海工混凝土结构的腐蚀机理与防腐措施

林永庆

摘 要：海工混凝土结构出现腐蚀性破坏的情况，大多因为海水环境的影响，即海水氯离子渗透于混凝土钢筋的表面，导致其钝化膜保护作用丧失，出现一个较为复杂的电化学腐蚀情况。因此，为了有效减少和预防海水腐蚀对混凝土结构产生的消极影响，该文探讨海工混凝土结构的腐蚀机理与相应的防腐措施，以供参考。

关键词：海工混凝土结构 腐蚀机理 防腐措施

中图分类号：U445.7+3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0088-03

当前，我国的海工建设正处于快速发展的重要阶段，而钢筋混凝土结构作为使用最广的构筑材料结构，在我国海洋规模迅速扩大，海港工程日益增多之际，其构筑的稳定安全性也得到了越来越多人的关注。纵观我国当前的海港设施建设，很多陈旧的构筑已经被海水腐蚀化，对设施安全性造成极大的威胁。

1 海工混凝土结构的腐蚀机理

1.1 混凝土腐蚀破坏及腐蚀现状分析

混凝土的腐蚀破坏表现在环境作用下发生化学反应与物理反应作用，导致混凝土的耐久性与力学性明显下降。混凝土腐蚀破坏直接导致其内部的钢筋出现腐蚀情况，且对应的锈胀力达到30 MPa使其开裂，严重威胁使用性能及安全性。有国外的研究资料显示[1]，英国当前的混凝土桥梁中有近40%的桥梁都因为腐蚀需修复。而在美国当前的近60万的桥梁中，有超过一半的桥梁都出现了钢筋腐蚀破坏的情况。我国当前也有很多的桥梁受到损害，且危桥数量基数不小，因为其混凝土结构的腐蚀问题导致的损失超过几十亿。

1.2 跨海桥梁混凝土腐蚀机理研究

如图1所示，在海洋环境下钢筋混凝土结构的长期暴露区、潮差区、浪溅区、水下区等不同部位受到侵蚀，都会出现不同程度的腐蚀。在海洋环境中，钢筋混凝土结构的桥梁工程受到腐蚀的原因主要有以下几点，镁盐侵蚀、碳化侵蚀、钢筋锈蚀、酸性气体侵蚀、硫酸盐侵蚀等，其中比较常见的侵蚀性原因是钢筋锈蚀，在这种腐蚀作用下更容易造成损坏且程度较为严重。其机理可以以化学式Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O，碳化結果后pH值低于9，而这个数值则比保持钢筋钝化的最低pH值9.5更低，因此会出现混凝土的中性化，导致钢筋出现锈蚀。而盐类侵蚀作用发生的机理为：3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→

3CaO·Al2O33CaSO4·32H2O。这些年以来，伴随着环境污染的日益严重，我国很多地区出现酸雨情况，酸雨对钢筋混凝土产生的危害比碳化更明显[2]。通过盐类侵蚀导致混凝土体积发生膨胀和破坏，更难以修补。钢筋锈蚀作用发生的机理，主要是因为氯离子的侵蚀导致。有研究资料显示，即便混凝土碳化的深度较低，但如果氯离子的含量较高，那么对应的钢筋也很容易被腐蚀。这与氯离子半径小、活性大以及具有较强穿透力有关。如果钢筋周边的混凝土孔隙液中氯离子浓度达到一定值，那么氯离子吸附于膜结构存在缺陷支出，就会导致本身难以溶解的氢氧化铁转变成为容易溶解的FeCl2，于是钢筋表面的钝化膜局部发生破坏，出现坑蚀，在这个过程中主要反应化学式为Fe→Fe2-+2eFe2-+2Cl+4H2O→FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O→Fe（OH）2↓+2Cl+2H+2H2O，4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。由上式可以看出，在钢筋产生锈蚀的同时，氯离子通常不会对锈蚀产生的过程发生改变，并且混凝土本身的含量也不会由于腐蚀作用而减少，只是单纯的催化作用。氯离子导致钢筋产生锈蚀属于一种比较复杂的化学过程，通常情况下氯离子首先在很小的区域钢筋表面中将钝化膜破坏，出现小阳极并与大部分表面钝化膜完好的钢筋形成腐蚀电偶，这种坑蚀发展进程快速，导致钢筋出现膨胀。在钢筋发生锈蚀时，从理论上看铁锈的物质体积表现为原有钢材体积的2倍以上，如果所处的环境存在缺氧，则为原有体积的2倍左右。裂缝出现的扩张以及混凝土保护层出现剥离，都将对钢筋混凝土本身的结构产生影响，大大减弱钢筋性能[3]。

