滨海环境下混凝土结构裂缝防护与修复的研究进展

陈娜 臧家伟 叶硕 林雅静 潘崇根 * 何静姿 虞晓磊

（1. 武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430000；2. 浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100；3. 浙江亚厦装饰股份有限公司，浙江杭州 310008）

1 引言

钢筋混凝土是世界上使用最广泛的材料之一，其中混凝土可以保护被包裹的钢材，使其免受碱性环境的侵蚀，并能在恶劣的环境下承受时间和压力的影响，但暴露在滨海环境中，它会变得格外脆弱［1-2］。氯离子渗透和碳化是诱导混凝土结构性能下降的原因，前者占主要部分［3］。再加上海洋中氧气、微生物、重金属等因素的影响，导致在易受海水浸泡或飞溅的区域混凝土结构腐蚀更为严重［4-5］。由此，欧洲在滨海相的腐蚀环境中规范并细分了4 个微环境暴露等级［6］：XS1，结构暴露在含盐量高的空气中，但不与海水直接接触；XS2，结构永久淹没；XS2/3，结构经常潮湿（例如中、低潮带和回填地层）；XS3，结构偶尔湿润（例如潮汐上升、飞溅/喷射、水下建筑物的“干燥”内表面）。

随着经济和技术的发展，中国的码头、涵洞、跨海大桥等滨海混凝土结构工程大量增加，而海洋多变的复杂环境导致滨海混凝土结构服役时间难以满足设计使用年限要求。建筑腐蚀同样是一个世界性难题，全球范围内，每年因腐蚀造成的损失高达2.2万亿美元，约占当年生产总值的3%［7］。其中，建筑腐蚀降低混凝土结构的性能和可靠性，进而导致结构使用寿命缩短［8］。且不同腐蚀状况下所产生的修复费用以新建混凝土结构所花费用为基数以5 的幂次逐级增加［9］。美国混凝土钢筋结构锈蚀占每年各种腐蚀损失的50%（约280 亿美元）［10］。中国沿海地区使用7～25 年的桥梁，约有89%出现钢筋锈蚀问题［11］。以浙江省为例，2019 年就累计修复受腐危桥247座，建成养护公路安防工程2 500 km。此外，滨海环境会与其他因素协同造成更大破坏。例如，滨海地区港口货物吞吐量大，卡车、货车等重型车辆需求量大，大幅度增加的交通量造成道路长期疲劳，加剧路面结构耐久性问题的产生［12］。

总体上，滨海混凝土结构依据不同的滨海腐蚀微环境具体表现为混凝土保护层龟裂、剥落、分层、出现纵向裂缝和钢筋裸露；路面结构沉陷及重车辙且病害程度重等。而混凝土裂缝缺陷若不及时修复，外界水和腐蚀性介质将不断渗入，将进一步加深钢筋混凝土耐久性问题［13］。因此，从机理角度分析滨海混凝土结构裂缝形成的原因，并采取有效的措施进行修复，延迟结构的使用年限具有重要的意义。

2 滨海环境混凝土结构裂缝作用因素及形成过程

滨海地区结构开裂的环境复杂，要求工程设计人员考虑的因素更多，比如盐类腐蚀、空气湿度、土质等［14］，难以准确模拟出滨海的特定现实条件也是一大设计难点。由于天气或潮汐等作用，海平面、地下水位、土壤湿度、承载力、盐离子含量等因素不断变化，复杂的滨海条件加速了钢筋的锈蚀。

2.1 高盐离子环境作用

海水中富含具有侵蚀性能的盐类（MgSO4，K2SO4，MgCl2，NaCl 等）［15］，这些盐类通过混凝土外表裂缝以及内部细孔的毛细作用进入结构内部。钢筋表面的氧化膜与侵入的Cl-发生反应，进而形成腐蚀电池，反应速度将非常迅速［16］。在滨海高Cl－条件下，Cl－通过混凝土毛细管作用、渗透和扩散作用及电化学迁移等方式进入混凝土内部产生盐状结晶，改变混凝土内部理化特性。在此过程中，Cl-参与反应的方程式如式（1）、（2）所示。可见Cl-会在锈蚀反应过程中起到催化剂的作用，且会逐渐积累［17］。

