滨海盐雾环境下硅烷浸渍对混凝土的保护探讨（167页）

2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:150南京交通部公科院技术研讨会论文集滨海盐雾环境下硅烷浸渍对混凝土结构保护探讨谢志明（泉州市思康新材料发展有限公司，福建厦门，361008）摘要：论述了海洋盐雾的特殊环境特性，盐雾含量、氯离子沉降及氯离子在混凝土中扩散，造成钢筋混凝土结构发生混凝土劣化及钢筋锈蚀等。从防水、抗氯离子侵蚀、防止钢筋锈蚀以及裂缝对硅烷浸渍处理效果影响方面，介绍硅烷对混凝土耐久性保护。关键词：盐雾、混凝土、腐蚀、硅烷浸渍0引言我国地域辽阔，海岸线长，许多混凝土结构处于沿海于海洋环境中，长期承受盐雾作用。滨海盐雾环境下，高温、高湿的特点，有助于氯离子在混凝土表面的沉积，通过干湿交替作用渗透到混凝土内部，氯离子沉积引起的耐久性问题值得关注。盐雾中含有多种侵蚀介质，其中氯离子侵蚀是钢筋混凝土结构耐久性退化的主要原因。氯离子侵蚀会引起混凝土中的钢筋锈蚀，降低混凝土结构的承载能力和使用性能，影响结构的耐久性。我国华东、华南、北方沿海地区海工建筑结构破坏的主要原因是氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀。由于盐雾作用下的预应力筋的腐蚀，印度孟买塔内瑟尔河上的第一座后张预应力混凝土桥使用不到10年，不得不推倒重建[1]。钟丽娟等[2]对沿海地区混凝土结构耐久性病害调查时发现，天津与大连等地，由于大气区盐雾侵蚀造成的桥梁上部结构侵蚀屡见不鲜。在深圳，核电站大亚湾核电站混凝土结构目前已经大面积出现钢筋混凝土结构破损，不得不进行脱盐处理并进行进一步防腐保护工作。因此，对于处于滨海盐雾环境下的实际工程，盐雾作用成为影响工程结构服务寿命的重要因素，在结构的设计及施工过程中，目前在胶州湾海底隧道等工程项目耐久性设计是都对盐雾环境中氯离子的影响予以了充分的重视。1海洋大气环境环境盐雾极盐雾区划分1.1盐雾环境的形成。2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:151南京交通部公科院技术研讨会论文集大气云雾物理角度看，盐雾是存在于大气中的盐核，呈润湿颗粒状。盐雾是含有盐分的微小液滴分散于大气之中所构成的一个弥散系统，是气候环境因素中的一个主要因素[2]。海洋环境中盐雾的形成一般以海水扰动理论解释[3]。海水扰动论是解释海洋环境下的盐雾形成的理论，如图1所示。海洋中海水日夜不停地激烈扰动，引起海浪相互撞击及海浪对海岸礁石的拍击，产生大量泡沫。气泡向海面升腾、破裂，泡沫又被气流撕成细小液滴，随气流升入空中经过裂解、蒸发、混拼等复杂的演变过程而成为弥散系统，形成大气盐核。这些盐核随着上升的气流可以达到2000多米的高空，也可随风飘至距海岸许多公里以外的陆地，从而形成海洋周围的盐雾环境区域[2]。1.2盐雾成分。盐雾的组成成分与海水相似，但经蒸发后的盐雾盐核中硫酸根离粒子比例较大。世界各地海水的成分基本一致，含量最多的是氯化物，占总盐分的90%左右，但海水表层的盐分有所区别[4]。曾菊尧等[5]通过对沿海城市的定点观测发现，海水的含盐浓度越高，盐雾的盐分也会越高。国外研究表明，颗粒直径大于40μm的盐核很少，直径少于2μm的盐核要比直径在2～40μm间的多105倍[4]。广州电气科学研究所20世纪60年代中期的盐雾颗粒浓度测试结果表明，不论在海边，还是在距海岸50km以上的地方，90%以上的盐雾盐核颗粒直径均小于5μm[5]。由于盐核的水分蒸发与重力作用，距离海岸越远，小直径的盐核颗粒所占比重越大。1.3盐雾区的划分根据CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，环境作用按其对配筋混凝土结构的侵蚀程度分为6级[6]。近海或海洋环境大气区环境作用等级见下表1、表2：2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:152南京交通部公科院技术研讨会论文集如图2对于盐雾区的划分，对重度盐雾区和轻度盐雾区的分界点为50m学术界没有异议。