海洋环境中工程结构的耐久性问题

海洋环境中工程结构的耐久性问题作者：周国然，中港集团海港湾工程设计研究院2004-11-02来源：质监总站1结构耐久性的现状在土木工程中，对结构发生作用的因素可分为三类：荷载、灾害、环境。其中荷载因素和灾害主要对结构的安全性产生影响，以往的研究也比较多，而环境因素主要对结构的耐久性产生影响，由于这类影响的长期性和隐蔽性，长期以来并未获得足够的重视。具体来说，环境因素包括海洋、土壤和大气中各种盐类的腐蚀作用、除冰盐的使用、由气候条件引起的冻融循环和干湿循环等。此类耐久性问题带来的后果不仅会造成经济上的大量损失，也给结构的安全性带来巨大隐患。根据著名混凝土专家美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授的研究，混凝土结构破坏的原因首先是钢筋腐蚀，其次是冻害。据美国1988年的统计，当年钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费为2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元，是这些桥初建费用的4倍。在我国因腐蚀引起的结构破坏问题同样严重，八十年代交通部曾组织有关单位对沿海码头展开调查，据1980年有关单位对华南地区沿海码头的调查结果，80％以上的码头发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的码头有的距建成时间仅5～10年，对华东及北方地区沿海码头调查也得到类似结果。因长期使用除冰盐引起的耐久性问题同样严重，例如，北京的某立交桥1999年拆除重建时，距建成还不到19年。此外，在我国的西部存在大范围的盐渍土，北方地区的冻融环境，均使钢筋混凝土结构面临严重的耐久性问题。由于耐久性问题带来巨大的经济损失，从上世纪80年代开始受到国内工程界的关注，交通部根据对沿海码头耐久性问题的调查研究结果，于1986年制订了《海港钢筋混凝土结构防腐蚀技术规定》和《海港预应力钢筋混凝土结构防腐蚀技术规定》，使结构耐久性问题以技术标准的形式得以确定，为提高海港工程的耐久性发挥了重要作用。然而随着近年国民经济的高速发展，土木工程建设的质量要求越来越高，同时土建工程的全寿命成本分析也得到了越来越多的关注，因此对结构耐久性提出了更高的要求。据有关单位2000年对华南沿海码头的调查结果，即便是按上述两本“规定”设计、施工的码头，10年后也出现了不同程度的锈蚀和产生裂缝。而近年兴建的不少大型工程都提出了不少于50年甚至100年的使用寿命要求。鉴于最近几年工程界对结构耐久性要求的大幅提高，耐久性问题得到了前所未有的关注，新材料新技术大量涌现，解决了不少实际问题，极大地推动了工程耐久性技术的进步和发展，但这些技术在用于工程实践的过程中，出现了一定的盲目性。为了能够使用目前发展的技术解决结构的耐久性问题，在实践过程中必须重视以下几点。首先是转变仅仅依靠材料解决耐久性问题的思想。由于环境因素往往对结构物的建造材料直接产生影响，使结构表现为因材料劣化而失效，因而人们习惯于认为，采用了耐久性材料就解决了结构耐久性问题。然而，国内外大量实践情况表明，耐久性问题的解决不仅是材料的问题，更需要解决施工过程中的管理和质量控制问题。也就是说使用耐久性材料，必须培养应用过程中的高素质人才。第二是不能仅仅依靠单一技术解决耐久性问题。结构耐久性问题应基于多种技术的综合运用。譬如，高性能混凝土是解决海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性的一种非常有效的手段，但要发挥其高耐久性的特点，不仅要有材料配制的技术，还需要先进的原材料加工技术、施工养护技术以及结构设计中的全面考虑。当使用了一种主要手段以后，使用一些其他辅助手段也是必要的。第三，在结构的耐久性方案制定过程中，也常出现手段单一的情况，如过分依赖某项耐久性技术、片面追求混凝土的低水胶比、片面强调增加钢筋混凝土保护层厚度，等。根据我们在结构耐久性方面的研究，本文拟在以下几个问题上进行初步探讨。