海洋環(huán)境下混凝土結構耐久性問題的分析與建議

1、土木工程材料論文姓 名：童向軍學 號：11231090班 級：土木1104班指導教師：安明喆學 院：北京交通大學土建學院海洋環(huán)境下混凝土結構耐久性問題的分析與建議摘要：在海洋環(huán)境下構建大型人工構造物，混凝土的耐久性問題至關 重要，并且其受多方面的因素影響。比如對抗侵蝕的破壞，對抗凍性 的破壞，對抗碳化性的破壞等。其中，對抗侵蝕的破壞又包括生物侵 蝕、化學侵蝕、體積不穩(wěn)定性破壞以及物理破壞等。要防止或者減緩 這種破壞，我們需要采用一些措施。主要包括以下幾個方面：（1）對 混凝土原材料進行選取（2）增添表面涂層（3）使用外加劑技術（4） 采用特殊防腐措施（5）減緩鋼筋銹蝕（6）加強施工管理、提高施

2、工 質量7）重視使用階段的維護和管理。我們只有清晰地認識了已經(jīng)存 在或者可能存在的問題，才能夠更好地提出和采取針對性的措施來解 決這些問題，為我國的建設事業(yè)做出一定的貢獻。正文：我國目前正處于大規(guī)模建設基礎設施時期。臨海城市深水港的 建設已為世人矚目，對沿海城市經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的 拉動作用。作為深水港重要組成之一的跨海通道（大橋、隧道等）， 無論是從跨度、連接功能，還是交通紐帶，其建設和服役環(huán)境（海洋 環(huán)境）是建筑物（或構筑物）面臨的新挑戰(zhàn)。為達到跨海通道（復雜 環(huán)境下）的設計使用壽命（100年），混凝土的耐久性問題至關重要， 必須處理好?；炷恋哪途眯允侵富炷恋慕Y構在規(guī)定的使

3、用年限以內，在各 種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費用加固處理而保持其安全性、能 夠正常使用和有可接受的外觀的能力。現(xiàn)行國家標準混凝土結構設 計規(guī)范(GB50010-2002)中，明確規(guī)定了混凝土結構設計采用極限狀 態(tài)設計方法。然而在海洋環(huán)境下，混凝土的耐久性問題又與其他環(huán)境 下耐久性問題有所不同，拿其他環(huán)境下混凝土的制作規(guī)格，用在構造 類似于跨海大橋等這類建筑上，無疑是不可取的。海洋中對混凝土結構耐久性破壞的因素海港、碼頭、引橋、防浪堤壩等與海水直接接觸的建筑工程中的 混凝土建筑物和構件由于長期受海水的腐蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn) 象非常嚴重，導致海港工程達不到設計使用期限的要求。對抗侵蝕性的破

4、壞生物因素(生物侵蝕)海洋中影響混凝土結構耐久性的生物因素主要包括一些大型藻類、 水螅、外肛動物、龍介蟲、雙殼類、藤壺和海鞘。近年來，隨著航運、 海防、水產養(yǎng)殖以及海濱電廠等的發(fā)展，海洋生物污損所帶來的危害 越來越嚴重。混凝土的失效與微生物的新陳代謝作用有關，硫氧化菌、硫桿菌 和噬混凝土菌等細菌的生存代謝生成生物硫酸導致混凝土腐蝕。海洋 中約有細菌1 500多種，每毫升海水最多可有100萬個細菌，并且多數(shù) 為附著在海水中物體表面，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)和混凝土、鋼鐵腐蝕有關的 細菌有氧化鐵桿菌、氧化硫桿菌、排硫桿菌、去硫弧菌等可直接和間 接控制腐蝕。它們以各種絡合能力不同的金屬絡離子和多種無機、有 機配

5、體，構成了多種復雜的絡合平衡體系，通過化學作用產生有機酸 使混凝土遭受酸腐蝕，而有些嗜酸菌還會跟著有機酸進入混凝土內部 結構并且繁殖，加速其破壞。即使在無氧情況下，也可由厭氧微生物 產生的代謝酸進行腐蝕。無機離子(化學侵蝕)無機離子對混凝土的腐蝕主要有以下兩個方面：一是硫酸鹽和水 泥的化學反應，二是Cl離子和水泥膠凝材料的化學結合。硫酸鹽與混 凝土接觸時，產生鈣磯石，造成混凝土膨脹，使它的表層開裂或軟化。 而裂縫又助長了硫酸鹽和其它離子的侵蝕滲透，進一步加速了混凝土 的破壞。氯化物則是與水泥中的c3a發(fā)生反應，生成高膨脹性的氯鋁 酸鹽。同時，氯離子滲入鋼筋表面，鋼筋銹蝕亦引起體積膨脹，使混 凝