但有学者认为轻度盐雾区与无冻融一般大气区的分界点为200m偏于不安全，CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(2005年修订版)将分界点扩大到300m，DL/T5057-1996《水工混凝土结构设计规范》定的分界点为500m；若是冻融环境，其与轻度盐雾区的分界点则要小于无冻融一般大气区与轻度盐雾区的分界点。有学者建议轻度盐雾区与大气区的分界点为200m(冻融环境)或300m（无冻融大气区）。同时，由于风向、地形、风速及建筑物前方有无遮挡等对大气区氯离子浓度均有影响，在确定具体建筑物的环境盐雾分区时，还应该根据实际情况来界定环境盐雾分区[7]。2海洋大气盐雾环境下氯离子侵蚀盐雾是一种极其微小的液滴。根据气溶胶理论，细颗粒极易溶解在气体中而发生扩散成雾，气溶胶体状盐雾易附着在物体表面。悬浮着的盐雾颗粒并不对混凝土中氯离子扩散产生影响，只有沉降至混凝土表面附着量通过影响混凝土内外氯离子浓度差来改变氯离子的传输速度。因此盐雾环境中氯离子对混凝土的侵蚀分为两步：一是大气环境中盐雾在混凝土表面的沉降；二是氯离子在混凝土中的扩散。2.1盐雾含量海洋大气环境中，盐雾含量与盐雾沉降量为盐雾环境的重要环境参数，影响混凝土中氯离子的侵蚀，其受到离海岸距离、风速、湿度等2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:153南京交通部公科院技术研讨会论文集各方面影响。盐雾含量指单位体积空气中氯离子的质量。2.1.1离岸距离对盐雾含量的影响。盐雾在海面产生后，随着上升气流向内陆传播。因此，越向内陆延伸，空气中盐雾含量越低。2.1.2风对盐雾含量的影响。海面风力越大，海浪越高，泡沫越多，大气中乐舞含量越高。国外研究者发现，盐雾含量随着风速的增大逐渐增大[8,9]。图3根据Gustafsson等在瑞典海岸进行的观测结果，给出了风速对雨水中盐含量的影响[9]。2.1.3湿度对盐雾含量的影响。盐雾是一种极其微小的液滴，它具有与水滴盐分浓度相对应的平衡水汽压。当周围水汽压低于海水滴平衡气压时，水滴就要蒸发并变小，盐分浓度增大；反之，则发生凝结，直接变大，盐水浓度减少。空气中的盐分含量随湿度的增加而减少。2.1.4盐雾沉降量。盐雾沉降量指采样器上每天每平方米的NaCl附着量。盐雾沉降量与大气中的盐雾含量直接相关。国内外盐雾沉降量观测结果均表明，盐雾沉降量随着离海岸距离增大而极具减少，与盐雾含量类似。根据文献[10-12]，图4可以看出，不同的地区盐雾沉降量数值差异较大，但规律相似。离岸距离超过200m时，盐雾沉降量普遍下降了90%左右，且趋于稳定。2.2盐雾环境下氯离子在混凝土中的扩散盐雾环境，氯离子通过扩散、毛细管、渗透作用等不同的作用形式侵入混凝土。扩散作用是混凝土中的氯离子在浓度差作用下自高浓度向低浓度方向的迁移。毛细吸收作用是指由毛细孔隙的表面张力引起的液体传输。渗透作用是氯离子在压力差的驱动下发生的材料内部的2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:154南京交通部公科院技术研讨会论文集流动。氯离子在混凝土中的侵入通常是几种方式共存。当混凝土空隙不饱和时，毛细吸收是主要传输方式；当混凝土空隙吸水饱和后，常压下扩散为主要传输方式。由此可知，在海洋环境下，扩散被认为是最主要的传输方式。国内外学者对氯离子扩散问题的研究提出了不少模型。氯离子在混凝土中的扩散行为可用Fick第二扩散定律来描述：其中，D为氯离子的扩散系数，在实际的混凝土结构中，氯离子有效扩散系数不是恒定的，而是随时间变化遵循一定规律。对于滨海盐雾区，混凝土表面接触氯离子的机会明显少于浪溅区和全浸泡区域，同时氯离子在混凝土结构中的渗透作用将弱于海水浪溅区和全浸泡区域，针对滨海盐雾区的特征，引入环境系数概念，盐雾环境氯离子的扩散随盐雾沉降量受环境温湿度、离岸距离、高度、风力和风向等因素的影响。盐雾区混凝土表面氯离子浓度随离海边距离及离海面高度的增加而降低；随时间的增长而逐步累积到定值。此外还跟环境温湿度、风向和地形等因素有关。2.2.1距离及高度的影响。