海洋环境下混凝土耐久性

摘要：由于海洋环境的复杂性，跨海通道混凝土的耐久性也受到多方面因素的影响和机理作用。在总结海洋环境下混凝土的耐久性影响因素和作用机理的同时，结合杭州湾跨海大桥工程实际应用，提出了混凝土耐久性的有效技术措施。

关键词：海洋混凝土耐久性杭州湾跨海大桥

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

改革开放以来，东部沿海城市的经济迅速发展，高层结构、 跨海大桥、 海港码头、 海底隧道乃至海上采油平台等重要工程迅速涌现。通常认为混凝土建筑物的无修补安全使用期可达100年，然而，海洋环境下混凝土由于受到海洋环境的冻融破坏、海水侵蚀、钢筋锈蚀、冰浪撞击、磨损等各种因素的影响使其过早被破坏，实际使用年限远远低于设计要求，使用寿命最短的不到10 年，因此，海洋环境下混凝土服役寿命的过早衰减和失效已成为当今面临的世界性难题，引起国内外混凝土科学与工程界的密切关注。

海洋环境下耐久性的影响因素和作用机理

1.1 冻融作用

海工混凝土抗冻耐久性方面存在的问题，一部分是混凝土材料共同的问题(如引气、孔结构和强度等)，另一些则是海洋环境中产生的特殊问题如盐结晶和海水化学腐蚀等。试验表明，在有盐溶液存在的情况下混凝土的饱水程度很高， 因此，海工混凝土的冻融破坏更为严重，应从抗裂防渗和耐海水化学腐蚀两方面来保证海工混凝土抗海水冻融耐久性。

1.2 钢筋锈蚀破坏

钢筋的锈蚀在混凝土耐久性问题中的地位日益突出。钢筋锈蚀破坏最严重是潮汐区中部 上部位，我国南方海洋环境下混凝土破坏以钢筋锈蚀为主。钢筋锈蚀属电化学反应，其产生和发展必须同时满足(1)钝化膜破坏(2)足够量的氧(3)足够量的水分，三者缺一不可。

1.2.1混凝土抗渗性对钢筋锈蚀的影响

抗渗性是影响混凝土耐久性的关键。提高混凝土的抗渗性是在一定范围内减小水灰比、增加养护期及掺砂渣、粉煤灰、硅灰等火山灰质材料，改善水泥石的孔径分布和孔结构，增加凝胶孔，使抗渗性提高，

1.2.2 混凝土碳化作用对钢筋锈蚀的影响

混凝土碳化是指混凝土中的碱性物质Ca(oH)2 与空气中CO2 作用生成CaCO3。，使结构变化、碱度下降。混凝土碳化后引起钝化膜破坏、产生钢筋锈蚀，碳化后产生的收缩会加快钢筋锈蚀决定混凝土碳化速度的根本因素一是混凝土本身的碱性物质含量，二是混凝土的密实度。Ca(oH)2含量高、密实度大的混凝土抗碳化性能强。

1.2.3氯离子渗透作用对钢筋锈蚀的影响

氯化物以离子形态渗透进部分或完全被水填充的孔中，在水泥基质内以化学或物理形态被部分结合，氯化物渗透与碳化渗透不同，它比碳化的侵入深度和速度要大得多，氯化物含量的分布是从混凝土表面到内部，逐渐减少。孔隙率和孔结构是制约c1渗透的关键因素。