另一方面，混凝土内部是高碱性的环境，其内部的钢筋应处于被保护的钝化状态下，但是SO42－会和混凝土内的Ca2＋，Mg2+和Na+反应生成CaSO4，MgSO4，Na2SO4等难溶性物质，硫化物与硫酸盐也会与固态水化铝酸钙反应生成钙矾石，反应式见式（3）～（5）。在这个过程中结晶体体积膨胀4～5 倍而产生膨胀压力，进而导致混凝土膨胀开裂，引起抗拉、压强度的性能劣化［18］。

滨海的高湿度环境使钢筋的锈蚀更加容易发生。宁波市北仓区沿海地带服役30 年的4 座桥梁，T形梁局部损失率达13.1%～51.0%，且越靠近桥墩，破损更严重［19］。山东日照沿海地区长期服役的滨海大桥边梁侧面混凝土表面上有大面积层裂、空鼓破损，80%的护栏产生顺筋胀裂，基本上丧失原有作用［20］。

2.2 冷热温差变化作用

钢筋混凝土表面散热能力弱，当外部环境变化引起混凝土表面与中心形成过高的温度梯度时，表面会产生拉应力，当超过抗拉强度时即产生温度裂缝［21］。滨海环境的高湿度与冷热循环致使冻融加剧混凝土的破坏。水泥混凝土受冻后会出现微小裂纹，在外部荷载作用下裂纹继续发展，进而出现开裂、断板等破坏现象。由于冻融的发生，部分结构强度下降，当所需的疲劳应力不能得到满足便出现破坏现象［22］。

滨海的高Cl－条件也会造成独有的离子冻融破坏现象，滨海环境中渗入混凝土结构的NaCl 结冰后体积膨胀率和渗透性增大，具体表现为饱和后的混凝土表面层严重剥落［23］。冻融次数越多，混凝土中Cl-的扩散系数越大。滨海混凝土需要在如此环境下发挥作用多达数十年，多次冻融的出现，使得内部Cl-含量越来越高，产生不可避免的离子冻融破坏。另外，我国东部和东南部滨海地区多处于亚热带，雨水比较充沛，水分沿着道路表面的孔隙或毛细孔通道向内部渗透，在反复冻融的情况下，结构也会产生裂缝影响使用［24］。温度裂缝成因示意见图1。

图1 温度裂缝成因示意

2.3 土体物理性质影响

我国滨海地区土壤的含水率差异性大，土体承载能力相差较大。海岸地带浅部淤泥含有大量泥炭和有机质，大多处于欠固结状态，物理力学指标变化极具不均匀性。研究表明，经长期变形破坏的土体，结构性丧失后其抗剪强度仅为一般抗剪强度的40%～50%［25］。以宁波为例，宁波地区的软土主要为淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土，含水量高，具有典型的海绵结构和层理结构，很多房屋和路面的沉降明显。由于结构产生不均匀沉降或位移，产生附加应力，超出了结构的抗拉能力，导致裂缝产生。

3 滨海混凝土结构防护

腐蚀是加剧结构裂缝的催化剂，各国在建筑物防腐上投入了极大的人力与财力。我国近几年成立了诸多针对滨海防腐的国家级实验室，比如“海洋涂料国家重点实验室”。目前，主要从原料与防腐涂层两个层面增加钢筋混凝土耐腐蚀性能。

3.1 混凝土原料优化设计

（1）配合比。在混凝土的配合比设计上采用高性能混凝土，其拌合料具有高塑性，且在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定［26］。高性能混凝土具有较少的毛细孔，使其具有较高的抗Cl-渗透性能。同时高性能混凝土一般在优化了配合比的基础上，添加了减水剂等外加剂，提高了混凝土的耐久性，从而能够适应更长时间的滨海建筑作业。多数高性能混凝土抗腐蚀能力的提高是通过对混凝土内部毛细孔道的优化来达到的，在实际操作中，要确保孔道压浆的密实性［27］。