2多种耐久性技术的综合使用对钢筋混凝土结构进行“耐久性设计”的概念在国外始于七十年代，而我国则近几年才出现。事实上各类耐久性技术发展至今，已出现了多种非常有效的提高结构耐久性的方法，以抗氯盐腐蚀技术为例，主要技术手段有以下几种。（1）高性能混凝土所谓高性能混凝土就是以一定的新材料配制技术以及良好的生产、浇捣和养护技术，达到高工作性、高强度以及高耐久性，尤以高耐久性为其区别于普通混凝土的最明显特征。主要方法是通过掺用活性矿物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等），提高混凝土的性能，有效阻止氯离子的渗入，从而达到有效保护钢筋的目的。由于高性能混凝土所具有的高性价比，近年来已成为国内较为盛行的方法，尤其在港口工程、桥梁工程中获得了较广泛的应用。（2）钢筋混凝土构件外施用涂料或裹覆在混凝土构件外表面施用各类涂料，如封闭型和渗透型涂料。或采用纤维增强材料等直接裹覆，可在其使用寿命内有效隔离氯离子的渗透。（3）增加混凝土保护层厚度众多的调查和试验都显示，暴露于有氯盐存在的环境中的混凝土，其表面12mm深度内的氯离子浓度远高于25~50mm深度范围，因此对氯盐环境下的工程结构增加混凝土保护层厚度是提高耐久性的一项有效措施。（4）混凝土中掺用阻锈剂利用化学物质提高钢筋开始锈蚀的电位，即降低钢筋表面钝化膜对氯离子的敏感性，但保证其长期有效地发挥作用仍依赖于混凝土保护层具有长期的抗氯离子渗入能力，且以Ca(NO2)2为主要成份的阻锈剂会降低混凝土的电阻率，加快锈蚀开始后的腐蚀速率。（4）钢筋表面使用致密材料涂覆即经喷砂除锈钢筋表面敷涂一层致密的环氧树脂涂层，使钢筋与腐蚀性环境隔离。环氧涂层制作良好时能够延缓锈蚀的开始，但因生产环氧涂层钢筋时除去了钢筋表面的氧化膜，一旦锈蚀开始，锈蚀速率较快。此外，在潮湿状态下，环氧涂层与内部钢筋之间的粘结力容易丧失。因此在一部分国家，此类技术已被禁用。（5）混凝土中钢筋使用阴极保护可有效降低钢筋的腐蚀速率，通常在钢筋开始锈蚀后启用。以上是提高海洋工程混凝土耐久性的常用手段，国内对上述各类技术进行了大量研究，其中一些技术——如高性能混凝土、混凝土中钢筋的阴极保护技术等已经进入了制订标准的酝酿阶段。但是对于这些技术的联合采用所产生的效果则研究极少，而事实上，在实际工程中，单靠一种技术常常是达不到所需要的耐久性要求的。根据理论研究，将几种耐久性技术合理结合，可产生极佳的效果。现以某工程桩基防腐为例进行简要说明。某工程基础的一部分低墩承台采用直径1.2m的PHC桩作为基础。我们通过研究计算，为其设计了综合耐久性方案，即采用高性能混凝土制桩，同时桩身表面用纤维增强复合材料（FRP）包覆。根据试验研究，PHC桩桩身采用掺用磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺合料的高性能混凝土，可以获得极佳的抗渗透性，实测快速氯离子渗透试验结果达到200库仑左右，由此推算氯离子扩散系数约0.7×10-12m2/s左右。根据费克第二定律，如果按照PHC桩63.5mm保护层厚度计算，不考虑安全系数，单靠高性能混凝土制桩，PHC桩的钢筋锈蚀诱导期可以达到75年。但考虑到箍筋保护层只有40mm，按此推算，诱导期只有54年。玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂（俗称玻璃钢）包覆的防腐蚀技术，在国外应用历史已经超过60年，而对其耐久性的认识是随着实践经验的积累而加深的。在二十世纪七十年代末，国际上复合材料科学界普遍认为其可靠寿命在30年以上，因为欧洲战后建立的玻璃钢贮罐已经有30余年的使用寿命，而时至现在都认同玻璃钢的设计寿命可以在60年以上，因为这些结构一直完好地应用至今。我们从八十年代初开始对此项技术的研究，并于1983年在上海石化总厂化工码头中首次应用于钢桩防腐试验，成为国内首创。1986～2001年先后7次开包检测，未见任何锈蚀。1988年，又与华东理工大学合作完成了“FRP复合层在海水介质中的腐蚀特性”的课题研究，经过两年多的加速浸泡腐蚀、盐雾、介电特性、电子探针等试验与分析手段，综合评述了不同铺层、不同树脂的纤维复合材料在海水介质中的腐蚀特性，并从理论推算厚度2.5mm以上复合层耐腐蚀寿命为58.1年。