海洋环境下混凝土结构耐久性问题的分析与建议

1、土木工程材料论文姓 名：童向军学 号：11231090班 级：土木1104班指导教师：安明喆学 院：北京交通大学土建学院海洋环境下混凝土结构耐久性问题的分析与建议摘要：在海洋环境下构建大型人工构造物，混凝土的耐久性问题至关 重要，并且其受多方面的因素影响。比如对抗侵蚀的破坏，对抗冻性 的破坏，对抗碳化性的破坏等。其中，对抗侵蚀的破坏又包括生物侵 蚀、化学侵蚀、体积不稳定性破坏以及物理破坏等。要防止或者减缓 这种破坏，我们需要采用一些措施。主要包括以下几个方面：（1）对 混凝土原材料进行选取（2）增添表面涂层（3）使用外加剂技术（4） 采用特殊防腐措施（5）减缓钢筋锈蚀（6）加强施工管理、提高施

2、工 质量7）重视使用阶段的维护和管理。我们只有清晰地认识了已经存 在或者可能存在的问题，才能够更好地提出和采取针对性的措施来解 决这些问题，为我国的建设事业做出一定的贡献。正文：我国目前正处于大规模建设基础设施时期。临海城市深水港的 建设已为世人瞩目，对沿海城市经济持续高速发展将起到十分重要的 拉动作用。作为深水港重要组成之一的跨海通道（大桥、隧道等）， 无论是从跨度、连接功能，还是交通纽带，其建设和服役环境（海洋 环境）是建筑物（或构筑物）面临的新挑战。为达到跨海通道（复杂 环境下）的设计使用寿命（100年），混凝土的耐久性问题至关重要， 必须处理好。混凝土的耐久性是指混凝土的结构在规定的使

3、用年限以内，在各 种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、能 够正常使用和有可接受的外观的能力。现行国家标准混凝土结构设 计规范(GB50010-2002)中，明确规定了混凝土结构设计采用极限状 态设计方法。然而在海洋环境下，混凝土的耐久性问题又与其他环境 下耐久性问题有所不同，拿其他环境下混凝土的制作规格，用在构造 类似于跨海大桥等这类建筑上，无疑是不可取的。海洋中对混凝土结构耐久性破坏的因素海港、码头、引桥、防浪堤坝等与海水直接接触的建筑工程中的 混凝土建筑物和构件由于长期受海水的腐蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现 象非常严重，导致海港工程达不到设计使用期限的要求。对抗侵蚀性的破

4、坏生物因素(生物侵蚀)海洋中影响混凝土结构耐久性的生物因素主要包括一些大型藻类、 水螅、外肛动物、龙介虫、双壳类、藤壶和海鞘。近年来，随着航运、 海防、水产养殖以及海滨电厂等的发展，海洋生物污损所带来的危害 越来越严重。混凝土的失效与微生物的新陈代谢作用有关，硫氧化菌、硫杆菌 和噬混凝土菌等细菌的生存代谢生成生物硫酸导致混凝土腐蚀。海洋 中约有细菌1 500多种，每毫升海水最多可有100万个细菌，并且多数 为附着在海水中物体表面，经过研究发现和混凝土、钢铁腐蚀有关的 细菌有氧化铁杆菌、氧化硫杆菌、排硫杆菌、去硫弧菌等可直接和间 接控制腐蚀。它们以各种络合能力不同的金属络离子和多种无机、有 机配

5、体，构成了多种复杂的络合平衡体系，通过化学作用产生有机酸 使混凝土遭受酸腐蚀，而有些嗜酸菌还会跟着有机酸进入混凝土内部 结构并且繁殖，加速其破坏。即使在无氧情况下，也可由厌氧微生物 产生的代谢酸进行腐蚀。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，产生钙矶石，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，钢筋锈蚀亦引起体积膨胀，使混 凝

6、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，百 至结构被破坏。其反应机理如下：Fe2+2Cl-+2H2OFe(OH) 2+2HC14Fe(OH) 2+O2+2H2O-4Fe(OH) 3镁盐(MgSO4和MgC12)在海水中含量较大，深入混凝土中将和 Ca(OH)2发生以下反应：Ca(OH) +MgSO +2H O-CaSO 2H O+ Mg(OH) I242422Ca(OH) 2+ MgCl厂CaC12+ Mg(OH) 2 I虽然生产的固相物质积聚在空隙内，在一定程度上可以阻止介质 的侵入，但是大量的Ca(OH)2与镁盐反应后，碱度降低会使水泥中的 水化硅酸钙和水化氯酸钙与酸性的镁

7、盐反应，同时生成的Mg(OH)2还 能与铝胶、硅胶缓慢反应，造成混凝土粘结力减弱，导致混凝土强度 降低。海水中还存在一定的S042-,当SO42-进入混凝土内部后与混凝土的 某些成分反应，生成物吸水肿胀产生膨胀应力，当应力达到一定程度 时混凝土就产生裂缝，这种腐蚀作用在不同条件下又有两种表现形式， 即E盐破坏和G盐破坏。E盐破坏即钙矶石膨胀破坏，G盐破坏即石膏膨胀破坏，其化学 反应式分别如下：4CaOA1 O 12H O+3SO 2-+2Ca(OH)2 3242+20H2O-3CaO *A12O3 CaSO4 31H2O+60H-Ca(OH)2+SO42-+2H2OCaSO4 *2H2O+2O

