海洋环境下混凝土结构耐久性问题研究现状

杨校宇，唐军务

（海军工程大学勤务学院，天津　塘沽　300450）

海洋环境下混凝土结构耐久性问题研究现状

杨校宇，唐军务

（海军工程大学勤务学院，天津塘沽300450）

海洋环境下的钢筋混凝土结构受氯盐腐蚀十分严重，如果不采取有效保护措施，使用寿命甚至不足 10 年，远远达不到设计使用年限，而且耗费巨额的维修和加固费用，甚至拆除重建。提高海工混凝土耐久性的主要措施是采用高性能混凝土，其它的辅助措施可归纳为三类：钢筋保护、混凝土保护和混凝土表层处理。每种措施的优缺点及适用性不同，在实际工程中，往往是根据腐蚀情况和环境特点进行选用。

海洋环境；混凝土；耐久性；保护措施

0　混凝土耐久性简介

混凝土结构的耐久性是指在预定作用和预期的维护与使用条件下，结构及其部件能在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力。在实际工程中，由于材料老化、不良使用条件等因素造成混凝土腐蚀及内部钢筋锈蚀的情况比比皆是，往往达不到预期使用寿命。结构腐蚀造成的经济损失是巨大的。我国对混凝土耐久性的研究起步于 20 世纪 50 年代初的治淮工程（修建梅山、佛子岭水库大坝）[1]，但结构耐久性问题在我国引起广泛关注是在 1980 年以后，特别是在1992 年，中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会成立了混凝土耐久性专业委员会，极大地推动了我国混凝土耐久性方面的研究。

引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构全寿命周期内的各个环节，包括结构的设计不合理、施工技术不完善及使用阶段外界环境中腐蚀介质的侵蚀或维护不当等。研究混凝土的耐久性要综合外界环境 (大气环境和局部环境)、结构型式、应力状态三方面因素。从研究对象的角度又可分为材料、构件和结构三个层次。材料层次的研究重点是腐蚀机理、防腐蚀技术措施、评定标准和腐蚀状态识别等。本文主要介绍的是防腐蚀技术措施。

1　氯盐是导致海洋环境下混凝土结构腐蚀的首要因素

影响混凝土耐久性的主要因素集中在 4 个方面，即钢筋锈蚀（包括氯盐腐蚀、保护层中性化、杂散电流腐蚀）、冻融作用、盐类侵蚀、碱骨料反应。在海洋环境下，混凝土结构物长期处于氯盐环境，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏而造成的经济损失和危害居于首位。通常情况下，钢筋在混凝土的高碱环境中呈钝态而不受腐蚀。处于海洋环境下的混凝土结构，由于大量氯离子侵入到混凝土内部到达钢筋表面，破坏钢筋表面的钝化膜，使被保护的钢筋受到严重腐蚀，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，严重威胁混凝土结构物的安全性与使用性。另一方面，氯盐对混凝土本身也有破坏作用。在干湿循环条件下，氯盐的结晶会使混凝土产生大量的裂缝。在北方地区，氯盐与冻融共同作用，加速了混凝土的损伤[2]。

2　提高海洋环境混凝土结构耐久性的方法

氯离子进入混凝土主要通过两种形式：一是浇筑混凝土时连同拌合物掺入进去，二是外界氯盐环境的渗入。规范中明确规定海工混凝土中骨料、拌合水、外加剂等带入混凝土中的氯离子总量，不得超过混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。实际工程往往采用耐久性良好的高性能混凝土来抑制外界氯离子的侵入。但是，为了满足更高的设计使用年限，仅依靠高性能混凝土是不够的，还必须加以辅助措施。辅助措施可归纳为对钢筋的保护、对混凝土的保护和对混凝土表层进行处理三个方面。