而根据国内外大量研究文献，FRP包覆层达到40年使用寿命是完全有把握的。根据我们的研究，如果将上述两种技术联合使用，钢筋锈蚀诱导期并非54＋40＝94年，而是远远超过94年。国内外研究文献、实测资料以及我们的试验研究证明，混凝土的氯离子扩散系数并不是常数，除了与混凝土自身性能及环境因素有关外，还随龄期而变化，尤其是在最初的1～3年，呈现出明显的衰减趋势，并于30年以后逐渐趋近于某一定值。这是因为混凝土是一种水硬性材料，其水化过程需要经过很长的时间才能完成。混凝土的成熟度对于氯离子的扩散存在很大的影响，水化越充分，混凝土内部越密实，抗侵蚀能力也越强。因此采用FRP包覆层可以使管桩混凝土获得一个很好的成长期，由此带来的使用年限增长远远大于二者简单叠加的效应。由于FRP材料具有极佳的稳定性，按保守的估计，在10年之内隔离海水中氯离子的渗透是完全有把握的。因此可以认为，在FRP包覆层的保护下，大管桩桩身混凝土的诱导期的起算时间可以推迟到竣工10年之后。据此计算的结果是诱导期为126年，再加上钢筋锈蚀的扩展期，完全可以满足工程基础100年使用寿命的要求。可见如果合理利用各种防腐技术并加以有机结合，可得到事半功倍的效果，得到结构耐久性的最优设计。3材料设计与施工的合理结合在结构耐久性设计过程中，材料工程师的工作无疑是第一项关键，但要发挥材料设计的耐久性指标，必须要有适应于材料设计的施工工艺。以上述桩基础的FRP包覆技术为例，对新建工程，桩的包覆可在预制厂内完成，施工条件较好，易于保证包覆质量。对已建工程项目，必须在水中作业，给包覆施工带来极大难度。而包覆质量的好坏则直接影响耐久性设计指标的发挥。针对这种情况，我们曾研制了一套专用设备——桩基防腐处理专用作业船及作业井，可以对处于潮差段的桩基建立一个人工防腐施工的干式作业空间，从而使包覆质量得到保证。又如目前国内广泛使用的高性能混凝土，由于各类活性矿物掺合料的应用以及采用较低的水胶比，极大地改善了混凝土的颗粒级配，使混凝土达到了前所未有的致密性和抗渗性，氯离子扩散系数可比普通混凝土降低一个数量级以上。但由于高性能混凝土拌和物含细材料多，又往往采用较低的水胶比，因此成为低泌水材料，因此相比普通混凝土会产生较大的塑性收缩。高性能混凝土的水化作用持续时间也比普通混凝土长得多，如果外界没有水分交换条件，水化作用会消耗浆体内部自身水分而产生自收缩。胶凝材料的活性越大、水胶比越低，则自收缩越大。因此高性能混凝土如果按照普通混凝土的要求进行的养护，极易引起因早期收缩而造成的开裂，而裂缝一旦出现，将为氯离子的侵入提供快速通道，高性能混凝土所应有的耐久性就不能实现。因此在高性能混凝土应用较早的国家——如美国和北欧国家，均对高性能混凝土的施工和养护的每个环节做了细致的规定。其中，挪威施工的标准程序是：在混凝土平整抹面后，马上喷养护剂，然后覆盖塑料薄膜/防雨油布或隔热被。而美国混凝土学会则在高性能混凝土的定义中引入了施工与养护的内容（Concretemeetingspecialcombinationsofperformanceanduniformityrequirementsthatcannotalwaysbeachievedroutinelyusingconventionalconstituentsandnormalmixing,placing,andcuringpractices.）。在国内，高性能混凝土的应用尚处于起步阶段，材料工程师是第一批认识高性能混凝土作用机理的人员，而施工单位对高性能混凝土的认识有时比较欠缺，因此会出现材料设计比较完善，而施工工艺则沿用普通混凝土一般规定的情况。在我们高性能混凝土应用过程中，已多次遇到施工过程中因养护不当而引起的早期开裂问题，通过及时养护、延长浸水养护时间、覆盖塑料薄膜等措施，开裂情况可以迅速好转。4材料设计与结构设计的合理结合目前我国的结构设计基本上是基于安全性和承载力的设计，而对各种环境因素作用下的结构耐久性缺乏较完整的设计标准，也没有明确的设计使用寿命要求。在这种情况下，结构耐久性问题的解决往往依赖施工过程中的材料选择和施工工艺的改进。在