海洋混凝土结构耐久性

【摘要】基于混凝土结构耐久性很大程度取决于混凝土保护层质量，应对混凝土保护层进行主动增强来提高，针对海洋工程耐久性问题，提出混凝土的梯度设计理论，并进行试验研究，为海洋工程耐久性防护提供了新的理念和相关资料。

1、随着沿海区域经济发展一体化进程的快速形成，带动了各类港口、海塘、海上平台、滨海电厂及跨海大桥等重要和重大海洋工程的建设热潮

仅浙东沿海地区而言，就有嘉绍跨海大桥、象山港跨海大桥及规划中的杭州湾跨海铁路大桥，等。这些基础设施大多采用混凝土结构且投资巨大，其服役寿命往往在100年以上。然而海洋服役环境下混凝土结构过早劣化已成为普遍现象[1-3]，尤其处于浪溅区的混凝土构件，因该区供养充足、浪花不断冲击和润湿，加上干湿交替及盐分浓缩，最先破坏，进而引起工程整体功能失效，因而浪溅区直接决定着海洋基础设施的服役寿命。可见在建设高峰期时，从保障运行质量、提高投资效益，都迫切需要全面提升海洋混凝土结构耐久性。

2、目前针对耐久性问题，工程中一般采取“以防为主”的措施

如：使用矿物掺合料、环氧钢筋、钢筋阻锈剂及阴极保护等。事实上，海洋工程病害往往首先表现为保护层耐久性不足而后引起深层的破坏，有害物质通过保护层的孔隙和裂缝渗透和抵达到钢筋表面，引起钢筋脱钝及腐蚀，因此混凝土结构耐久性很大程度上取决于混凝土保护层。目前常采用表面涂层或硅烷浸渍来封闭保护层裂缝和隔离介质侵入，然而表面涂层，如：聚氨酯、环氧类等，其综合性能难以满足严酷的海洋环境要求，尤其浪溅区，在100年的设计寿命内不发生破坏尚不得而知，长效型涂层的设计年限也就20年，大量工程应用也表明10年左右就得重新涂装，但海洋工程往往是难维修、甚至不可维修；硅烷浸渍虽能深入混凝土表层一定区域，其相容性得到改善，但浸渍深度通常只有3-8mm，易受到泥砂、海浪冲刷破坏；此外，也有采用FRP、纤维增强水泥基复合材料预制成永久模板，再在永久模板上浇筑混凝土，使两者共同构成结构构件，利用面层抵抗海洋环境作用，但永久模板与混凝土相容性不好，易因界面剪切破坏而失效。

近年来，将梯度功能材料理念用于混凝土设计中，使物性参数的渐变可有效地缓和热应力，同时克服界面结合差的问题，这样的研究越来越多，与普通材料相比功能梯度板具有优越的抗冲击性。

可见合适的FGC可通过功能的渐变，实现对混凝土保护层的主动增强，进而提高混凝土的耐久性。采用加速腐蚀试验研究功能梯度混凝土梁和普通混凝土梁在腐蚀环境下的抗蚀性，结果表明，功能梯度混凝土梁表现出更优异的抵抗腐蚀介质侵蚀能力，如图1。但总体上看仍处于研究初步阶段，仅利用功能梯度的概念去提高混凝土的性能，现迫切需要建立相应的设计方法。

（a）普通混凝土梁

（b）功能梯度混凝土梁

如果能对浪溅区混凝土进行功能梯度化，利用上述材料作为FGC的面层，则主动抵抗浪溅环境破坏的能力可大幅度提升。

FGC虽然可缓解传统防护处理技术（永久模板上浇筑混凝土）中面层与基材间相容性问题，但从材料的角度看，在一定尺度范围存在界面过渡层，此区域更易成为薄弱区，易因面层、结构层材料的变形不匹配发生破坏，一旦失效其功能梯度也失去意义。因此，服役环境与传输互下FGC界面过渡层耦合破坏属于粘结新问题，也是功能梯度混凝土应用基础研究的核心问题。为此，拟对海洋浪溅区混凝土进行功能梯度化，即：利用PVA纤维优异的控裂性及硅烷憎水作用以改性MIF材料并用作面层，采用常用C50混凝土作为结构层，并从功能梯度混凝土核心区-“界面过渡层”入手，研究其破坏机理和设计方法，以提高FGC的粘结性。研究成果无疑对丰富功能梯度混凝土的理论基础和拓宽其发展方向具有重大意义，同时也对我国海岸、浅海及深海开发有重要的现实意义。

3、研究内容

⑴功能梯度混凝土的传输性研究。FGC在结构上具有成层性，各层对介质传输的影响、抵抗环境作用因材料差异而响应不一，这些特点导致介质在FGC中的运移情况不同。

⑵功能梯度混凝土的粘结性研究。由于各层材料传输性差异，FGC中各层微环境随外界环境变化不一，将导致各层变形不协调，使得界面受到局部荷载作用；另外界面过渡层粘结性能也受环境的影响。

⑶功能梯度混凝土防护作用的时效性研究。结合目前常用的分层浇筑再压印的工艺，对比研究振动拔板工艺制备的FGC缩尺构件经过加速试验后Cl-浓度、钢筋电位变化及界面粘结情况；通过上述试验结果验证FGC的防护性，进一步完善FGC设计方法和探讨增强措施。

4、研究方法

拟发挥海洋工程、力学、材料学及现代测试技术等多学科交叉的综合优势，以材料科学与海洋工程学科为基础，根据典型的浪溅环境特点和功能梯度混凝土的结构特点，基于环境相似分析方法，确立人工加速模拟试验的主要参数和方法；应用损伤力学、多孔介质理论及现代测试技术进行理论分析与试验研究，宏观测试、现象观察与微观分析，及室内模拟试验与暴露试验相互映证的研究方法，开展本项目的研究工作。

5、技术路线

按照图2技术路线进行，主要包括三大方面的研究：

6、结论

针对海洋工程耐久性问题，提出混凝土的梯度设计理论，并进行试验研究，为海洋工程耐久性防护提供了新的理念和相关资料。因此，该项目的研究具有良好的经济效益和社会效益。

结合服役环境特点和功能梯度混凝土的结构特点，通过试验和数值模拟获得FGC传输行为；研究FGC在传输性与环境交互下的耦合破坏机理，并构建界面力学模型、强度准则，进而提出初步的FGC设计方法与增强措施；最后采用加速试验对功能梯度混凝土防护作用时效性研究，继续完善设计方法和增强措施。