由此可见，要确定海工混凝土结构得到安全稳定的使用，就必须保证在进行桥梁设计的工作中确保氯离子渗透不进入钢筋的表面并积极采取各种有效的防腐措施。

2 海工混凝土结构的有效防腐措施分析

当前在我国海工混凝土结构的预防腐蚀措施中，普遍采用的方法有以下几点：（1）结合工程的结构、形式、布置以及构造进行合理选择，预防由于结构等原因导致锈蚀通道的情况发生；（2）尽可能选择具有良好抗渗性与抗腐蚀性的混凝土，从而改善工作的性能；（3）以环境为标准，合理增加混凝土保护层的厚度；（4）优化施工工艺，提高技术水平；（5）采用其他的辅助措施[4]。

首先是结构方面的措施，这是预防腐蚀最基础的方式，工作人员可以尽量选择跨度较大的桥梁进行布置，从而减少桥梁和海水接触或是被浪花飞溅的范围；还要合理选择结构形式，确保构件的截面形状平顺简单，尽可能避免出现棱角，也要预防应力的集中，减少出现混凝土表面裂缝。在浪溅区的范围内，要将混凝土的裂缝宽度控制在0.1 mm以内；针对支座与预应力锚固等有可能会出现集中应力的位置，采用有效措施预防混凝土的受拉；要强化检修与维修，要求相关工作人员及时对混凝土的裂缝进行监测与修补并考虑构件是否需要更换的情况。

其次要改善混凝土性能，重点在于提高混凝土结构的耐久性，所以要尽量选用优质的混凝土进行施工。通常情况下工作人员会选择抗渗性更好、密实度更高的高性能混凝土，如果使用普通混凝土，那么就要注重水灰比的具体情况，注意浪溅区的混凝土水灰比最大值在0.4～0.5之间。针对混凝土抗裂与抗氯离子侵蚀性就可以以胶凝材料掺和比例调整的方式改变。采用大比例掺粉煤灰或磨细矿渣粉都能够降低胶凝材料在早期与后期的水化热，而采用含有水泥、粉煤灰以及磨细矿渣粉的胶凝材料配置而成的混凝土，就能保证混凝土抗裂性能的改善。另外是降低水化热，选择中热水泥比选择硅酸盐水泥更好，通过对中热水泥的使用，确定0.3～0.4的水胶比，并掺入55%的磨细矿渣粉与15%的粉煤灰，就能配置具有满足桥梁混凝土设计要求的高强度等级混凝土。大量研究显示，改善混凝土性能措施以及采用高性能混凝土都具有有效的抗腐蚀效果，且有一定的经济优势[5]。

再次是合理增加钢筋混凝土保护层的厚度，这是预防钢筋腐蚀的重要屏障。与陆地的混凝土保护层厚度相比，海工混凝土保护层更大，同时再适当增加其厚度对耐久性寿命的延长有很大的促进作用。但与此同时也要注意，保护层的厚度也不能太大，要注意混凝土材料本身的脆性以及可能出现开裂等情况。针对浪溅区或潮差区，要确保混凝土钢筋保护层厚度超过8 cm，而在大气区，保护层厚应超过5 cm。