2.1采用高性能混凝土

高性能混凝土是指通过掺加火山灰质材料，如微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰，使混凝土电阻率增加，增强了混凝土抵抗氯离子渗透的能力，达到延迟锈蚀的起始时间和降低锈蚀开始后的锈蚀速率。概括来说就是能够更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用寿命，降低造价。高性能混凝土在我国港工建筑物的建设中广泛应用，也是海工混凝土提高耐久性措施的首选方法。高性能混凝土通常采用的水胶比是 0.3～0.4，矿物掺合料的总量通常为 50%～70%。

2.2针对钢筋的保护

2.2.1电化学保护法

主要原理是给金属补充大量的电子，使被保护的金属处于电子过剩的状态，金属表面各点达到同一负电位。阴极保护法有外加电流和牺牲阳极两种方式。

外加电流法是将钢筋与直流电源的阴极相连，通电后使钢筋极化至保护电位。采用外加电流阴极保护法应注意，预应力或次应力钢筋不利于电流的分布，极易发生氢脆危险而不能实施阴极保护系统。存在内部强碱性聚集反应的结构会加重内部碱性反应，也不能实施阴极保护系统。工程实践表明，一些处于一般恶劣环境的结构物采用此法在经济上并不划算，处于酸根离子或氯离子等腐蚀破坏初期的混凝土结构进行该方法所表现出的性价比最高[3]。主要应用于除冰盐危害的地方，如高速公路、桥面、停车场等。

牺牲阳极法是将电性更负的材料（牺牲阳极）与钢筋相连，通过阳极与钢筋之间的电位差使阳极材料溶解，而钢筋得到保护。相比外加电流法，该系统安装简便，不必经常维护管理，不会过保护及发生氢脆，但提供的保护电流有限。

2.2.2采用钢筋防护涂层

钢筋防护涂层可以分为金属和非金属两类。金属防护涂层又可分为钝化膜型（如铬基镀层）和牺牲型（如镀锌层）两种[4]。如果应用于海水环境并且混凝土质量较差，则金属防护涂层效果较差。非金属防护涂层主要为有机类，以环氧涂层为主，其它的还有聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等。环氧树脂粉末的涂覆使得钢筋表面较为平滑，降低了与混凝土之间的握裹力，且涂层缺陷难以避免，在腐蚀环境下缺陷处形成强阳极从而加速钢筋腐蚀。

2.2.3掺加钢筋阻锈剂法

加入钢筋阻锈剂是通过对钢筋的钝化作用或抑制锈蚀的产生与发展达到保护钢筋的目的。阻锈剂有多种分类方式，常见的是按作用方式和应用对象划分为掺入型和渗入型两种。掺入型主要用于新建工程，也可用于修复工程。渗入型多为低粘度的液体，通过在混凝土表面的喷涂渗入到钢筋表面，使钢筋重新钝化，达到修复的目的。在实际工程中，钢筋阻锈剂配合高性能混凝土是比较常用和有效的方法，不仅简单经济，而且能够达到双重保护的目的。

2.3针对混凝土的保护

2.3.1提高混凝土保护层厚度

混凝土保护层是防止钢筋锈蚀的第一道屏障，必须有足够的厚度，混凝土保护层厚度对于阻止腐蚀介质接触钢筋表面起着重要作用。海工混凝土应该适当加大其保护层厚度。JTJ 275－2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定：海水环境钢筋最小保护层厚度 50mm，预应力钢筋最小保护层厚度 75mm，其中浪溅区最小保护层厚度 90mm。

2.3.2使用透水性模板

透水模板技术是指利用透水模板布这种新型建筑材料，在混凝土施工时将透水模板布贴在模板内壁，形成透水模板，主要用于改善表层混凝土质量，避免表层混凝土因为普通模板的不透水、不透气而使孔隙率变大。使用透水性模板经济实用，尤其适用于对保护层有严格要求的施工建设中。我国对透水模板布的性能要求主要有透气性、排水能力、保水能力和撕破强度等，均是针对透水模板布的材料本身性能的测试。