6、土保護層脹裂，反過來又加速了鋼筋的腐蝕，從而影響承載力，百 至結構被破壞。其反應機理如下：Fe2+2Cl-+2H2OFe(OH) 2+2HC14Fe(OH) 2+O2+2H2O-4Fe(OH) 3鎂鹽(MgSO4和MgC12)在海水中含量較大，深入混凝土中將和 Ca(OH)2發(fā)生以下反應：Ca(OH) +MgSO +2H O-CaSO 2H O+ Mg(OH) I242422Ca(OH) 2+ MgCl廠CaC12+ Mg(OH) 2 I雖然生產的固相物質積聚在空隙內，在一定程度上可以阻止介質 的侵入，但是大量的Ca(OH)2與鎂鹽反應后，堿度降低會使水泥中的 水化硅酸鈣和水化氯酸鈣與酸性的鎂

7、鹽反應，同時生成的Mg(OH)2還 能與鋁膠、硅膠緩慢反應，造成混凝土粘結力減弱，導致混凝土強度 降低。海水中還存在一定的S042-,當SO42-進入混凝土內部后與混凝土的 某些成分反應，生成物吸水腫脹產生膨脹應力，當應力達到一定程度 時混凝土就產生裂縫，這種腐蝕作用在不同條件下又有兩種表現(xiàn)形式， 即E鹽破壞和G鹽破壞。E鹽破壞即鈣磯石膨脹破壞，G鹽破壞即石膏膨脹破壞，其化學 反應式分別如下：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-生成物的體積分別比反應物的大1.5及1.24倍多，引起很大的 內應力，導致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。與此同時，處于海洋大氣中的鋼筋混凝土結構，特別是位于浪濺 區(qū)部分的混凝土，它的表面不斷處于干濕循環(huán)中，混凝土表面孔隙內 鹽分濃度在干濕循環(huán)中逐漸增加。在濃差作用下，鹽分進一步向混凝 土的內表滲入，直至鋼筋表面，造成腐蝕。而當混凝土表面存在缺陷 時，則會促使鋼筋混凝土的腐蝕。體積不穩(wěn)定性破壞混凝土凝結硬化過程中，由于化學收縮、溫度應力、干燥收縮等 原因產生的收縮變形，使混凝土出現(xiàn)初始裂縫，影響混凝土體積穩(wěn)定 性。而海洋工程混凝土嚴酷的使用環(huán)境，使任何微小的初始裂縫都可 能加速混凝土的劣化。物理破壞水

9、結冰時體積增大，混凝土內部產生壓力，導致混凝土膨脹開裂 破壞；潮起潮落于濕交替作用，使海水中鹽類在混凝土內析品，產生 鹽類結品壓力導致混凝土破壞；海風挾帶砂、冰凌的沖擊磨耗使混凝 土表面粗糙，促進水化產物的溶出性侵蝕，加速混凝土保護層破壞。對抗凍性的破壞處于寒冷地區(qū)的混凝土結構物在水位變動區(qū)，由于凍融循環(huán)作用 和冰凌撞擊作用，更容易使混凝土遭受嚴重破壞。因此，位于寒冷地 區(qū)的海洋混凝土，其抗凍融性能的好壞，更是直接影響結構物使用壽 命的重要因素。海洋混凝土工程因凍融作用而引起破壞的實例屢見不 鮮，我國北方的每一個海港中幾乎都發(fā)生混凝土凍害現(xiàn)象?；炷恋膬鋈谄茐?，是指混凝土中的水分受到凍融循環(huán)后

10、，產生 微細裂縫，致使表面混凝土剝落，從接近表層的部分開始發(fā)生破壞， 從而逐漸發(fā)展到混凝土內部損壞的現(xiàn)象?；炷羶炔看嬖谥B通與不 連通的孔隙，這些孔隙是滲水的途徑。當混凝土處于飽水狀態(tài)并遇到 負溫時，內部水分凍結，體積膨脹。導致孔隙的周壁上產生相當大的 內部壓力，當遇到正溫時，雖融化，但孔壁已產生塑性變形。難于恢 復到原來大小，如此反復凍融，孔隙逐次加大，凍結逐次加深，當作 用在孔隙的拉應力超過混凝土強度時就開始出現(xiàn)微細裂縫。隨著凍融 循環(huán)次數(shù)增多，裂縫逐漸擴展并連接起來，致使混凝土開裂或破壞。對抗碳化性的破壞混凝土中的Ca(OH)2受海洋大氣中得CO2作用，生成CaCO3,逐漸 失去其堿性