1．3 海洋化学腐蚀

建筑物水下部位遭受海水化学腐蚀而溃散的并不普遍，对海工混凝土建筑并非主要因素。

1．3．1 海水的化学成分

海水中溶有大气中所包含的各种气体成分，略呈碱性，PH8.2~8.4。

1．3．2 硫酸盐侵蚀

海水中硫酸镁与水泥水化产物CA结合生成钙矾石，体积膨胀产生很大的内应力，使混凝土膨胀和开裂。水泥熟料中的矿物成分对抗硫酸侵蚀有显著影响。

1．3．3 溶蚀作用

混凝土受到海水的不断侵蚀．内部的Ca(0H) 随水流出使其浓度逐渐降低，随着石灰浓度不断降低，水泥水化物中的CaO也将陆续分解溶出，使混凝土产生空隙，导致破坏

1．3．4 镁盐侵蚀

海水中的镁盐与混凝土中的Ca(0H)2作用，产生不定形物质Mg(0H)z，易溶于水的CaCl以及硅酸钙的替代物硅酸镁，使

水泥浆体的强度下降结构遭受破坏。

3．5 碱骨料反应

二氧化硅是许多岩石的主要成分，当PH≥10．5的碱性溶液与固体二氧化硅接触时，会产生硅酸物凝胶，这种凝胶吸附水分而产生l0～15MPa压力，高于普通混凝土的抗拉强度而导致混凝土的膨胀和开裂

1.4 机械撞击及磨损

许多海工混凝土建筑物的最直接破坏，是由于风浪及冰块撞击等造成的。这些机械作用造成建筑物局部损坏、海水侵入，其破坏作用超过化学腐蚀作用。

1.5 施工质量不良

根据调查结果．混凝土的破坏太部分都是由于施工质量不良或材料不稳定所引起的 因加水量不控制、离析严重、震捣不密实、养护不讲究而造成密实性差，难以抵御各种外界因素的破坏。因此，菔工质量与耐久性之间有极密切的关系。

2 提高耐久性的技术措施

2.1海工耐久混凝土

海工耐久混凝土是指采用常规原材料、常规工艺、掺加矿物掺合料及化学外加剂，经配合比优化而制作的，在海洋环境中具有高耐久性、高稳定性和良好工作性的高性能结构混凝土，它以氯离子扩散系数为核心控制指标，采用大比例掺入矿物掺合料和低水胶比降低氯离子扩散系数。

杭州湾跨海大桥不同部位混凝土中水胶比及其他材料用量，见表1所示。

表1杭州湾跨海大桥不同部位混凝土中水胶比及其他材料用量表

杭州湾大桥工程混凝土结构均采用海工耐久性混凝土。在参考国内外规范的基础上，进行了海工耐久混凝专题研究，制定了《杭州湾跨海大桥混凝土施工技术规程》，对海工耐久混凝土的原材料、配合比设计及工作性能、施工控制等提供了具有特色的控制要求。

同时，杭州湾跨海大桥在国内首次按混凝土氯离子扩散系数快速非稳态电迁移(RCM)实验方法，规定了混凝土撬氯离子渗透性要求。混凝土氯离子扩散系数Drcm根据混凝土结构使用年限预测模型以及所处的腐蚀环境、钢筋保护层厚度等综合因素确定。

2．2合理的钢筋保护层

理论上，结构的保护层越厚，氯离子扩散到钢筋表面的路径越长，钢筋表露氯离子积累到临界浓度时间也越久。但是，保护层过厚会限制构件力学性能的发挥，并且不利于对裂缝宽度进行控制，因此，需要根据结构部位和受力特点，设置合理的钢筋保护层厚度。

杭州湾跨海大桥工程结合国外跨海工程实例，参考国内外有关规范，根据杭州湾的腐蚀环境、桥梁各部位的受力特点和设计使用年限，制定了不同部位混凝土的保护层厚度，如表2所示。

表2不同部位混凝土的保护层厚度

杭州湾大桥混凝土结构各部位氯离子扩散系数和钢筋保护层厚度组合，经过理论模型推算可以满足100年使用年限的要求。通过严格的施工控制和质量检验，实体结构质量良好，基本符合理论计算的假定。

2.3杭州湾大桥工程中附加措施

2.3.1 塑料波纹管与真空辅助压浆

对于预应力混凝土结构，孔道的不密实极易造成高应力状态下预应力筋的锈蚀。为增强预应力孔道压浆的密实性，提高预应力体系的耐久性，大桥预应力混凝土箱梁采用耐腐蚀、密封性能好的塑料波纹管，配合真空辅助压浆技术，作为预应力混凝土结构的耐久性措施之一。

