涉海混凝土桥梁腐蚀裂化与防护措施研究

孟召辉

(盘锦河海土木工程咨询有限公司，辽宁 盘锦 124200)

调查显示，我国海岸线长达上万公里，跨海桥梁等海工建筑数量正随着海洋领域中人类活动的加速扩展而急剧增多，沿海地区基础设施建设规模不断扩大[1-2]。在运营过程中沿海地区混凝土桥梁承受着风浪、海潮等自然环境的侵蚀以及正常车辆荷载的多重作用，混凝土中的钢筋受海风和海水中的氯离子侵入发生锈蚀，结构安全可靠性明显下降，大大缩短了结构的使用年限[3]。鉴于此，文章全面探讨了混凝土桥梁在海洋环境下的裂化机理，并结合实践经验提出增强其抗腐蚀性能的措施，旨在延长结构使用寿命和改善混凝土耐久性。

1 海洋环境下混凝土裂化机理

常温条件下，海水的pH值处于7.5-8.6范围，一般含有多种可溶性盐如表1，整体盐度达到3.0%-3.8%范围。海洋环境下，受离子的化学侵蚀作用混凝土结构发生腐化裂化的形式主要有两种，即海水中氯离子Cl-1诱发的钢筋锈蚀及镁盐、硫酸盐对混凝土水化产物的腐蚀。

表1 海水中主要盐分元素的浓度

1.1 氯盐的腐蚀作用

海洋环境下混凝土结构耐久性能主要受氯离子侵蚀诱发钢筋锈蚀的影响，钢筋混凝土桥梁受海洋环境的作用，其使用年限大多不超过30a，服役时间较短主要与氯盐诱发的钢筋锈蚀相关[4]。海洋环境下氯离子诱发钢筋锈蚀的作用机理，可以从以下方面加以探讨：

1)钝化膜破坏。水泥水化形成的高碱性环境会使钢筋表面发生钝化，并形成一层有效防护钢筋的致密钝化膜。Cl-通过微裂缝或孔隙达到钢筋表面吸附于钝化膜处，钝化膜局部发生酸化，pH值快速下降致使钝化膜逐渐出现破坏。

2)构成腐蚀电池。Cl-破坏钝化膜后，局部钢筋的铁基体露出，并与钝化膜完好的部位形成腐蚀电池，即存在电位差。

3)阳极去极化作用。Cl-的存在能够加速阳极反应，并且反应过程中起着循环破坏作用，并未被消耗掉，Cl-充当加速钢筋锈蚀的催化作用，其反应过程如图1所示。

4)导电作用。离子通道为构成腐蚀电池的关键要素，在腐蚀电池中Cl-的存在降低了阴、阳级之间的电阻，强化了离子通道使得腐蚀电流效率明显提高。

图1 Cl-的去极化作用

一般地，氯离子达到钢筋表面的方式有“外渗”和“内掺”两种[5]。其中，“外渗”是指海洋环境中含有的大量氯盐经混凝土内部孔隙或微裂缝达到钢筋表明，富集到一定程度后氯离子就会造成钢筋的锈蚀，为延缓钢筋的锈蚀必须对氯离子的渗透加以限制，从而保证结构的使用寿命。“内掺”是指外加剂、水、集料等混凝土原材料中可能会含有一定量的氯离子或氯化物，混凝土拌制初始就掺入了氯离子，因此为防止钢筋锈蚀要求混入混凝土中的氯离子不能超过一定的界限值。

1.2 镁盐和硫酸盐腐蚀

海水中的镁盐主要是指MgSO4和MgCl2，水泥水化生成的Ca(OH)2可与这些离子发生以下反应，即：

Mgcl2+Ca(OH)2→Cacl2+Mg(OH)2

(1)

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→Mg(OH)2+CaSO4·2H2O

(2)

Ca(OH)2与MgCl2反应生成的Ma(OH)2无胶凝能力且松散，其溶解度较低为18mg/L，生成的CaCl2易溶于水，从而降低了水泥浆体的碱度。Ca(OH)2与MgSO4反应既生成无胶凝能力且松散的Ma(OH)2，还会生成加速硫酸盐腐蚀的CaSO4·2H2O，即引起硫酸盐和镁盐的双重腐蚀。一定的碱度是维持水泥中水化产物稳定的必要条件，Ca(OH)2的存在保持水泥浆体的pH值处于12.5-13.5之间，Ca(OH)2的消耗会降低维持水化产物稳定的水泥浆体碱度，致使pH值不断减小，为了维持酸碱度平衡水化硅酸钙C-S-H等水化产物会分解，水化产物的长期消耗将大大降低水泥石的胶凝性和强度，增大结构的孔隙率甚至引起水泥石破坏。

海水中的SO42-离子浓度能够达到2500mg/L-2800mg/L之间，水泥水化产物Ca(OH)2会直接与其发生反应生成CaSO4，生成的CaSO4将与单硫型水化硫铝酸钙A Fm、水化铝酸钙C-A-H反生生成钙矾石A Ft，即高硫型水化硫铝酸钙，其结构式为{Ca6[Al(OH)6]2·24H2O}·(SO4)3·(H2O)2，其中钙矾石总空间体积的81%被结构水填充，A Ft为体积膨胀2倍-3倍的针棒状单向生长晶体，已硬化混凝土受继续生成的钙矾石约束而产生能力，并进一步引起膨胀性破坏。

2 海洋环境下混凝土桥梁防护措施

海洋环境下混凝土受镁盐、硫酸盐的腐蚀作用比较缓慢，而混凝土桥梁耐久性主要取决于氯离子诱发的钢筋锈蚀[7]。因此，为延长海洋环境下混凝土桥梁的使用寿命，增强其抗环境腐蚀的能力，可从电化学防护、混凝土表面涂层和设计等角度采取有效的措施。