在2002年出版的日本土木工学会混凝土标准中，提出了近海大气区混凝土表面氯离子浓度的取值见表3[6]。挪威曾对该国沿海36个工程进行调查，得到结构表面最大氯离子Cmax含量与结构高度（高于海平面）的关系[13]，见表4。2.2.2时间的影响。东南大学孙伟院士[14]等认为氯离子渗透混凝土是一个缓慢的过程，但是相对于钢筋混凝土结构2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:155南京交通部公科院技术研讨会论文集50～150年的设计使用寿命而言，其侵入速率又显得非常快。美国一个标准设计程序给出盐雾区混凝土表面氯离子随时间的累积速度[6]，见表5。根据表中的累计速度和最终定值可知，海上盐雾区混凝土表面氯离子浓度达到定值的时间t0为10年。2.2.3温度及湿度的影响。环境温度升高，混凝土中氯离子的活动加剧，从而使氯离子在混凝土中的扩散速度提高。当温度从20℃升至40℃时，扩散系数增加1.5～2倍。相对湿度越高，非饱和混凝土中氯离子传输越快。根据Pigeon等[15]研究表明，混凝土在干燥收缩条件下的氯离子扩散性能可提高1～25倍，混凝土受高温作用后的氯离子扩散性能提高了29%～256%。2.2.4氯离子临界浓度Cσ氯离子对钢筋有很强的侵蚀作用。在一定的条件下，当结构中钢筋附近混凝土内氯离子的浓度达到或者超过一定临界值，钢筋就会以较快速度开始锈蚀，该值称为临界氯离子浓度。目前还没有临界氯离子浓度的统一值，工程应用中应考虑具体的工作环境和结构形式，通过实际检测和模拟实验得到相应临界浓度。1980年，R.Browne提出了氯离子含量与其引起的钢筋锈蚀危险性的关系[16]，见表6。挪威曾对Gimsystaumen大桥和其它35座海边桥梁，结果与表的关系吻合[17]。有文献建议，将盐雾区混凝土结构中钢筋处混凝土的氯离子浓度取为0.07%[16]。2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:156南京交通部公科院技术研讨会论文集2007年，刘军[18]等对深圳大鹏湾海边南澳某电厂（服役期1992～2007,15年）及深圳小梅沙海洋馆（服役期1998～2007年，9年）进行调查，对结构受滨海盐雾影响的部位取芯，见表7、表8。两处钢筋混凝土结构25mm氯离子沉积量为0.09%～0.49%，按照ACIBuildingCode的标准，大部分超过了引发钢筋锈蚀的氯离子临界浓度。实际情况，小梅沙工程及南澳某电厂局部部位长期暴露在滨海盐雾环境中，部分混凝土构件（柱、楼板等）收氯离子的侵蚀，发生钢筋锈蚀、混凝土保护层脱落和开裂现象，影响了结构的正常使用和耐久性。2.3我国海洋大气环境参数利用我国气象科学数据共享网站上各地环境参数的30年统计资料，钟丽娟[3]对国内沿海的31个城市进行了调查。沿海城市平均气温范围为9℃～26℃，南方最高气温39℃，北方最低气温-21.11℃。南方、北方1月份平均气温分别为14℃、-8℃，7月份平均气温分别为23℃、28℃。在我国，沿海平均湿度为61～84%；沿海城市平均相对湿度在61%～84%，1月平均相对湿度在55～86%，7月份平均相对湿度在76%～89%。如天津、深圳的气象资料，见表9、表10。可知，盐雾环境下，滨海环境高温、高湿的特点，有助于使氯离子在混凝土表面的沉积，通过干湿交替作用氯离子渗透到混凝土的内部，引起钢筋锈蚀，导致混凝土结构的过早失效。2010年10月全国桥梁耐久与防灾安全设计Page:157南京交通部公科院技术研讨会论文集3硅烷浸渍混凝土处理机耐久性3.1硅烷浸渍混凝土防护目前混凝土结构设计与施工规范中的有关规定，如混凝土结构最小保护层厚度、混凝土的水胶比限值，混凝土的施工质量控制等，实际上是耐久性设计与施工的内容。除此之外，还需采取必要的防护技术。在混凝土表面防护中，防腐涂料由于在混凝土表面形成一层屏蔽阻隔层，阻止氯离子、二氧化碳等腐蚀介质侵入混凝土造成的腐蚀，同时通过涂装能够取得良好的装饰效果得到广泛应用。但是，传统防护涂料具有自身难以克服的缺点，如长期暴露于自然环境中会老化、褪色，耐碱性差，附着力小、自身耐久性差，容易吸灰等。尤其是滨海环境