2.4通过对混凝土表层处理进行保护

2.4.1成膜防护涂料

目前混凝土工程采用的成膜型涂料主要包括环氧涂料、聚氨酯涂料、脲弹性体涂料、丙烯酸乳胶漆、氟树脂涂料等。环氧涂料在海港及桥梁工程中的应用尤其突出，是最重要的海洋钢筋混凝土防腐涂料，其对抗氯盐高性能混凝土耐久性的改善作用非常明显，缺点是随着时间的推移，环氧树脂涂层的性能会出现劣化，长期防护效果不足。

2.4.2水泥基渗透结晶防水材料

水泥基渗透结晶防水材料作用机理是材料中含有的活性化学物质通过水向混凝土内部渗透，与混凝土中未发生反应的水泥成分发生二次水化反应，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密防水。对于渗透结晶防水材料，国外无相应的标准可以参照，我国对渗透结晶防水材料的性能要求主要有第二次抗渗压力以及对混凝土的安定性、凝结时间、抗折抗压强度等的影响[5]。

2.4.3有机硅渗透性防护涂料

目前有机硅涂料主要包括水溶性有机硅、溶剂型有机硅、膏体型有机硅等三种类型，应用最广泛的主要为有机硅烷和膏体硅烷。有机硅涂料与其他防水涂料不同，它是利用混凝土的可渗透性，渗入到混凝土表面一定深度，采取渗透保护，而不是通过封堵空隙或表层毛细孔，这样保证了基材的透气性和自然外观。我国对有机硅渗透型防护涂料的性能要求主要有有机硅渗透深度、吸水率和吸水量比、氯离子渗透深度等。

2.4.4包覆隔离防护

指对处于水位变动区等部位采取物理包裹，隔绝与外界直接联系，延长这部分使用寿命。包覆隔离防护一方面延缓氯离子向混凝土内部的扩散，另一方面也能阻止海水对混凝土的其他破坏，所以在提高结构使用寿命方面效果很好。

3　结语

影响混凝土耐久性的因素众多，研究周期较长，需要以长期的实践经验为依托。我国在海港工程耐久性技术上已经取得了很大进步，从 20 世纪 80 年代以前的不到 20 年，发展到现在可以达到 50 年甚至 100 年。除结构的使用寿命外，全寿命总成本也是工程建设和营运管理必须要高度重视的一个重要问题。在海洋这类强腐蚀环境中的建设工程，必须采用“以防为主”的战略，结构因发生腐蚀破坏而投入的加固维修费用要远高于建设时采用预防措施的投入。未来有关混凝土耐久性方面的研究将更加深入，如反映工程实际状态的荷载与环境耦合作用下耐久性问题、结构寿命与材料早期性能之间定量关系的建立等将会是耐久性研究的重要方向。此外，新型材料、监测技术等交叉学科将会在混凝土耐久性研究中凸显更为重要的地位。相信通过各界的重视和广大科研人员的不懈努力，我国的海工混凝土耐久性技术必将进入世界先进行列。

[1] 陈改新．混凝土耐久性的研究,应用和发展趋势[J]．中国水利水电科学研究院学报，2009，7(2)：120-125．

[2] 贾丽坤，宋玉普．处于海洋环境的钢筋混凝土耐久性研究[J]．混凝土，2002 (12)：3-5．

[3] 杜荣归，黄若双，赵冰，等．钢筋混凝土结构中阴极保护技术的应用现状及研究进展[J]．材料保护，2003，36(4)：11-14．

[4] 吴金岳，吴松贵，徐旭峰，等．环氧涂层钢筋及其应用[J].腐蚀与防护，2004，25(3)：105-108．

[5] 王国醒．抗氯盐高性能混凝土表层处理技术对比研究[D].华南理工大学．2012．

［通讯地址］天津市塘沽区河北路一号（300450）

杨校宇（1989－），硕士学历，主要从事混凝土结构耐久性方面研究。