海洋环境钢筋混凝土桥梁腐蚀机理及防腐措施

赵本栋ZHAO Ben-dong；林辉LIN Hui；邬晓光WU Xiao-guang

（①长安大学公路学院，西安 710064；②宁德沈海复线宁连高速公路有限公司，宁德 352100）

（①School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；②Ningde Shenhai Multiple Track Ninglian Highway Co.，Ltd.，Ningde 352100，China）

0 引言

从19 世纪20年代发明水泥到今天，水泥混凝土的材料和技术，经历了巨大的变化。从最初的普通强度发展到现在的高强度高性能混凝土，由于混凝土的材料性能的不断改善。使其具有取材广泛、施工方便、维护简单、成本较低、耐热性能好等优点，使得钢筋混凝土逐渐成为了海洋环境下桥梁建设的首选形式。

事实上，由于桥梁结构长期处于海洋环境中，未得到妥善防护的钢筋混凝土结构的劣化速度非常快，另外，跨海桥梁一旦发生损坏，在修复过程中一旦受到自然条件的制约，就会显得十分困难，代价也是很昂贵的。因此，研究海洋环境中桥梁结构的防腐问题对于维修既有跨海桥梁及提高新建跨海大桥耐久性是很有必要的。

1 混凝土腐蚀机理

海水环境中的混凝土腐蚀主要受多组分的侵蚀性离子的影响，包括硫酸盐、氯盐及镁盐腐蚀，每种侵蚀性离子对混凝土的侵蚀机理各有不同。

1.1 硫酸盐侵蚀混凝土机理 混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理是一个复杂的物理化学过程，其实质是进入混凝土的孔隙内部，与水泥石的某些成分发生化学反应，并且在混泥土内部的毛细孔内形成大量的结晶水的难溶物，体积就会增大产生膨胀内应力，使得水泥石结构胀裂而破，导致混凝土强度下降，乃至破坏。

1.2 氯盐侵蚀混凝土机理 微观表象下，混凝土是多孔材料的，当熔盐吸湿面后会渗透到密实的混凝土空隙中，当表面的混凝土接触含盐溶液后，就会因为毛细血管的作用，使含氯盐的溶液上升到混凝土迎空面，其中当水分蒸发后，就会使溶液浓度加大，当浓度达到饱和后，就会加速化学的侵蚀反应。此外，当适度和温度达到一定量的时候，盐类就会转化为体积膨胀的结晶水化物。这样即使溶液中氯盐含量较高，或者反复干湿后，盐晶都会在混凝土空隙中产生很大的结晶压力，使混凝土崩碎、开裂或者表面剥蚀。

1.3 镁盐侵蚀混凝土机理 海水中的可溶性盐可以与水泥石的组分发生离子交换反应，由于反应生成物为可溶物或没有胶结能力的松软物质，破坏了原有水泥石的结构。在海洋环境下，该类腐蚀主要是Mg2+腐蚀。Mg2+侵蚀入混凝土结构后时，会分解水泥石中的Ca（OH）2或直接分解胶凝物质，由于生成物Mg（OH）2和SiO2·H2O 均无胶凝特性，从而使得水泥石结构被破坏。

2 钢筋腐蚀机理

处于海洋环境中的钢筋混凝土结构，海水、海风和海雾中的氯离子会直接渗入混凝土并达到钢筋表面，破坏钝化膜，在其表面形成腐蚀电池，使得钢筋锈蚀。开始在钢筋表面产生局部锈蚀，在其后的阶段中，由于更多的局部锈蚀点的出现使得锈蚀开始布满钢筋表面，最后导致钢筋整个表面的锈蚀。由于铁锈是疏松、多孔的结构，而且极易透气和渗水，同时铁锈的体积会增大至原来的2～4 倍，锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝。这又使得氧气、水分等更容易进入，随着锈蚀的进一步加剧，钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土结构的正常使用。

