沿海地区混凝土结构的腐蚀及腐蚀防护措施研究

曹建伟

摘要：随着沿海地区建设项目的增多，沿海地区钢筋混凝土结构由于腐蚀问题而造成的经济损失以及危险危害也越发受到关注。通过对沿海地区氯离子的侵蚀以及混凝土结构所受腐蚀作用的原因进行分析，提出相应的防腐办法，以期为相关工程建设提供必要参考。

关键词：沿海地区；混凝土结构；腐蚀作用

1 引言

随着社会的发展，人们开始逐渐追求海洋资源和交通便捷，于是港口、海上油田、碼头、跨海大桥等项目开始兴起，这类工程施工难度高、投资大，故沿海地区的混凝土结构的相关要求较普通混凝土结构要更高。而沿海地区的氯离子等对混凝土的腐蚀造成了很大的挑战，因此，对沿海地区的混凝土结构的腐蚀情况及防腐措施进行研究相当重要[1]。

2 某海边工程工程地质条件

某海边工程码头，最长近400米，水下最深可达25米，主要涉及码头、堆场、和相关配套设施的建设，总建设面积近80万m2。地质以粘土质粉砂、粉砂质粘土、粉砂等细颗粒物质为主。

3 氯离子的传输机理与扩散作用

3.1 氯离子的传输机理

混凝土里的氯离子有两种来源，一种是在混凝土的制备过程中存在于拌和水、砂石骨料、水泥以及各种外加剂中的氯离子；另一种是从外部空气或雨水海水中吸收的氯离子。在沿海地区，混凝土所处的环境氯离子含量相对较高，外部氯离子传输进混凝土的主要方式大致有：吸附与毛细作用、渗透作用、扩散作用等[2]。其中吸附与毛细作用主要表现为水与混凝土直接接触时，混凝土的吸水以及混凝土上部干燥部分水分蒸发引起的混凝土下部的毛细作用，此作用可使海水进入到混凝土内部40mm左右；渗透作用主要是由与液体接触的界面内外不同的压力差而引起的，压力差越大，渗透作用越快。扩散作用主要是由空气或者与海水接触的界面两边不同的浓度差异引起的，同时其也是氯离子在混凝土里传播，引起钢筋锈蚀、混凝土破坏的最主要的途径。

3.2 扩散作用模型

虽然氯离子进入混凝土的机制有很多种，但是其中扩散作用是国内外学者一致接受的最主要的传输机理。大量的研究表明，在未开裂的钢筋混凝土结构中，氯离子扩散的过程是线性的，可以按照Collepardi在1972年提出的Fick第二定律来将具有确定的物理意义的氯离子扩散浓度、扩散系数以及扩散的二阶导数（即扩散的时间）按照一个简单的式子建立联系，并得到广大学者的认可[3]。

Fick第二定律的表达式为：

其中：c表示氯离子的浓度；t表示钢筋混凝土结构处于氯离子环境下的时间；D是扩散系数；x表示氯离子在混凝土结构内部的扩散深度。

此式的边界条件为：

x=0，t≥0时，C=CS

X>0，t=0时，C=C0

其中：CS和C0分别表示混凝土结构表面以及初始时刻的氯离子浓度。

由上式可得其解：

其中erf表示误差函数。

4 沿海区域对混凝土的侵蚀作用机理

沿海地区钢筋混凝土结构所处的环境大概可以分为四个部分，即大气区域；浪溅区域；水位变动区域和水下区域[4]。

其中大气区域受到空气中二氧化碳、酸雨和硫酸盐以及海水蒸发中的氯离子的腐蚀作用，其中最主要的是二氧化碳引起的碳化反应，生成碳酸钙，由于碳酸钙是中性的，使得结构的pH值降低，钢筋更易被腐蚀，腐蚀情况相对较轻。

浪溅区域以及水位变动区域，由于其不止受到大气区域相同的影响，还受到海水中硫酸根、氯离子、镁离子等作用共同的影响，这部分区域腐蚀更为严重。其中混凝土与镁离子生成氢氧化镁，造成混凝土的溶解腐蚀；氯离子进入混凝土中，可以与钢筋发生反应，破坏钢筋表面的钝化层，从而产生电化学腐蚀，氯离子还可以与水泥发生反应，生成体积膨胀的物质，加快结构的破坏；浪溅区域以及水位变动区域反复的受到海水的浸湿和风干，海水中的可溶性盐进入混凝土中，再蒸发出来时会形成结晶状态，从而发生体积的膨胀，破坏混凝土的保护层，故这部分区域受到腐蚀作用最为严重。

