海水侵蚀环境下混凝土耐久性的研究

韩 旭

(营口资产经营集团有限公司，辽宁 营口 115000)

混凝土这种建筑材料一直在建筑领域广泛应用，到目前为止，混凝土已经在建筑领域中被使用了二百多年。经过两个多世纪的大量应用，许多的混凝土建筑结构都出现了没有达到使用年限的现象，这种现象包含了许多因素，其中绝大多数都发生在沿海建筑上，主要的原因是海水中的氯离子腐蚀所导致，建筑中的钢筋混凝土结构经过长时间的氯离子腐蚀，其钢筋表面会产生大量的锈蚀产物，这种锈蚀产物在钢筋混凝土结构内部的长时间堆积就会让混凝土的保护层出现破裂，而保护层的破裂会进一步加深海水对建筑的腐蚀程度，形成恶性循环，从而让混凝土建筑的使用年限极大的降低。

近几年，全世界范围内的研究人员对混凝土的耐久性进行了大量的实验，实验结果全面说明了不同环境下混凝土耐久性是不同的。对混凝土结构进行潮湿养护时检测氯离子在混凝土结构中的运动速度，能够明显的发现潮湿养护下的混凝土结构中氯离子运动速度较慢，并且随着养护时间的延长，氯离子的运动速度会得到更进一步的降低，极大地提升混凝土结构的耐久性能。与此同时，还有研究表明，混凝土结构在无养护的时候，结构内会出现数量不少的有害孔，与此同时氯离子的运动速度也远高于潮湿养护下的混凝土结构。

1 混凝土结构在海洋中的应用现状

随着全球经济和科技的高速发展，再加上陆地上的资源储备不足，越来越多的国家开始构建海洋发展战略。目前为止构建并施行了新的海洋发展战略的国家有日本、美国、荷兰等多个国家。改革开放以来，我国进入了经济井喷时代，经过多年发展现已经成为了世界上首屈一指的出口大国，由此对海洋的依赖程度较高，在海上占据巨大的利益。与此同时我国“十三五”规划公布的发展战略当中，关乎海洋的战略名列前茅，充分表明了我国对海洋的重视程度。对海洋的开发利用都离不开混凝土这一基础材料，目前为止混凝土在岛礁、水电大坝、沿海工程、跨海桥梁等多方面得到广泛使用，未来混凝土必然要应用于海洋资源开发和海洋钻探等领域，所以混凝土在海洋环境中的耐久性便极为重要。

2 海水侵蚀环境对混凝土的影响

海水侵蚀环境对混凝土的影响，即在混凝土建筑的使用过程中，海水通过直接或者间接的方式对混凝土建筑进行腐蚀，其中又含有外部腐蚀和内部腐蚀两种腐蚀手段。通俗的解释就是建设在海水中的混凝土建筑，建筑表面直接和海水接触时即为海水对混凝土的外侵蚀。随着时间的推移，海水逐渐渗透进混凝土建筑的内部进行侵蚀，也就是内侵蚀[1]。

在建筑物的使用过程中，大部分建筑物内部的主要结构存在提前损坏问题，其中有一少部分建筑，在还没有使用的时候就损坏，这些现象都会直接造成各种资源的大量浪费。而海水对混凝土建筑的侵蚀有两方面原因：一方面就是混凝土建筑在海水环境中经过长时间的海水浸泡，内部的钢筋被海水锈蚀；另一方面就是混凝土经过海水长时间的浸泡所产生的损坏，为了进一步降低甚至避免海水对混凝土建筑的侵蚀，我国的科研人员为此开展了许多的研究与实验。

3 海水侵蚀环境影响混凝土耐久性的机理

根据混凝土建筑的受荷时间强度循环次数情况，能够直接反映出混凝土建筑在遭受海水侵蚀的不同阶段内部结构的不同变化和损坏原理[2]。在海水侵蚀的早期，海水中所包含的各种离子侵入到混凝土建筑结构内部，通过不同离子之间的相互反应，导致在混凝土建筑结构内部产生许多具有不溶性的物质，对混凝土建筑内部的空隙进行填充，能够让混凝土建筑的性能和坚固程度进一步提升。随着时间的推移，海水对混凝土建筑的腐蚀程度进一步加深，这时候产生的不溶物体积会越来越大，给混凝土建筑内部造成沉重的压力，从而导致混凝土建筑结构遭到破坏，建筑结构的强度开始下降。当破坏逐渐严重时，混凝土建筑表面就会出现裂缝，而裂缝的出现会导致海水的侵蚀更加迅速和剧烈，海水能够通过表面的裂缝更多的涌入混凝土建筑内部当中进行侵蚀，让水泥石的功能受到限制，导致混凝土建筑的强度更进一步的下降。