11、，pH值降到8.510。當混凝土pH值低于10時，鋼筋不再 處于鈍化狀態(tài)，發(fā)生銹蝕。鐵銹要比鐵的體積膨脹2.5倍，由此，混 凝土發(fā)生裂縫，使得二氧化碳、氯離子、鹽分等更易進入，鋼筋的粘 結力降低，保護層剝落。即混凝土被碳化。提高海洋混凝土耐久性措施對混凝土原材料進行選取?；炷林袚郊庸璺邸⒎勖夯液?礦粉摻合料時，可降低Ca/Si比，；細骨料宜選用級配良好潔凈的中 粗砂；粗骨料選用質地堅硬、級配良好、針片狀少、孔隙率小、最大 粒徑不大于25mm，抗壓強度大于IOOMPa或壓碎指標不大于1O%； 減水劑應選用與水泥匹配坍落度損失小，減水率最好大于25%的高效 減水劑，摻合料選用III級粉煤灰，摻量

12、不小于20%，磨細礦渣粉比表 面積不低于400m2/kg，摻量不低于40%，如對早期抗氯離子滲透有 較高要求可以摻加510%的硅灰；水灰比(W / C)設計WO. 35。表面涂層。涂層封閉防腐是指在混凝土表面涂刷一層封閉 液，封閉液滲入混凝土表層一定深度，形成一層憎水層或將表面缺陷 進行封閉，有效地阻止了水分和鹽類的侵入。涂層保護措施分為兩類， 一類為惰性涂層，具有耐腐抗?jié)B抗裂功能；另一類為功能涂層，具有 酸中和或抑菌、殺菌功能。惰性涂層能隔絕混凝土與生物硫酸的接觸， 從而避免遭受腐蝕。通常采用耐酸的有機樹脂，如環(huán)氧樹脂、聚醋樹 脂、脈醛樹脂、內烯酸樹脂、聚氯乙烯、聚乙烯以及瀝青等。外加劑技術

13、，根據(jù)混凝土污損生物腐蝕作用機理，阻止污 損生物在混凝土表面和內部的生長，直接抑制或減少生物硫酸的生成， 是控制混凝土微生物腐蝕最有效的措施，因此，外加劑技術是近年來混凝土防腐蝕研究中最活躍的領域。在混凝土拌合物中加入適量的混凝土引氣劑（4）特殊防腐措施：通過環(huán)氧涂層鋼筋、表面硅烷浸漬、陰極 保護等防腐措施，進一步改善海洋混凝土耐久性。例如環(huán)氧涂層鋼筋 中的滲入型阻銹劑是一種低粘度液體，可以涂（或噴）在混凝土表面， 由毛細孔的表面漲力，吸入混凝土表層，達到鋼筋表面，形成保護薄 膜。還能將鋼筋表面已有的氯離子置換出來，使鋼筋重新鈍化。這種 阻銹劑既可在表面噴涂，又可作為添加劑拌人混凝土中。提高我

14、國工程結構的耐久性的措施（5）減緩鋼筋銹蝕鋼筋是增起混凝土強度的重要部分，并且在海洋環(huán)境下，鋼筋的 銹蝕情況是非常嚴重的，因此我們必須要增強對鋼筋銹蝕的防護。針 對鋼筋銹蝕問題的解決辦法主要有陰極保護、環(huán)氧涂層、混凝土表面 涂層保護和摻入阻銹劑等。其中在大型海工建設中使用陰極保護的措 施，環(huán)氧涂層鋼筋具有極高的防腐蝕性能，即使氯離子已滲入到鋼筋 表層，其環(huán)氧涂層也能保護鋼筋不致生銹。但是中環(huán)氧涂層不得有空 洞、空隙和裂縫否則極易形成點腐蝕。鋼筋阻銹劑被認為是最經(jīng)濟有 效的措施。（6）加強施工管理、提高施工質量對混凝土結構耐久性有重大影響的混凝土密實度和混凝土保護 層厚度的變異性，在很大程度上取

15、決于施工質量。完善施工管理，提 高施工隊伍素質，對施工過程進行監(jiān)督檢查，加強工程質量驗收制度、 確保工程質量，對提高混凝土結構耐久性有著非常重要的作用。（7）重視使用階段的維護和管理在混凝土結構的使用階段，應重視對結構的正常維護和管理。鑒 于我國原有混凝土結構對耐久性考慮不夠，應重視對服役混凝土結構 的檢測和評估，必要時進行修理和加固，以保證結構在使用期內的安 全。對于混凝土結構易主而改變用途和作結構改造的行為，必須嚴格 管理，并進行設計或加固計算，以確保在荷載或結構條件變化時結構 的安全。結論：海洋混凝土結構的耐久性問題是一個涉及環(huán)境、材料、 設計、施工等多種因素的復雜問題。然而，引起混凝土結構破壞，減 少混凝土耐久性的因素有很多，我們可以提出的解決措施也是多種多 樣，然而，除了加強施工管理、提高施工質量以及重視使用階段的維 護和管理外，就很難找到一種沒有欠缺的方案。而且，海洋本身就是 一個多變的環(huán)境，因此，我們必須在不同的環(huán)境條件