海洋条件下混凝土耐久性的研究

海洋条件下混凝土耐久性的研究1.摘要：混凝土结构在海洋环境条件下，易产生腐蚀现象，海洋环境通常可按其对结构的作用区域不同划分为大气区、浪溅区、潮汐区和水下区，这些区域的腐蚀条件、腐蚀特征和腐蚀速率各不相同。其中，浪溅区和潮汐区构筑物腐蚀最为严重，是控制跨海大桥服役寿命的关键区域，本文通过海洋环境下浪溅区和潮汐区混凝土的耐久性研究，对不同配合比混凝土进行冻融循环、毛细吸水和氯离子渗透的实验，分析水胶比、硅灰和纤维对混凝土耐久性的影响以及混凝土表面涂层对抗冻性的影响，为改善海洋混凝土构筑物的耐久性提供参考依据。2.关键词：海洋环境；高性能混凝土；冻融循环；涂层；氯离子渗透3.海洋中对混凝土结构耐久性破坏的因素：海水的成分十分复杂多变，世界各大海洋由于其地理地质条件不同，海水的化学成分也有很大不同，即便是在海洋的不同区域，其化学成分也是很不相同的。通常来说，海水中大约含有3.5%左右的可溶性盐类，其中Nacl的含量最高，占77%~79%，氯化物的总量比较稳定大概占88%~89%，而硫酸盐约为10%左右。氯盐在海水中占有最大比重，它是混凝土结构腐蚀和钢筋腐蚀的最主要因素。P.K.Mehta将混凝土构筑物的破会原因按主要性依次降低的顺序列为钢筋锈蚀、混凝土冻害、侵蚀环境对混凝土的物理化学作用。而大多数情况下，复杂的海洋环境同时包括以上三种破坏作用，因此，海洋环境对于钢筋混凝土构筑物来说是十分恶劣的。我国交通部编制的《海港工程混凝土结构防腐技术规范》（JTJ275-2000）将构筑物按其在海洋环境中的暴露部位划分为4个区域，即大气区、浪溅区、潮汐区（水位变动区）和水下区。其中浪溅区混凝土经常处于干、湿交替的状态，易受冻融循环和盐结晶压力的破坏；此外，海浪的冲击磨蚀、流沙、浮冰及船舶的偶然撞击作用加速了该区域的混凝土构筑物的破坏。而由于混凝土破坏产生的宏观、微观裂缝使得由海浪冲刷带来的大量氯离子更容易向内部渗入扩散，加上此处氧气供应充分，导致钢筋最易被腐蚀，钢筋腐蚀膨胀导致混凝土保护层进一步开裂。因此，浪溅区和潮汐区是海洋环境钢筋混凝土构筑物受腐蚀破坏最严重的区域，往往最先破坏，是危害整个构筑物的薄弱环节，是控制海洋环境构筑物服役寿命的关键区域。3—1对抗侵蚀性破坏3—1.1无机离子（化学侵蚀）无机离子对混凝土的腐蚀主要有以下两个方面：一是硫酸盐和水泥的化学反应，二是Cl离子和水泥胶凝材料的化学结合。硫酸盐与混凝土接触时，产生钙矾石，造成混凝土膨胀，使它的表层开裂或软化。而裂缝又助长了硫酸盐和其它离子的侵蚀渗透，进一步加速了混凝土的破坏。氯化物则是与水泥中的C3A发生反应，生成高膨胀性的氯铝酸盐。同时，氯离子渗入钢筋表面，钢筋锈蚀亦引起体膨胀，使混凝土保护层胀裂，反过来又加速了钢筋的腐蚀，从而影响承载力，直至结构被破坏。处于海洋大气中的钢筋混凝土结构，特别是位于浪溅区部分的混凝土，它的表面不断处于干湿循环中，混凝土表面孔隙内盐分浓度在干湿循环中逐渐增加。在浓差作用下，盐分进一步向混凝土的内表渗入，直至钢筋表面，造成腐蚀。而当混凝土表面存在缺陷时，则会促使钢筋混凝土的腐蚀。3—1.2体积不稳定性破坏混凝土凝结硬化过程中，由于化学收缩、温度应力、干燥收缩等原因产生的收缩变形，使混凝土出现初始裂缝，影响混凝土体积稳定性。而海洋工程混凝土严酷的使用环境，使任何微小的初始裂缝都可能加速混凝土的劣化。3—1.3物理破坏水结冰时体积增大，混凝土内部产生压力，导致混凝土膨胀开裂破坏；潮起潮落于湿交替作用，使海水中盐类在混凝土内析晶，产生盐类结晶压力导致混凝土破坏；海风挟带砂、冰凌的冲击磨耗使混凝土表面粗糙，促进水化产物的溶出性侵蚀，加速混凝土保护层破坏。3—2对抗冻性的破坏处于寒冷地区的混凝土结构物在水位变动区，由于冻融循环作用和冰凌撞击作用，更容易使混凝土遭受严重破坏。因此，位于寒冷地区的海洋混凝土，其抗冻融性能的好坏，更是直接影响结构物使用寿命的重要因素。海洋混凝土工程因冻融作用而引起破坏的实例屡见不鲜，我国北方的每一个海港中几乎都发生混凝土冻害现象。混凝土的冻融破坏，是指混凝土中的水分受到冻融循环后，产生微细裂缝，致使表面混凝土剥落，从接近表层的部分开始发生破坏，从而逐渐发展到混凝土内部损坏的现象。混凝土内部存在着连通与不连通的孔隙，这些孔隙是渗水的途径。当混凝土处于饱水状态并遇到负温时，内部水分冻结，体积膨胀。