近几年，许多国内的专家学者对混凝土在不同环境影响之下的使用年限展开了研究。其中对混凝土的干燥养护和潮湿养护对混凝土使用年限的影响的研究更为深入，经过对两种环境之下混凝土材料进行对比和分析，结果表明处于潮湿养护的状态下氯离子在混凝土中腐蚀的速度明显减慢，并且随着养护时间的延长，氯离子在混凝土中的腐蚀速度会进一步的降低，所以通过这种养护方式能够让混凝土建筑的使用年限得到极大的延长[3]。而在干燥养护环境中，混凝土结构中的氯离子腐蚀速度和效率明显提高，混凝土结构建筑的使用年限也会出现缩减。

在混凝土试件的实验过程中，最主要的两种影响因素是：第一，伴随着海水对混凝土的侵蚀，海水中的盐离子在与混凝土建筑接触后生成了盐类化合物，从而造成了其重量的提升；第二，在海水长时间的浸泡和侵蚀下，混凝土建筑表面的建筑材料脱落，所以重量在一定程度上降低。从以上的研究数据对比结果中能够明显看出，氯离子对混凝土建筑的腐蚀效率极大的受到混凝土养护手段的影响[4]。所以，在有关海洋的大规模工程项目中，要对混凝土建筑进行严格的养护，除此之外，还要建造严密的辅助设施，比如混凝土表层防护结构等保护结构的建设，这样才能够最大程度的保障混凝土建筑在海水侵蚀下的使用年限。

4 混凝土结构防侵蚀的必要性

混凝土结构在建造完成后，随着时间的推移海水会对水泥进行水化，这个时候混凝土结构的强度会得到极大地强化，这是外部环境对混凝土结构产生的积极影响。随着海水长时间的浸泡，海水会慢慢腐蚀混凝土结构，造成混凝土结构的强度降低，使用年限大幅度缩减，这是外部环境对混凝土结构产生的消极影响。通过相关研究表明，海水中能够对混凝土结构产生腐蚀的物质主要是硫酸盐和镁盐。具体的腐蚀过程为，硫酸盐和混凝土结构内部的物质产生化学反应从而生成体积膨胀的物质，这些生成的物质随着数量的增加会直接破坏混凝土结构，这就是硫酸盐腐蚀。镁盐和混凝土结构内部的物质产生化学反应生成易溶于水的胶状物，镁盐侵蚀会造成混凝土结构胶结力降低，从而硬度下降。当混凝土结构内部的氢氧化钙与穿过孔隙进入混凝土内部的二氧化碳气体发生反应的过程就是混凝土的碳化，这个中和反应的过程会导致混凝土结构纯碱度下降，从而导致混凝土结构内的钢筋保护膜出现损伤，使钢筋被锈蚀。初始阶段的混凝土结构，内部的高碱度是防止钢筋出现锈蚀的良好环境，但当水汽运载的氯离子进入混凝土内部的时候，由于氯离子自身的特性，会在短时间内给钢筋表面的保护膜造成严重破坏，导致钢筋发生锈蚀从而力学性能降低，与此同时腐蚀产物不断累积会破坏掉钢筋表面的混凝土结构。海洋中细菌等微生物和藤壶等大型污损生物附着在混凝土结构表面就是生物侵蚀，这些海洋生物的代谢分泌物会持续对混凝土结构造成侵蚀。混凝土结构在服役过程由于长时间面对动静荷载和海浪等冲刷磨蚀，导致其表面受到破坏漏出内部的钢筋，导致钢筋混凝土结构发生破坏，此外荷载作用下混凝土出现裂缝等缺陷的概率非常大，一旦出现裂缝就会进一步加剧其他有害因子的化学侵蚀。