2 .3．2环氧涂层钢筋

环氧涂层钢筋是采用静电喷涂工艺使其表面形成连续的环氧绝缘层的钢筋。

鉴于环氧涂层钢筋的优点，杭州湾跨海大桥在腐蚀最为严重的浪溅区现浇墩身中采用了环氧涂层钢筋，作为提高混凝土结构耐久性的附加措施之一。

3．3钢筋阻锈剂

与海工耐久混凝土配合，钢筋阻锈剂能大幅度提高对钢筋的防护能力。与普通混凝土相比，海工耐久混凝土一方面使得腐蚀介质达到钢筋表面的量减少，另一方面密实的混凝土又能长期有效地保持钢筋阻锈剂的高浓度，从而使阻锈剂得以较为长期地发挥抑制或延缓钢筋电化学腐蚀的效能。

杭州湾大桥工程潮差区的承台和浪溅区的墩身部位使用了掺人型阻锈剂，作为保证混凝土结构耐久性的补充措施。

2. 3．4外加电流阴极防护

外加电流阴极防护系统设计的要点包括：阳极材料在正常运行的电流密度条件下，保证最少100年的使用年限，从而保证结构钢筋始终处于阴极状态而不发生锈蚀；充分考虑腐蚀环境的不同，针对不同区域进行相应的设计。

杭州湾大桥南、北航道桥主墩承台、塔座及下塔柱处于潮差区和浪溅区，采用了外加电流阴极防护系统。

3．5渗透性控制模板

使用渗透性控制模板是提高混凝土表面质量的有效途径。该模板的衬垫是一种无纺纤维，它能把刚人模的混凝土表面多余的空气和水排出，使混凝土表面水胶比降低，同时可确保混凝土在养护期间保持高湿度，将裂缝风险减到最小，因而可大幅提高混凝土表面的密实度和强度，C35混凝土根据回弹试验结果推定达到C60。

杭州湾大桥海上预制和现浇墩及南滩涂引桥部分桥墩应用了该产品，工程实践表明，使用渗透控制模板可大大改善混凝土的外观质量，提高混凝土表面的抗裂性、抗渗性和耐久性。

2.3．6混凝土表面涂层

涂覆型涂层防腐蚀措施是针对海洋环境混凝土结构的表面防护技术之一。该措施的特点是隔绝氯离子、酸性气体等有害介质在混凝土内的渗透和扩散，尤其适合于以盐雾水汽为特征的海洋侵蚀环境下混凝土的保护。

杭州湾大桥海中承台以上混凝土结构均采用封闭型涂装体系进行表面涂装，涂层设计使用年限为20年。

3结语

跨海通道所处的环境及运营条件复杂而且恶劣，海洋环境下混凝土受冻融破坏、海水侵蚀、钢筋锈蚀、冰浪撞击、磨损等各种因素的影响使其过早被破坏，对跨海通道的耐久性设计工工作提出了更高的要求。杭州湾跨海大桥已应用多种有效措施提高耐久性，可见海洋环境下混凝土耐久性研究已经有初步成果。结合现有研究现状和实际工程案例杭州湾跨海大桥，总结以下几点观点：

在尽量降低工程造价的前提下，同时又要满足设计年限的要求，对腐蚀条件恶劣和结构构造存在隐患的部位采用相应的耐久性补充措施是提高混凝土结构耐久性的有效途径。

海洋环境下混凝土耐久性影响因素中氯离子的渗透引发是最主要也是最显著的因素，因此，一方面一搞混凝土本身的抗氯离子渗透的能力，另一方面设置合理的钢筋保护层厚度是基本的，显著有效的措施。

提高海洋环境下混凝土耐久性，不仅需要设计与前期准备的充分，而且还需要合格的施工工艺和严格的质量控制，在实际施工中需要严格把关。

加强对混凝土的耐久性后期的跟踪检测，建立耐久性动态无损监测和评估系统，既可以提前规避耐久性降低带来的风险，也可以对症下药，降低后期修补等成本，以确保设计使用年限。

参考文献：

霍洪媛，姚武.海洋工程混凝土耐久性研究[J].混凝土，2008（1）：7-16.

吴瑾，程吉昕．海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性评估[J].水力发电学报，2005，24(1):69—73．

张宝胜，干伟忠.杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方案[J].土木工程学报，2006，39（6）：72-77.

姜海西，肖汝诚.沿海及跨海桥梁下部结构防腐与加固[J].结构工程师,2008(4).

陈涛.杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方案.混凝土，2009（8）：48-56.