水下区域的混凝土结构，氯离子与混凝土之间的发生的各种复杂的反应而产生的物质可以使减少氯离子的扩散，且在水下氧气的浓度不够，使得氧化反应更不容易进行，因此，水下区域的钢筋混凝土结构锈蚀的情况少，水下钢筋混凝土结构的寿命相对也较长。

5 混凝土结构的腐蚀防护

5.1 影响氯离子传输性能的因素

（1）海洋环境下浪溅区域和水位变动区域的干湿循环。干湿循环对于这部分区域的腐蚀影响最为严重，干湿循环的周期长短严重影响着此处混凝土结构的腐蚀程度。

（2）由于混凝土结构表面氯离子浓度而引起的扩散作用。混凝土结构表面的氯离子浓度主要由于混凝土制备时所掺入的水、集料、水泥以及掺合料决定。

（3）钢筋混凝土结构所处的温度。温度提高会加快各种反应的速率，同时温度升高会加快混凝土表面水分的挥发，氯离子的渗透加快，温度升高从长期上看不利于混凝土结构的稳定。

（4）混凝土中掺入粉煤灰、矿渣等掺合料的作用。这些掺合料可以和水泥发生一定的作用，生成一种硅酸钙凝胶，这种凝胶可以将混凝土结构内部存在的缝隙缺陷等进行填充，从而使孔隙率得到一定的控制，从而降低氯离子的渗透作用[5]。

（5）混凝土的水灰比。如果混凝土的水灰比过大，使得水泥水化反应结束后混凝土中还存有一定的水分，这部分水分会逐渐蒸发在混凝土内部形成各种各样的缺陷，使渗透作用增大，海水接触混凝土后，使混凝土的孔隙率进一步增大，造成恶性的循环。

（6）混凝土结构的保护层厚度的影响。混凝土保护层是混凝土内部钢筋与外界之间的那部分，当外部环境一定时，混凝土保护层厚度越大，氯离子进入混凝土结构内部越困难，干湿循环带来的影响也就越小。而当保护层过大时，保护层的混凝土在水化反应时会由于温度和收缩而产生裂缝，使得保护层失效[6]。

5.2 混凝土结构的防腐措施

首先应该减少扩散作用来考虑，使用符合相关标准的水、集料、水泥等原材料，减少最开始混凝土内部的氯离子含量；使用类似矿渣等有益的掺合料，提高混凝土的密实程度；控制混凝土的最大水灰比，在保证水泥水化过程的同时，减少内部自由水的含量；严格控制混凝土的搅拌与浇筑过程，确保混凝土内部的密实，避免离析的出现，并进行充分的混凝土养护过程。根据规范，适当的增大混凝土保护层厚度；可在混凝土表面做环氧树脂涂层，增加氯离子进入混凝土内部的困难程度，也减少氯离子在混凝土表面的聚集；可在混凝土中使用钢筋的阻锈剂进一步保护钢筋[7]。此外，还有电化学方法中增加一个电流，使钢筋变成阴极的阴极保护法或者在混凝土的表面设一道电网为阳极的电化学除氯法。

6 结语

通过对沿海地区氯离子的侵蚀以及混凝土结构的腐蚀机理进行详尽分析，研究了沿海地区混凝土结构的腐蚀原因，并提出一系列相应的防腐措施，只有进一步研究相关防腐措施，才能保证沿海区域混凝土结构的安全和耐用。

参考文献

[1]程飞，张杰，战春燕.沿海地区混凝土结构的腐蚀及腐蚀防护[J].价值工程，2017，36（31）：145-146.

[2]蒋欣. 氯盐环境下预应力混凝土桥梁耐久性环境区划研究[D].长安大学，2013.

[3]邹小明，王军.浅谈沿海地区混凝土中的钢筋锈蚀[J].商品混凝土，2012（08）：26-28+34.

[4]赵彦迪，赵铁军，万小梅，徐建光.沿海地区地下混凝土结构的环境腐蚀机理[J].混凝土世界，2011（05）：68-72.

[5]王昆. 沿海地区混凝土氯离子腐蚀质量问题研究[D].华南理工大学，2009.

[6]杨文武. 海工混凝土抗冻性与抗氯离子渗透性综合评价[D].重庆大学，2009.

[7]尚辉，赵睿敏.沿海地区混凝土结构的腐蚀及腐蚀防护[J].河南建材，2007（05）：21-22.

（作者单位：山东电力建设第三工程有限公司）