（2）骨料。骨料占混凝土质量的70%～80%，其对混凝土的耐酸腐蚀具有重要作用［28］。通过测试，抗腐蚀混凝土的骨料应优选比表面积更大的钙质骨料，且粗骨料的坚固性指标不得大于8%，最大粒径不得大于40 mm［29］。

在骨料的选择时，也需要考虑到混凝土的碱集料反应。其中发生率较高的ASR 的发生机理是骨料中含有碱活性硅质矿物与混凝土孔隙中的钠、钾离子反应产生凝胶吸水膨胀，而ASR 破坏往往在混凝土浇筑完成的多年后发生，且一旦发生，将难以控制，严重影响混凝土的耐久性能。钠离子在海洋中大量存在且海水易通过毛细吸附进入混凝土内部，更容易加速ASR 破坏的产生。选择低碱的钙质骨料能够在一定程度上提高混凝土耐久性，而为了保证混凝土结构基体的均质性，一般不推荐使用粗骨料。

（3）水灰比。水灰比与混凝土强度呈反比，但在抗腐蚀水灰比的选择中，需要充分考虑环境溶液的离子浓度，李双喜等人通过对不同水灰比配件的耐腐蚀研究证明，改变水灰比以达到长期抗腐蚀的目的具有一定局限性，不考虑环境离子浓度，直接采用优化水灰比的高抗腐蚀水泥混凝土可能会留下安全隐患。我国《水运工程混凝土施工规范》规定海水水位变动区的混凝土结构水灰比最大允许值为0.45～0.55［30］。

（4）外加剂。滨海地区钢筋混凝土外加剂主要分为矿物外加剂和化学外加剂两类，其种类繁多、功效不一，具有缓凝、增加和易性、改善塑性和防腐蚀等功能。以常见的掺入型的含亚硝酸盐阻锈剂为例，它在钢筋位置发生的反应见式（6）。

亚硝酸根促进铁离子生成具有保护作用的钝化膜（νFeOOH）。当结构处在滨海环境中，Cl-的破坏作用与亚硝酸钠的成膜修补作用竞争进行，当后者作用更大时，钢筋锈蚀便会停止［31］。

3.2 防腐涂层技术

在混凝土结构表面或者内部钢筋表面进行涂层防护，能有效提升混凝土结构的抗裂性能。混凝土表面涂层类型见表1。

表1 混凝土表面涂层类型及主要特性

国内主要使用环氧树脂作为滨海地区钢筋混凝土结构涂层。其适用于处在潮湿环境或侵蚀性介质中的各类结构，有效地延长结构的使用寿命。但环氧树脂固化产物存在交联密度高、韧性差、耐紫外线光能力差等弊端，国内外也利用有机硅［32］、丙烯酸［33］和聚氨酯［34］等材料对环氧树脂进行改性，提升涂层抗渗透性能和防腐性能。

4 滨海钢筋混凝土结构裂缝修补材料及技术

裂缝修补技术主要有传统的开槽式修补、灌浆式修补、表面式修补。面对复杂多变的滨海环境，传统的修补方法在经济性、技术性、耐久性、可逆修复性等方面无法满足更高的要求。基于此，滨海混凝土的修补开始更新传统技术和应用新型修复材料。

4.1 灌浆式修补技术

灌浆技术又称为注浆技术，它是将一定的材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层或缝隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的［35］。

目前我国针对不同沿海微环境情况下的裂缝采用不同的灌浆材料和灌浆手段。在灌浆材料的选择上，除去传统的黏土类、水泥－水玻璃类注浆材料外，多选择柔性灌浆的聚氨酯类（PUR）灌浆材料［36］，其化学成分为聚氨基甲酸酯类高聚物。聚氨酯类材料的水溶性配比物浆材遇水后体积可膨胀数倍，且具有良好的渗透性和扩散性，在使用过程中，无颗粒及沉降现象，适合滨海环境下的混凝土结构裂缝修复。