从上述侵蚀机理分析可见，混凝土的破坏很大一部分是由于海水的入侵，而海水中携带的大量氯离子、硫酸根离子等又是混凝土发生破坏的重要因素，因此防水势在必行。此外，随着海洋生物侵蚀的现象受到越来越多研究者的关注，实际工程环境中，混凝土的耐久性失效往往非单因素作用，一般伴随多因素耦合作用。因此提高混凝土的耐久性，除了防止水汽的入侵外还需要防止微生物和大型海生物对混凝土的附着。

5 防止海水侵蚀环境对混凝土耐久性影响的策略

混凝土的质量和使用情况受水泥质量的影响很大，所以使用高质量的水泥制成的混凝土的质量和使用年限也会更为理想，能够更好地抵御海水的侵蚀[5]。也就是说，有针对性的使用特殊水泥来进行海中建筑混凝土结构的建造，是提升海中混凝土建筑使用年限的有利举措。

与此同时，对于混凝土受到海水的侵蚀作用这一点，可以通过加厚混凝土建筑结构的表面保护层，延缓混凝土和混凝土中钢筋的海水侵蚀速度和程度，从而延长混凝土建筑的使用年限，这种方式是一个最基本的办法。但是，对于保护层的具体厚度产生了争议，一些人认为侵蚀混凝土建筑的主要因素是因为海水中的盐，做出这种判断主要是依据菲克扩散第二定律，所以海水中混凝土建筑的保护层的厚度应该要达到7.5cm以上。

当存在外界消极因素时，海水对混凝土建筑的侵蚀程度和速度要远远超过没有外界消极因素的影响。基于这种情况，部分研究人员采取对比实验的方式做了进一步分析，通过对不同应力等级时海水对混凝土的侵蚀程度进行实验，最后得出了相关结论，即当应力较大的情况时，海水对混凝土的侵蚀速度会大大增加。

混凝土建筑所具有的综合性能是否良好是由混凝土建筑的强度等级所决定，虽然对混凝土建筑强度等级的影响因素非常多，但是最主要的影响因素仍然是水泥质量的好坏。使用优质水泥制造出的混凝土，其中的聚合物颗粒非常紧密，骨料具有良好的坚韧性，在加上适当的水灰比例，制造出的混凝土建筑强度等级极高，从而对海水的侵蚀所具有的抵抗力越高。这从其他的研究结果当中也能够得到证明[6]。

混凝土建筑能否有效抵御海水侵蚀最重要的表现是在于混凝土在海水浸泡下的实际表现，想要有效的提高混凝土在大量海水的浸泡下的使用年限，就需要许多方面的改善和进步。目前，相关研究人员由于受到研究设施这些硬件条件的影响，对于这方面的研究成果止步于定性分析等理论研究方面。但是，提升混凝土建筑在海水侵蚀下的使用年限是目前许多国内研究人员的重点和难点。有许多的研究人员希望通过升级科研技术来取得突破。相信随着科技的发展进步，以后必然能够通过对海水中含有的多种因素对混凝土的影响做出更加深入的研究。

6 结 语

如何提高混凝土建筑在海水中的使用年限，对我国海上事业的发展具有重大的意义，对混凝土建筑在海水侵蚀下的耐久度也有着深远的影响。经过我国广大科研工作者的研究和实验可以看到，若是想要通过对目前的混凝土进行完善和升级，提高混凝土对海水侵蚀的抵御程度，就需要从多个方面进行完善。比如通过完善混凝土的密实程度，选择优质并且高质量的水泥来制造混凝土，对混凝土表面的保护膜进行加厚等，这些具体手段和举措的实施，能够有效减缓海水对混凝土建筑的渗入速度、大大提高混凝土建筑对海水侵蚀的抵抗性，从而让在海水侵蚀下的混凝土建筑能够达到我国对混凝土建筑使用年限的基本要求。此外，通过相关研究得出的具体结论有：(1)倘若混凝土在养护期就受到海水的侵蚀，那么就会导致混凝土结构内部出现大量的氯离子，直接影响了混凝土结构的耐久性；(2)寿命预测结果显示，一旦混凝土结构在养护期受到氯离子侵蚀，耐久性与使用寿命将大幅度减少，经过大量的实验证明处于养护期的混凝土经过28天的海水环境侵蚀，剩余耐久性使用寿命只有12年；(3)涉海工程结构施工过程在养护期要尽量避免混凝土与海水直接接触，宜采用围堰施工、渗透性模板等辅助措施。如果无法实现，结构建造后建议密切跟踪监测混凝土耐久性，避免出现结构安全事故。