海洋环境下混凝土工程的耐久性问题

李泽良 颜 军

宿迁学院建筑工程系（223800）

1 影响混凝土耐久性的主要原因

海港、码头、引桥、防浪堤坝等与海水接触的建筑工程中的混凝土构件，称为海工混凝土。海工混凝土长期受海水的侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，导致海港工程达不到设计使用期限的要求。海水中含有较多的可溶盐类,最主要的有NaCl、Na2SO4、MgSO4。这些盐类的存在对混凝土产生两种破坏作用。

1.1 硫酸盐的腐蚀

硫酸盐的腐蚀主要是由于硫酸根离子与水泥水化产物水化铝酸钙或单硫型水化硫铝酸钙反应,形成钙矾石并吸附大量的结晶水，体积膨胀近1倍(94%),从而产生巨大的结晶而造成破坏。

当硫酸根离子浓度较大时，还可与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应生成硫酸钙,体积膨胀124%。

1.2 氯盐的腐蚀

海水中的NaCl、MgCl2与水泥的水化产物Ca（OH）2作用，生成 CaCl2等物质。由于生成的 CaCl2、Mg（OH）2都是无胶凝作用的物质，严重破坏混凝土的内部结构，同时，反应后产生大量游离氯离子，致使钢筋发生锈蚀。氯离子腐蚀主要是破坏钢筋表面的钝化膜，在钢筋表面形成“腐蚀电池”，再加上Cl-的去极化作用和Cl-的导电作用从而引起了钢筋的锈蚀。锈蚀钢筋转为铁锈时，体积最大膨胀6倍，不仅钢筋强度降低，而且使混凝土胀裂，降低钢筋与混凝士的粘结力,从而导致结构承载能力的降低。

氯离子通过混凝土内部的孔隙和微裂缝从周围环境向混凝土内部传递。氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种：1）扩散作用：由于浓度的作用，氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方转移；2）毛细管作用：氯离子向混凝土内部干燥的部分移动；3）渗透作用：在水压力作用下，氯离子向压力较低的方向移动；4）电化学迁移：氯离子向电位较高的方向移动。氯离子的侵蚀是上述几种方式的共同作用，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。但对于特定的条件，其中的一种侵蚀方式是主要的。虽然氯离子在混凝土中的传输机理非常复杂，但是在许多情况下，扩散过程仍然被认为是最主要的传输方式之一。大量的检测结果表明，氯离子的传输过程可以认为是一个线性的扩散过程：

式（2）即为传统的Fick第二定律表式,Fick第二定律的解取决于问题的边界条件，在稳定的使用环境(如海洋环境)中，假定混凝土结构在经过相当长的使用时间后其表面的氯离子浓度恒定不变，另外再假定混凝土结构相对于暴露表面为无限介质，在任一时刻，相对于暴露表面的无限处的氯离子浓度值为初始浓度(可假定为零)，从而解式（2）得：吴瑾等人提出的将扩散系数作为随机数，混凝土表面氯离子浓度、保护层厚度作为随机变量,建立混凝土中钢筋表面氯离子浓度分布的随机模型，推导出钢筋表面氯离子浓度的均值的随机模型均值为：

由此模型计算的氯离子浓度较传统的Fick定律的计算值更接近实测结果，进一步利用其模型能比较准确评估海洋环境下混凝土的寿命。研究表明：氯离子是造成海工混凝土破坏的最主要因素。此外，水位变动区混凝土的冻融破坏，海水对混凝土构件的冲刷磨损也对混凝土耐久性产生破坏作用。

目前，关于单因素环境下的氯离子侵入模型研究比较深入,多因素下的研究相当少,学术界也未能达成一致意见，比较突出的是Anders Lindvall的观点——在全球12个海洋区域所做的实验统计结论。全球海洋区域的温度、氯离子浓度不同，氯离子侵蚀混凝土有着若干种影响因素。研究表明：氯离子的侵入量主要影响因素是海水的温度,浓度是次要因素，因此更精确的表征氯离子侵入需参考暴露海水温度因素，所以上述模型也存在一定的缺陷，有待进一步的深入研究，温度影响因素可用腐蚀速度的增加倍数α参数来表达：T（℃）。

当8≤T≤53时，

2 提高混凝土工程在海洋环境的耐久性措施

2.1 划分混凝土构件环境区域

海工混凝土构件在海域的部位不同，腐蚀程度也有较大差异。根据多年对海港码头的调查，将混凝土构件所处区域划分为四个区，即大气区、浪溅区、水位变动区、水下区。浪溅区与水位变动区钢筋腐蚀最严重，其次是大气区，水下区腐蚀最轻。混凝土设计时要根据不同区域，有针对性的采取不同的防腐蚀措施和方法。