3 混凝土防腐技术研究

通过以上腐蚀机理的分析可知，混凝土腐蚀是受周围环境介质，主要是硫酸盐、氯离子、镁盐和其他侵蚀离子等的侵蚀，而造成溶析、碳化、膨胀开裂而破坏失效的。对于钢筋混凝土来说，因混凝土保护层遭到侵蚀，有害介质渗透进入，加快了钢筋的锈蚀，而钢筋的锈蚀又加快了混凝土的破坏，二者相互作用加速，最终导致结构失稳。

因此，提高海域地区混凝土桥梁的抗蚀性与耐久性，一方面是从混凝土材料本身入手，另一方面由设计施工方面采取必要的防护措施。

3.1 配合比优化设计 首先，在保证混凝土达到一定密实度和工程可以安全利用的强度的基础上，减少水泥用量不仅可以相对地减少水化产物中Ca（OH）2等易受侵蚀的水化产物的含量，还可以降低混凝土的成本。其次，降低水灰比同时加入高效减水剂有效降低混凝土的单位用水量，进而减小混凝土的坍落度提高混凝土的和易性，是提高混凝土密实度最有效的措施。同时降低混凝土的水灰比，减小混凝土的坍落度，也可以有效降低混凝土后期因塑性变形而产生收缩裂缝的可能性。再次，对于混凝土而言过低的水胶比常常影响混凝土的工作性能，高效减水剂的应用既可以保证混凝土在低水胶比的条件下获得好的工作性，还能使混凝土获得更高的强度和耐久性。此外，为了提高混凝土的密实性，使混凝土具有较好的抗渗效果，混凝土配制中经常掺入具有一定抗侵蚀性能的混凝土膨胀剂，以期其发生一定的膨胀而堵塞混凝土中的孔隙，使混凝土密实。

3.2 设计构造优化

3.2.1 混凝土强度 为了提高接触水部位的混凝土强度，就需要我们在经济设计的基础上进行完善。通过试验我们不难看出，当高强度等级混凝土抗渗抗冻能力比低强度等级混凝土强时，可以提高混凝土的抗腐蚀能力。

3.2.2 混凝土保护层 混凝土保护层主要是防止腐蚀的重要屏障。因此在不影响结构安全的前提下，我们可以加大混凝土的钢筋保护层厚度，这样能够增加桥梁的使用年限。对于潮差和浪溅区，控制结构的保护层厚度大于8mm，对于大气区，保护层厚度也应大于5mm。

3.2.3 混凝土表面防护技术 混凝土表面防护技术可以将混凝土结构表面与外部环境形成可靠的物理隔绝，阻止氯离子侵蚀和混凝土碳化深入混凝土内部，消除钢筋混凝土结构形成腐蚀破坏的必要条件，同时由于表面隔离，也可以避免过多的水分进入混凝土表层，从而达到抑制冻融的目的。

3.3 施工管理优化 裂缝是混凝土受侵蚀的最直观的原因，采取适当的混凝土温度控制，降低混凝土内部水化的温度，有效防止因为降低温度而产生的裂缝，有效阻止海水中有害物质的侵入。

因此就需要我们加强混凝土振捣和养护管理。防止混凝土因为早期的开裂而导致影响后续的耐久性嫩。

4 结论

混凝土在海洋环境下采用多种防腐技术策略，在一定程度上能够保证混凝土结构处于较强腐蚀性的环境时候，也能避免其被有害介质侵蚀。但是还需要我们采用具体的方法。如根据环境及所需保护结构的实际状况进行具体的分析和设计。因此，基于费用及控制效果的考虑，综合采用控制腐蚀性的方法，还要达到节约投资，又能使结构免于腐蚀侵害，增加设计使用的寿命。

[1]杨志方.东海大桥防腐蚀需求与现状[J].世界桥梁,2004(增刊):25-27.

[2]张东东,邵吉林.海港码头钢筋混凝土建筑物的腐蚀和防护[J].交通科技,2010（5）:104－106.

[3]戈雪良.混凝土抗海水侵蚀试验研究及其抗蚀性能预测[D].武汉大学:硕士论文,2005.