩固吸附在混凝土表面，膠質的固化所形成的保護層能夠有效地阻止海水對混凝土實體的侵蝕[5-7]，本實驗重點探究海洋生物附著情況，見表1、圖1、圖2。截止2021年2月混凝土表面生物數量為附著能力檢測的第一階段；2022年2月混凝土表面生物數量為附著能力檢測的第二階段。

圖2 第二階段生料附著情況

表1 生物附著數量（單位：只/m2）

圖1 第一階段生物附著情況

通過混凝土試件投放以及對墩身實體構筑物表面情況的研究，可以發現，海洋生物發育從第一階段的118只/m2增長至第二階段的453只/m2。對比發現，海洋生物繁殖能力極強，在實際投放2年內就可以有效地形成生物防護層，有效地阻止海水、海風等對混凝土實體的侵蝕[8-11]。

從圖1及圖2中對比試件以及墩身實體可以發現：海洋生物附著更適合在干濕交界處，充足的繁殖面積以及水分是海洋生物生長的必要條件，墩身實體其不僅生長面積大，且海水干濕交界處更利于前期海洋生物生長及附著[12]，特別是從圖2中可發現，C35墩身在海水干濕交界處藤壺附著數量明顯提升。

2.2 對混凝土耐久性的影響

2.2.1 碳化深度影響

從表2中的對比可以發現，海洋生物附著需要通過分泌膠質，硬化后吸附在混凝土實體結構表面，硬化后結構與其本身外殼成分基本相同，主要以鈣為主，這層鈣質能夠有效對附著區域形成防護，降低其與外界環境接觸，因此相對碳化深度較低[13]。

表2 C35墩身混凝土碳化深度（單位：mm）

2.2.2 抗壓強度影響

通過提高鹽類離子濃度，模擬長期在海水環境下侵蝕破壞關系，發現侵蝕時間與混凝土抗壓強度的降低呈正比，見圖3。其中海洋生物附著的試件經海水侵蝕，7d抗壓強度從45.2MPa降低到28d為42.1MPa，56d為36.6MPa；未附著試件經海水侵蝕后，7d、28d、56d的抗壓強度分別為43.8MPa、39.1MPa、32.3MPa。從數據中可以看出，隨著侵蝕齡期的增加，無海洋生物附著試件的抗壓強度下降更明顯[14]。

圖3 生物附著情況與抗壓強度的關系

2.2.3 抗凍性能影響

混凝土抗凍試件試驗前首先清除表面凸出海洋生物但保留部分附著保護層，通過凍融交替最終對試件強度、動彈性模量以及質量損失進行檢測。通過試驗結果可以發現，藤壺附著有效地提高了混凝土試件抗凍性能，減少了直接接觸面積，削弱環境變化帶來的不良影響，如表3所示，海洋生物附著下的區域質量損失較低，且動彈性模量降低較少。

表3 生物附著對混凝土試件抗凍性能的影響

2.2.4 滲透性能影響

通過對比電通量及同滲透深度所需時間可以發現，海洋生物附著處具有更好的抗離子侵蝕能力，這主要是由于貝殼類生物附著及繁殖所分泌膠液硬化后形成致密的保護層，有效地降低離子滲透能力，如圖4所示，生物附著區域滲透時間要比未附著區域延長30%以上，電通量降低近30%，能夠有效地降低鹽類離子對混凝土實體結構物的侵蝕，提高耐久性[15]。

圖4 滲透性能對比

3 結束語

本文通過對比研究海洋生物附著特性以及其對混凝土碳化深度、抗凍性、抗壓強度及抗離子滲透能力的影響，得出結論：

（1）海洋生物附著后，混凝土碳化深度降低，對混凝土力學性能產生正向影響；

（2）在對比海水侵蝕后，海洋生物附著形成的保護層能夠有效地提高混凝土抗凍、抗離子滲透能力，從而提高混凝土耐久性。

綜上所述，海洋生物附著所分泌膠液硬化后形成的保護層能夠有效地提高混凝土抗凍、抗離子滲透能力，從而提高混凝土耐久性。因此，海洋生物附著在混凝土以及其他水泥基材料上所形成的保護層，可提升沿海建筑耐久性，極大地促進人與海洋環境和諧相處。充分利用海洋生物附著不僅可以推進基建行業降低生產成本，還可以促進其向節能減排方向的轉型，可以極大地降低政府每年對沿海地區治污投入。