浅谈特殊环境下混凝土工程耐久性措施

关键词：混凝土 防腐 措施

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

摘要： 考虑到混凝土工程所处海洋环境，海水、海风、海雾中所含的氯盐将对混凝土构件造成腐蚀破坏。我国早期的调查资料表明，处于海洋环境下的混凝土构件腐蚀破坏严重、耐久性问题突出，大多达不到设计寿命，反复修复或提前重建，经济损失巨大。如果能采取有效措施减缓混凝土构件腐蚀，最大限度延长海堤工程使用寿命，无疑将带来巨大的经济效益和社会效益。

1混凝土构件腐蚀机理

1.1化学方面

（1）二氧化碳的作用。水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。混凝土具有毛细管孔隙结构的特点，这些毛细管孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和骨料接触处的孔穴等等。大气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙中，而后溶解于毛细孔中的水中，与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物相互作用，生成碳酸钙等产物，造成混凝土碳化。

（2）硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀的作用。海水是一种成分复杂的溶液，其总共盐量平均35g/L左右，海水对混凝土构件的侵蚀速度决定于侵蚀介质的PH值及混凝土的抗渗能力。水化良好的硅酸盐水泥浆体中，含钙的水化难溶产物一般与高PH值的孔隙液处于平衡状态。由于孔液中钠离子，钾离子和氢氧根离子浓度甚高，其PH值可高达12.5～13.5。因此，从理论上讲，PH＜12.5的任何介质都可看作侵蚀性介质。含硫酸根离子和氯离子的海水通常它们的PH值小于6，可对混凝土产生非常严重的侵蚀作用。主要表现为:

(a)Mg2+与Ca2+起交换作用，生成Mg(OH)2和可溶性钙盐，导致硬化水泥石分解,

MgSO４+Ca(OH)2+H2O2CaSO4·H2O+Mg(OH)2

MgSO４使浆体中Ca(OH)2转化为石膏和Mg(OH)2，并使部分水化硅酸钙分解或者转化成粘性极差的水化物。这些次生石膏的结晶膨胀，或者与水化铝酸钙反应生成膨胀性的钙矾石都会产生破坏作用。

(b)Ca(OH)2转化为溶解度大的CaCl2以溶析出的形式造成侵蚀，

MgCl2 +Ca(OH)2Mg(OH)2+ CaCl2

同时Cl_进入混凝土内部造成钢筋腐蚀。

(c)CaCl2与CaO·Al2O3水化作用形成氯铝酸钙结晶后，体积膨胀；同时SO４2-存在时又转变成膨胀性的钙矾石。膨胀直接导致混凝土内部构件微裂隙，大大降低了构件强度，增大了Cl_的渗透能力。

(3)氯离子对钢筋的腐蚀。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土构件中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl_进入混凝土中，破坏钢筋在混凝土的高碱环境下形成的起保护作用的氧化膜，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。氯化物可以通过不同的组分引入混凝土，如外加剂、骨料、胶凝材料和拌和水，或长时间暴露在高含盐的海洋大气中。而内外高浓度差便是海洋环境中氯离子不断渗入混凝土中的动力。使混凝土中的钢筋开始锈蚀的溶液的氯离子浓度大约为水泥质量的0.2%～0.4%.氯离子对钢筋的腐蚀主要有以下4种方式：

(a)形成腐蚀电池

混凝土内钢筋表面致密的氧化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当PH＜11.5时，就开始不稳定，当PH＜9.88时氧化膜生成困难或已经生存的氧化膜逐渐破坏。Cl_是极强的去氧化剂，Cl_进入混凝土到达钢筋表面吸附于局部氧化膜处，可使该处的PH值迅速降低，使钢筋表面pH值降低到4以下，从而破坏钢筋表面的氧化膜。如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀，但是在不均质的混凝土中，常见的是局部腐蚀。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阴极，蚀坑发展十分迅速。

(b)去极化作用

Cl_不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而把加速阳极极化作用称作去极化作用，Cl_正是发挥了阳极去极化作用。

(c)导电作用

混凝土中Cl_的存在强化了离子道路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。

1.2物理方面

因水位变动所造成的干湿交替，则会产生盐类的积累、结晶以及再结晶的过程。对于处于潮汐区部分的混凝土，则又受到海浪、冰凌、泥砂等的冲击、磨耗作用。

此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8～10%。

2对策

2.1工程设计施工方面

（1）优化构件选型和细部设计。设计中应考虑混凝土表面、接缝和密封处积水的及时排出，尽量减少受潮湿时间和溅湿的表面积。

（2）适当增加混凝土构件保护层厚度。这是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。

（3）考虑到施工期间砂、石等大宗材料常长时间暴露于含盐的海洋大气中，应适时采用人工冲洗或雨水冲洗，长时间堆置的材料可采用草皮、塑料膜等覆盖。要引起注意的是，冲洗水未经处理不得用于混凝土拌和水。同样，也不可忽视冲洗水的质量。

（4）严格筛选建筑材料。水泥选用抗碳化能力强的硅酸盐水泥；骨料选用质地硬实和级配良好的砂和石料；施工中除砂要筛、石要洗外，严格控制施工用水、砂的含氯量，尤其禁止使用海砂。

（5）严格控制混凝土的水灰比，要求是小水灰比，低塌落度，要把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内，尽量减少混凝土的自由水。混凝土中可加入优质适宜的外加剂，如减水剂、阻水剂等，以改善混凝土的某些性能，提高其强度和密实性、抗渗性、抗冻性。

（6）掺入矿物掺合料，改善混凝土性能。矿物掺合料改善混凝土抗氯离子渗透性的机理主要是其在混凝土中的密实填充效应和火山灰效应。通过仔细设计，最大限度地提高混凝土抗腐蚀性，使混凝土构件保持低渗透性，以限制环境侵蚀介质渗透混凝土，从而预防钢筋锈蚀。 硅粉具有极高的火山灰活性，其活性指标高达110%，在混凝土中应用1kg硅粉可替代3—4kg水泥，节约水泥率为0—30%。硅粉在硬化混凝土中可使水泥浆体毛细孔减少，提高密实度，改善抗渗性能，提高强度，同时对抗冻、抗碳化、抗硫酸盐、抗氯盐侵蚀及抑制碱骨料反应等均有显著效果。采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土。

（7）重视混凝土养护。合理的养护可使混凝土的强度更高、抗渗性更好，耐磨性和抗冻融性也会提高。尤其对为了提高抗渗性而适当降低水灰比的混凝土更需要特别养护。如果没有外来水补充，其内部相对湿度就会降低从而使浆体自身变干，干到一定程度，水化反应就会停止。因此，尽量采用喷雾养护和湿养护而不采用薄膜覆盖养护。养护一定要及时，一旦混凝土达到初凝时，就应立即进行养护，并坚持按不同水泥品种所要求的时间养护，控制好环境的温度和湿度，以使混凝土在适宜的环境中进行养护。

3结束语

海工程防腐技术是一个长久的、需要不断深入探讨的课题，只有不断推陈出新、采用新技术，才能够有效处理工程存在的问题，充分发挥海工程的作用。