2.1 电化学修复技术

电化学防护主要有新发展出的双向渗透法、电渗阻锈法、电沉积修复法、电化学除盐法、外加电流或牺牲阳极的阴极保护法等。①双向渗透法：该方法是以电迁移型阻锈剂和电化学除氮技术为基础发展而成的新型技术，其工作原理是混凝土孔隙液及钢筋表面的氯离子，在外加电场作用下向阳极迁移进入电解质溶液，而阳离子阻锈剂向阴极迁移，该方法能够有效降低氯离子浓度，对抑制和修复钢筋锈蚀发挥着显著作用。②电化学除盐法：该方法一般适用于氯离子侵入较多的海工混凝土结构，除盐法是以钢筋为阴极，在混凝土表面敷置或买入电解液保持层，将钢筋网或金属片设置于保持层中作为阳极，阴阳极间通直流电流以降低氯盐含量。混凝土中的负离子(如氯离子)在外加电场作用下从阴极向阳极迁移，从混凝土中脱离进入电解质，从而达到除盐脱氮的目的。③电沉积法：可在电解质中利用电化学脱盐的方式，即电场作用下海水中的钙镁离子等深入混凝土内部，电解质中离子与硅酸盐形成致密的盐结晶，从而填充修复内部的缝隙，实现混凝土的修复保护。④外加电流或牺牲阳极阴极保护法：该方法以阳极网、铸铁或活泼金属为阳极，钢筋为阴极，外加一定电压的直流电使钢筋附近不发生氧化反应，或者用导线连接阴阳极，通过发生原电池反应达到保护阴极的目的。

2.2 混凝土表面涂层

表面涂层能够有效防止Cl-、CO2、水分等有害介质向混凝土内部的侵入，一般有聚氨酯/聚脲(SPUA)、有机硅憎水渗透剂、防腐蚀涂料等防护材料。①聚氨酯/聚脲(SPUA)：相对于常规的表面防护材料其具有许多优异的物理化学性能，如环境温湿度适应性好、强度高、耐老化、自身柔韧性好等，在混凝土开裂的条件下自身不会发生断裂，并且能够牢固地抓住混凝土起到保护和防水作用，在实际工程中的应用比较广泛。②有机硅憎水渗透剂：目前应用效果最好、最广的防护剂有烷基/烷氧基硅烷及其改性化合物，结构涂覆表面与荷叶表面相类似，水以水珠的形式出现难以在其表面湿润，有效防止了氯离子等以水为载体有害介质的渗入，发挥防护作用。这类防护剂有不改变混凝土表面效果、处理后保持混凝土透气性、防护效果持久、抗紫外线、耐酸碱、渗透性强、防水性好等优点，并且不易鼓泡脱落。但也具有易燃、有害或有毒等缺陷，对水环境造成不利影响，因不能受压力水的渗透而不能用于水中结构。③防腐蚀涂料：涂料也称为油漆是最常用桥梁防腐蚀措施，在混凝土表面该涂料能够形成膜，堵塞混凝土毛细孔从而达到隔绝外界物质渗透，发挥混凝土防护作用。然而，这种涂料使得外界空气与混凝土之间的交换完全隔绝，易引起混凝土脱落和气泡；此外，混凝土被覆盖后，若出现其它缺陷则很难被检测到，后期维修时涂层的除去也较为困难。所以，在使用过程中需要经过多次论证，选择合适的部位使用。

2.3 桥梁设计的防护

1)结构设计。为延长氯离子达到临界浓度、海洋环境下氯离子渗入钢筋表明的时间，可以从结构设计的层面适当增大保护层厚度。桥梁设计使用年限为50年时，桥台、桥墩的保护层厚度≥45mm，主梁的≥35mm，基础和承台的≥65mm；桥梁设计使用年限为100a时，桥台、桥墩的保护层厚度≥50mm，主梁的≥40mm，基础和承台的≥70mm。

2)材料设计。海洋环境下，以胶凝材料总用量的0.1%作为混入氯离子的界限值，对于预应力结构≤0.06%。此外，增强抗渗性和增加密实度是改善混凝土耐久性的关键。通过使用减水剂、减少水灰比等能够有效提高其抗渗性和密实度。混凝土配制所用水泥要符合抗渗性好、抗冻性优、耐腐蚀能力强等要求，优先选用耐腐蚀性或普通硅酸盐水泥，一般不考虑快硬硅酸盐水泥等。为提高混凝土抗渗性应合理使用矿物掺合料，如掺入适量的硅粉有利于阻断毛细孔，有效减少内部空隙；磨细矿粉的合理使用能够减少水化热和水胶比，促使水化产物二次反应，明显降低水泥石孔隙率；将适量阻锈剂掺入混凝土内以及选用环氧树脂涂层钢筋或不锈钢筋，也可以有效防止钢筋的锈蚀[7-10]。

3 结 语

海工混凝土的环境条件非常严酷，混凝土桥梁的耐腐蚀性能受到海水中氯盐、镁盐、硫酸盐等高含度有害物质的考验。因此，在桥梁设计中可通过掺入适量的矿物掺合料改善结构的孔隙状况，掺入阻锈剂增强结构的抗腐蚀性能，增大混凝土材料密实度和保护层厚度提升其抗渗性能。此外，结合结构特点还可选择合适的电化学及混凝土表层防护方法，从而延长海洋环境下水工结构的使用寿命。随着新材料、新技术的不断创新和应用，未来海工混凝土防护方法将越来越多，可为海洋环境下桥梁结构的长效安全使用提供重要保障。