4.2 表面修补技术

滨海地区的混凝土裂缝表面修补技术可细分为表面封闭技术和堵漏技术。表面封闭技术是通过在细微裂缝表面涂膜以减少有害介质的进入，采用的密封材料通常为聚合物水泥、油漆、沥青和弹性封缝胶等，适用于滨海地区路面及房屋结构大面积微裂缝防渗、防漏的处理。如图2 所示，依据裂缝的性质，区分是否需要加装由塑料薄膜或蜡纸制备的隔离层。表面封闭技术在材料方面取得长足的进展，磷酸镁水泥［37］、单聚合物复合砂浆［38］、偏高岭土地聚合物包裹下的膨胀珍珠岩［39］等材料，均具有良好的抗Cl-腐蚀性能和优异的致密性，一定程度上起到防护的作用。

图2 表面修补技术

堵漏技术指对于应力集中或者结构复杂的开裂段，可以在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布或贴缝带等来抵抗开裂的拉力。现阶段我国的滨海地区贴缝带从上至下分为高粘接材料、高弹性聚脂、高分子弹性材料、抗撕裂进口无纺布或柔性聚乙烯，四部分之间形成止漏且具有良好骨架的整体。

4.3 电化学沉积修复技术

电化学沉积修复技术是一种高效的滨海钢筋混凝土裂缝修复方法。其将混凝土裂缝浸入惰性电极的电解质溶液中，钢筋连接外接电源的负极，惰性电极连接正极，形成闭合回路，并通入电流［40］。混凝土内部的钢筋作为阴极，在通电后释放氢氧根离子［式（7）］，并在电位差的作用下，从阴极穿过混凝土保护层向阳极运动［式（8）］［41］。在裂缝处形成难溶沉淀物［如ZnO，CaCO3和Mg（OH）2等］，愈合混凝土表面裂缝，以Mg（NO3）2电解液为例［式（9）］。电化学沉积修复技术修复后的混凝土孔径分布与电流密度、电解液浓度等多因素有关［42］。

4.4 微生物修复技术

海洋中的微生物与钢筋混凝土结构间存在着相互作用的关系。一方面，其附着在混凝土表面生成的生物膜会促使大型污损生物的附着生成，促进裂缝产生；另一方面，通过将微生物养护在特定的营养环境下，发生降解［式（10）］，其可析出碳酸钙、氧化物及胞外聚合物等沉淀［式（12）］，可对混凝土裂缝进行修复［43］。微生物在生成脲酶的同时，也为碳酸钙的沉积提供了成核地点［44］。现阶段，对菌种的选择也更加多样，巴氏孢杆菌［45］、嗜碱芽孢杆菌［46］和巴氏芽孢八叠球菌［13］等均被应用于混凝土裂缝修复工程中，但总体上由于高成本和操作复杂性，在滨海环境下应用较少。

5 结论

本文基于滨海环境特有的性质和特点，分析造成钢筋混凝土结构裂缝开裂和腐蚀的原因，并总结混凝土路面结构的防腐、裂缝的传统修补技术及新型高效的修补技术的研究进展。

滨海环境的复杂性会加速混凝土结构裂缝的开裂，给工程修补带来不便。传统处理方法是开槽时将微裂缝的混凝土去除，再填补修补剂，比如，MPC 等新型水泥作为修补材料的组成进行裂缝的修补，同时可起到一定增强混凝土耐腐蚀的能力。然而目前的裂缝修补技术大多还停留在有机物灌浆修补的阶段，但是有机物成本较高，结构复杂。无机修补材料的研究还有很大的提高空间，比如MPC 材料等。电化学沉积修复技术具有良好的修复效果，但通电作用会在一定程度上损伤混凝土结构的力学性能。生物诱导式修补由于成本和技术的局限性，目前还处在理论和实验室阶段，有待更多的工程验证。随着海洋基础设施的大规模建设和工程服役环境的复杂化，混凝土结构后期的养护和裂缝修补会成为一项亟须解决的工程问题。因此，对于滨海环境钢筋混凝土所产生的裂缝要开发有针对性的长效修补技术，才可以更大程度地提高工程服役寿命。