最后还包括施工的注意事项，比如在表面进行涂层保护，通过隔绝腐蚀性介质和混凝土的直接接触，延缓混凝土中钢筋腐蚀的速度。但是涂层通常情况下很容易老化且保护作用的使用年限也有限，所以针对高性能的混凝土就要测定抗氯离子的渗透性来提高性能。还有使用环氧涂层实现对钢筋的保护，要求工作人员在普通钢筋的表面静电喷涂一层环氧树脂薄膜，以此来提高钢筋的防腐蚀性能，这种方法能够有效预防钢筋锈蚀。要保证厚度在180～300 μm范围内，才能适合在浪溅区与潮差区。环氧涂层钢筋的防腐性能很好，同时具备节能等优势，因此受到越来越多人的重视。但要注意的是必须将涂层涂完整，一旦出现破损或存在孔洞的情况，那么环氧涂层的防护效果就会大打折扣，另外，还要注意环氧涂层钢筋和混凝土粘结力相对较差，使用过程中要注意消除涂层的缺陷。还有就是在混凝土中掺入钢筋阻锈剂，也能有效阻止或延缓氯离子对钢筋的腐蚀作用。在选择阻锈剂产品时，种类选择包含掺入型与迁移型两种，当前掺入型使用更为广泛，且应用前景广阔。有大量的实践研究证实，如果钢筋表面或附件存在的阻锈剂含量超过一定浓度，那么抑制氯子侵蚀的能力就更明显，而在阻锈剂不断消耗的过程中，其保护的效果也会明显降低。此外，如果混凝土由于收缩或是受到外力影响而出现开裂或内部钢筋与腐蚀介质产生了直接的接触，那么阻锈剂也失去其保护作用。通常情况下，越密实的混凝土就具备越好的阻锈剂阻锈效果，所以可将其与其他防腐措施结合应用。

3 海工混凝土结构防腐措施的实例分析

比如上海的东海大桥，上部结构采用简支变连续多跨截面预应力混凝土连续箱梁，下部结构则是1 500 mm直径的钢管桩，以总体结构为防腐的基础，该工程主要采用了以下措施进行防腐：（1）在陆上段，主要采用掺粉煤灰与磨细矿渣粉Ⅰ型改性混凝土，将保护层的厚度控制超过3 cm，裂缝宽度控制小于0.1 mm；（2）针对钢管桩主要采用牺牲陽极的阴极保护方法，同时增加钢管桩钢板腐蚀的3 mm厚度，其潮差区的部分采用环氧重防腐措施；（3）在浪溅区和潮差区的位置采用掺粉煤灰、硅粉以及磨细矿渣粉的Ⅱ级改性混凝土，将混凝土中钢筋保护层的厚度控制在超过8 cm，而混凝土裂缝宽度控制不超过0.1 mm；（4）在大气区的部位主要采用掺粉煤灰、硅粉与磨细矿渣粉的Ⅱ级改性混凝土，并将混凝土钢筋保护层厚度控制在超过5 cm，控制混凝土裂缝的宽度不超过0.1 mm。上海东海大桥运行使用5年以后进行后期的检验结果证实，海工混凝土结构抗腐蚀性等作用效果良好[6]。

4 结语

综上所述，在海工混凝土结构的跨海桥梁中，使用混凝土的钢筋锈蚀问题应该引起人们的关注，由于其结构受到腐蚀以后很容易导致损坏，影响结构的安全性，因此笔者建议相关工作人员在进入到桥梁结构与施工设计的阶段就根据侵蚀破坏的各种因素以及实际构建环境的影响做出准确的预估，根据具体情况选择并执行有效的防腐措施，才能真正保障海工混凝土结构以及桥梁混凝土避免遭受到外界的侵蚀与破坏，从而确保桥梁得到长期稳定的保障和安全的维护。该文根据笔者多年的工作实践经验，研究已经遭受腐蚀破坏的混凝土结构情况，分析海工混凝土结构的腐蚀机理，结合各参考文献提出防腐加固的有效处理方法，从而为当前的海上桥梁建设提出有效方案，一定程度上延长使用寿命。

参考文献

[1] 尤勇，马飞.浅谈钢筋混凝土结构腐蚀机理及防腐措施[J].北方交通，2013，2（24）：67-68.

[2] 钱宇.混凝土结构的腐蚀机理及防腐措施[J].建筑工程，2014，21（12）：355.

[3] 刘斌云，张胜，李凯.海工混凝土结构的防腐机理与防腐措施[J].工程建设与设计，2010，28（7）：559-562.

[4] 徐军.海港工程钢筋混凝土结构的腐蚀机理与防腐对策[J].中国新技术新产品，2013，11（5）：71.

[5] 张东东.海港码头钢筋混凝土建筑的腐蚀和防护[J].交通科技，2010，12（5）：104-106.

[6] 林恩亮.钢筋混凝土基础的腐蚀机理及防腐措施[J].福建建筑，2009，7（133）：44-46.