导致孔隙的周壁上产生相当大的内部压力，当遇到正温时，虽融化，但孔壁已产生塑性变形。难于恢复到原来大小，如此反复冻融，孔隙逐次加大，冻结逐次加深，当作用在孔隙的拉应力超过混凝土强度时就开始出现微细裂缝。随着冻融循环次数增多，裂缝逐渐扩展并连接起来，致使混凝土开裂或破坏。3—3对抗碳化性的破坏混凝土中的Ca(OH)2受海洋大气中得CO2作用，生成CaCO3，逐渐失去其碱性，pH值降到8.5～10。当混凝土pH值低于10时，钢筋不再处于钝化状态，发生锈蚀。铁锈要比铁的体积膨胀2.5倍，由此，混凝土发生裂缝，使得二氧化碳、氯离子、盐分等更易进入，钢筋的粘结力降低，保护层剥落。即混凝土被碳化。4.提高海洋混凝土耐久性措施混凝土是由多种材料组成的复合材料，它的内部含有很多孔隙，当受到海水的侵入，将降低它的耐久性。从近十年来的研究成果来看，影响混凝土的耐久性的主要因素是：透水性、透气性和裂缝的产生，所以，必须对海洋条件下的混凝土结构进行防护，以提高它的耐久性，即使混凝土在具有高强度的同时，具有很低的透水性、透气性，尽可能地使混凝土在初龄期阶段避免受到恶劣环境的影响。同时影响混凝土耐久性的原因是多种因素共同作用的结构，为了控制这种恶劣影响，应对混凝土进行必要的保护。4—1改善混凝土自身结构选用耐硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，使用高性能混凝土；增加混凝土中水泥的用量；降低水灰比；掺入粉煤灰和矿渣等外加剂，可显著改变混凝土的抗渗性和耐久性，在施工时，要就行合理的搅拌、振捣和充分的湿养护。4—2对混凝土表面进行涂覆在混凝土表面涂覆一层耐腐、抗渗、无毒、持久的涂料，是一种成本低廉、简单易行的方法，是海洋环境下提高混凝土耐久性的主要手段。所采用的涂覆材料，应当具有以下几种功能：a.化学抵抗性；b.抵抗扩散性；c.湿度适宜性；d.抗膨胀型；并具有以下几种力学功能：a.适当的弹性；b.抗疲劳性；c.一定的伸缩性；d.一定的粘着力；e.湿度稳定性等。在海洋环境中，常用的涂覆材料为鳞片涂料，是由玻璃鳞片和耐腐蚀热固树脂构成，具有优越的防腐蚀性和抗渗透性。目前，国内这方面的研究开发成果也有很多，如北京某研究院的系列防腐蚀涂料，已能保证混凝土涂层在20年内不起皮、不返皱、不脱落、不锈蚀。此外，对于已经遭受腐蚀的构筑物，可根据腐蚀情况，采取去掉表面腐蚀层，重新进行涂覆、或进行裂缝灌浆等办法，恢复钢筋钝化状态，保证结构正常使用。但这种办法只能起到延缓作用，切因腐蚀的缓慢性，在实际使用中不能看出明显的效果。结论混凝土及钢筋混凝土作为当今建筑工程的主要代表材料，因其价格低廉、资源丰富、坚固耐久、适用性强，已成为现代社会不可缺少的建筑材料。但因其腐蚀、老化问题已越来越严重，成为世界性的严重问题。随着社会和科学技术的发展，海洋和海岸构筑物的数量越来越多，在海洋环境下混凝土的耐久性问题已愈来愈受到人们的重视。我国在耐久性设计方面，已反映在近年我国水工、港工、海工设计规范及工业建筑防腐设计规范。在防止碱骨料反应方面，我国砂、石料的质量标准，特别是1993年混凝土碱含量限值标准（CECS53：93）颁布，对于防止因碱骨料反应而引起的开裂有重大意义。预期近年内，关于海洋环境下混凝土结构耐久性的研究将有重大进展。参考文献【1】周履，20世纪后期海洋混凝土结构抗腐蚀性能的发展，中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司，湖北武汉43003；【2】黄晋昌，混凝土及钢筋混凝土的腐蚀与防护，铁道工程学报，2000,9【3】覃丽坤宋玉普赵东拂，处于海洋环境的钢筋混凝土耐久性研究，大连理工海岸与近海大学工程国家重点实验室，2002,12【3】张平均张莉马保国，海洋高性能混凝土耐久性设计,武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室(430070)；【4】蔡铸杰，海洋环境下桥梁混凝土结构的耐久性设计，莆田市城乡规划设计研院351100；【5】石宝立,海洋混凝土的冻害病因与防治措施,中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆400010。【6】王甲春阎培渝，海洋混凝土污损生物腐蚀机理的研究进展；