8、H-生成物的体积分别比反应物的大1.5及1.24倍多，引起很大的 内应力，导致混凝土表面出现裂缝。与此同时，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。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。物理破坏水

9、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品，产生 盐类结品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。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

10、，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。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

11、，pH值降到8.510。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。提高海洋混凝土耐久性措施对混凝土原材料进行选取。混凝土中掺加硅粉、粉煤灰和 矿粉掺合料时，可降低Ca/Si比，；细骨料宜选用级配良好洁净的中 粗砂；粗骨料选用质地坚硬、级配良好、针片状少、孔隙率小、最大 粒径不大于25mm，抗压强度大于IOOMPa或压碎指标不大于1O%； 减水剂应选用与水泥匹配坍落度损失小，减水率最好大于25%的高效 减水剂，掺合料选用III级粉煤灰，掺量

12、不小于20%，磨细矿渣粉比表 面积不低于400m2/kg，掺量不低于40%，如对早期抗氯离子渗透有 较高要求可以掺加510%的硅灰；水灰比(W / C)设计WO. 35。表面涂层。涂层封闭防腐是指在混凝土表面涂刷一层封闭 液，封闭液渗入混凝土表层一定深度，形成一层憎水层或将表面缺陷 进行封闭，有效地阻止了水分和盐类的侵入。涂层保护措施分为两类， 一类为惰性涂层，具有耐腐抗渗抗裂功能；另一类为功能涂层，具有 酸中和或抑菌、杀菌功能。惰性涂层能隔绝混凝土与生物硫酸的接触， 从而避免遭受腐蚀。通常采用耐酸的有机树脂，如环氧树脂、聚醋树 脂、脉醛树脂、内烯酸树脂、聚氯乙烯、聚乙烯以及沥青等。外加剂技术

13、，根据混凝土污损生物腐蚀作用机理，阻止污 损生物在混凝土表面和内部的生长，直接抑制或减少生物硫酸的生成， 是控制混凝土微生物腐蚀最有效的措施，因此，外加剂技术是近年来混凝土防腐蚀研究中最活跃的领域。在混凝土拌合物中加入适量的混凝土引气剂（4）特殊防腐措施：通过环氧涂层钢筋、表面硅烷浸渍、阴极 保护等防腐措施，进一步改善海洋混凝土耐久性。例如环氧涂层钢筋 中的渗入型阻锈剂是一种低粘度液体，可以涂（或喷）在混凝土表面， 由毛细孔的表面涨力，吸入混凝土表层，达到钢筋表面，形成保护薄 膜。还能将钢筋表面已有的氯离子置换出来，使钢筋重新钝化。这种 阻锈剂既可在表面喷涂，又可作为添加剂拌人混凝土中。提高我

14、国工程结构的耐久性的措施（5）减缓钢筋锈蚀钢筋是增起混凝土强度的重要部分，并且在海洋环境下，钢筋的 锈蚀情况是非常严重的，因此我们必须要增强对钢筋锈蚀的防护。针 对钢筋锈蚀问题的解决办法主要有阴极保护、环氧涂层、混凝土表面 涂层保护和掺入阻锈剂等。其中在大型海工建设中使用阴极保护的措 施，环氧涂层钢筋具有极高的防腐蚀性能，即使氯离子已渗入到钢筋 表层，其环氧涂层也能保护钢筋不致生锈。但是中环氧涂层不得有空 洞、空隙和裂缝否则极易形成点腐蚀。钢筋阻锈剂被认为是最经济有 效的措施。（6）加强施工管理、提高施工质量对混凝土结构耐久性有重大影响的混凝土密实度和混凝土保护 层厚度的变异性，在很大程度上取

15、决于施工质量。完善施工管理，提 高施工队伍素质，对施工过程进行监督检查，加强工程质量验收制度、 确保工程质量，对提高混凝土结构耐久性有着非常重要的作用。（7）重视使用阶段的维护和管理在混凝土结构的使用阶段，应重视对结构的正常维护和管理。鉴 于我国原有混凝土结构对耐久性考虑不够，应重视对服役混凝土结构 的检测和评估，必要时进行修理和加固，以保证结构在使用期内的安 全。对于混凝土结构易主而改变用途和作结构改造的行为，必须严格 管理，并进行设计或加固计算，以确保在荷载或结构条件变化时结构 的安全。结论：海洋混凝土结构的耐久性问题是一个涉及环境、材料、 设计、施工等多种因素的复杂问题。然而，引起混凝土结构破坏，减 少混凝土耐久性的因素有很多，我们可以提出的解决措施也是多种多 样，然而，除了加强施工管理、提高施工质量以及重视使用阶段的维 护和管理外，就很难找到一种没有欠缺的方案。而且，海洋本身就是 一个多变的环境，因此，我们必须在不同的环境条件