2.2 结构设计

海工混凝土的结构选型及构造与普通混凝土不同，设计时应作到满足以下要求：

1）构件截面几何形状力求简单、平顺，有利于排水；限制导致表面积水的设计，尽量减少构件受潮和溅湿的表面积。

2）构件应便于施工，易于成型。对处于腐蚀严重部位的构件，应考虑其易于更换的可能。

3）结构形式要利于关键部位的检测和维修，应设置利于检测维护的通道。

4）处理好构件间的连接，采用的支座和节点要保证结构的变形约束最小。

5）构件中受力的钢筋和构造钢筋宜构成闭口钢筋笼，以增加结构的坚固和耐久。

6）混凝土保护层最小厚度应符合表1和表2的规定。

表1 海工钢筋混凝土保护层最小厚度（mm）

表2 预应力海工钢筋混凝土保护层最小厚度（mm）

2.3 原材料选择

1）水泥是配制海工混凝土的关键原料。根据海水对混凝土的腐蚀机理,要尽量选择水化产物中Ca（OH）2少、水化铝酸盐少的水泥。水位变动区还应考虑水泥石的抗冻性、耐磨性。水泥的强度不能低于42.5 MPa。拌和用水可以采用地下水、城市供水系统的水、河水，不能采用海水。对使用的水要进行检测，保证水中氯离子含量不大于200 mg/L，同时保证水的pH值大于4。水灰比是反映混凝土密实度的一个重要指标。水灰比的大小反映混凝土抵抗氯离子入侵的能力。这种能力主要表现在水灰比和氯离子扩散系数的关系。研究证明：氯离子扩散系数与水灰比呈现良好的线性关系,其关系可用公式（3）表示。

式中，Dd为氯离子扩散系数，10-8cm2/s；w/c 为水灰比。因此设计中的水灰比应在满足要求的前提下尽量取小值。

表3 海工混凝土水灰比最大允许值和最低水泥用量

2）集料应坚硬、清洁、级配良好，优先选用天然河砂、碎石或卵石。粗集料中不能含活性SiO2，以防止碱与集料反应。细集料不能采用海砂。粗集料的最大粒径，在浪溅区不大于保护层厚度的2/3，其他区不大于保护层厚度的4/5。

3）增加钢筋本身抵抗锈蚀的能力，也是提高海工混凝土耐久性的有效措施：①添加钢筋阻锈剂；②使用涂层钢筋，包括环氧树脂涂层钢筋和热浸镀锌钢筋；③钢筋的阴极保护，可分为为牺牲阳极法和外加电流法；④采用耐腐蚀钢筋，耐腐蚀钢筋和涂层钢筋所不同的是，涂层钢筋是伍铡筋表面覆盖上某种耐腐蚀物质，钢筋是普通碳素钢筋，而耐腐蚀钢筋是钢筋自身具有耐悔蚀的性能。耐腐蚀钢筋在混凝土结构中的使用还是一个相对较新的课题，国外的研究要比国内的研究超前，目前主要有不锈钢钢筋和纤维塑料筋两种。

4）混凝土表层处理

为防止氯化物、二氧化碳等侵蚀性介质渗入混凝土中，延缓钢筋锈蚀，对新浇筑的混凝土结构表面涂层也是一种简便、经济和有效的辅助性保护措施。涂层可以分为侵入型和隔离型两类。侵入型涂料不会在混凝土表面成膜，也不能充满混凝土内的毛细孔隙，但能显著降低混凝土的吸水性。而隔离型涂料可以使混凝土和侵蚀介质隔离。

5）采用高性能混凝土

高性能混凝土中掺有矿物掺和料,如粉煤灰、矿渣、硅粉等。这些掺和料对混凝土的性能具有物理和化学改善作用，有效增加混凝土的密实度，增强抵抗侵蚀的能力。高性能混凝土已作为提高海工混凝土的有效措施被研究和开发。

[1]吴瑾,吴胜兴.海洋环境下混凝土中钢筋表面氯离子浓度的随机模型[J].河海大学学报(自然科学版),2004(1).

[2]Anders Lindvall.Chloride ingress data from field and laboratory,exposure Influence of salinity and temperature.Cement&Concrete Composites 29(2007)88~93,Sweden,26 August 2006.

[3]钱磊,宋晓冰,刘西拉.氯离子环境下温度对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的影响[J].建筑技术开发,2004(7).

[4]黄明,沈德建.海洋环境下混凝土中钢筋的防腐蚀设计[J].混凝土,2006(11).

[5]王军,杜荣忠,刘艳萍.海工混凝土工程耐久性设计探讨[J].工程建设与设计,2006(2).