海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)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(xué) 號：11231090班 級：土木1104班指導(dǎo)教師：安明喆學(xué) 院：北京交通大學(xué)土建學(xué)院海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的分析與建議摘要：在海洋環(huán)境下構(gòu)建大型人工構(gòu)造物，混凝土的耐久性問題至關(guān) 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(xué)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(jìn)行選取（2）增添表面涂層（3）使用外加劑技術(shù)（4） 采用特殊防腐措施（5）減緩鋼筋銹蝕（6）加強(qiáng)施工管理、提高施

2、工 質(zhì)量7）重視使用階段的維護(hù)和管理。我們只有清晰地認(rèn)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(shè)事業(yè)做出一定的貢獻(xiàn)。正文：我國目前正處于大規(guī)模建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施時期。臨海城市深水港的 建設(shè)已為世人矚目，對沿海城市經(jīng)濟(jì)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(shè)和服役環(huán)境（海洋 環(huán)境）是建筑物（或構(gòu)筑物）面臨的新挑戰(zhàn)。為達(dá)到跨海通道（復(fù)雜 環(huán)境下）的設(shè)計(jì)使用壽命（100年），混凝土的耐久性問題至關(guān)重要， 必須處理好?；炷恋哪途眯允侵富炷恋慕Y(jié)構(gòu)在規(guī)定的使

3、用年限以內(nèi)，在各 種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費(fèi)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?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)中，明確規(guī)定了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用極限狀 態(tài)設(shè)計(jì)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(yán)重，導(dǎo)致海港工程達(dá)不到設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yùn)、 海防、水產(chǎn)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(yán)重?；炷恋氖c微生物的新陳代謝作用有關(guān)，硫氧化菌、硫桿菌 和噬混凝土菌等細(xì)菌的生存代謝生成生物硫酸導(dǎo)致混凝土腐蝕。海洋 中約有細(xì)菌1 500多種，每毫升海水最多可有100萬個細(xì)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(guān)的 細(xì)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(luò)合能力不同的金屬絡(luò)離子和多種無機(jī)、有 機(jī)配

5、體，構(gòu)成了多種復(fù)雜的絡(luò)合平衡體系，通過化學(xué)作用產(chǎn)生有機(jī)酸 使混凝土遭受酸腐蝕，而有些嗜酸菌還會跟著有機(jī)酸進(jìn)入混凝土內(nèi)部 結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的代謝酸進(jìn)行腐蝕。無機(jī)離子(化學(xué)侵蝕)無機(jī)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(xué)反應(yīng)，二是Cl離子和水泥膠凝材料的化學(xué)結(jié)合。硫酸鹽與混 凝土接觸時，產(chǎn)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(jìn)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(yīng)，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(hù)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(jié)構(gòu)被破壞。其反應(yīng)機(jī)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(yīng)：Ca(OH) +MgSO +2H O-CaSO 2H O+ Mg(OH) I242422Ca(OH) 2+ MgCl廠CaC12+ Mg(OH) 2 I雖然生產(chǎn)的固相物質(zhì)積聚在空隙內(nèi)，在一定程度上可以阻止介質(zhì) 的侵入，但是大量的Ca(OH)2與鎂鹽反應(yīng)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(yīng)，同時生成的Mg(OH)2還 能與鋁膠、硅膠緩慢反應(yīng)，造成混凝土粘結(jié)力減弱，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度 降低。海水中還存在一定的S042-,當(dāng)SO42-進(jìn)入混凝土內(nèi)部后與混凝土的 某些成分反應(yīng)，生成物吸水腫脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度 時混凝土就產(chǎn)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(xué) 反應(yīng)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(yīng)物的大1.5及1.24倍多，引起很大的 內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(nèi) 鹽分濃度在干濕循環(huán)中逐漸增加。在濃差作用下，鹽分進(jìn)一步向混凝 土的內(nèi)表滲入，直至鋼筋表面，造成腐蝕。而當(dāng)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(jié)硬化過程中，由于化學(xué)收縮、溫度應(yīng)力、干燥收縮等 原因產(chǎn)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(yán)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(jié)冰時體積增大，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，導(dǎo)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(nèi)析品，產(chǎn)生 鹽類結(jié)品壓力導(dǎo)致混凝土破壞；海風(fēng)挾帶砂、冰凌的沖擊磨耗使混凝 土表面粗糙，促進(jìn)水化產(chǎn)物的溶出性侵蝕，加速混凝土保護(hù)層破壞。對抗凍性的破壞處于寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)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(yán)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(jié)構(gòu)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(shí)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(chǎn)生 微細(xì)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(nèi)部損壞的現(xiàn)象?；炷羶?nèi)部存在著連通與不 連通的孔隙，這些孔隙是滲水的途徑。當(dāng)混凝土處于飽水狀態(tài)并遇到 負(fù)溫時，內(nèi)部水分凍結(jié)，體積膨脹。導(dǎo)致孔隙的周壁上產(chǎn)生相當(dāng)大的 內(nèi)部壓力，當(dāng)遇到正溫時，雖融化，但孔壁已產(chǎn)生塑性變形。難于恢 復(fù)到原來大小，如此反復(fù)凍融，孔隙逐次加大，凍結(jié)逐次加深，當(dāng)作 用在孔隙的拉應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度時就開始出現(xiàn)微細(xì)裂縫。隨著凍融 循環(huán)次數(shù)增多，裂縫逐漸擴(kuò)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(dāng)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(jìn)入，鋼筋的粘 結(jié)力降低，保護(hù)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(jìn)行選取?；炷林袚郊庸璺?、粉煤灰和 礦粉摻合料時，可降低Ca/Si比，；細(xì)骨料宜選用級配良好潔凈的中 粗砂；粗骨料選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級配良好、針片狀少、孔隙率小、最大 粒徑不大于25mm，抗壓強(qiáng)度大于IOOMPa或壓碎指標(biāo)不大于1O%； 減水劑應(yīng)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(xì)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(shè)計(jì)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?qū)⒈砻嫒毕?進(jìn)行封閉，有效地阻止了水分和鹽類的侵入。涂層保護(hù)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(jī)樹脂，如環(huán)氧樹脂、聚醋樹 脂、脈醛樹脂、內(nèi)烯酸樹脂、聚氯乙烯、聚乙烯以及瀝青等。外加劑技術(shù)

13、，根據(jù)混凝土污損生物腐蝕作用機(jī)理，阻止污 損生物在混凝土表面和內(nèi)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(shù)是近年來混凝土防腐蝕研究中最活躍的領(lǐng)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(hù)等防腐措施，進(jìn)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(xì)孔的表面漲力，吸入混凝土表層，達(dá)到鋼筋表面，形成保護(hù)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(jié)構(gòu)的耐久性的措施（5）減緩鋼筋銹蝕鋼筋是增起混凝土強(qiáng)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(yán)重的，因此我們必須要增強(qiáng)對鋼筋銹蝕的防護(hù)。針 對鋼筋銹蝕問題的解決辦法主要有陰極保護(hù)、環(huán)氧涂層、混凝土表面 涂層保護(hù)和摻入阻銹劑等。其中在大型海工建設(shè)中使用陰極保護(hù)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(hù)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(diǎn)腐蝕。鋼筋阻銹劑被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)有 效的措施。（6）加強(qiáng)施工管理、提高施工質(zhì)量對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重大影響的混凝土密實(shí)度和混凝土保護(hù) 層厚度的變異性，在很大程度上取

15、決于施工質(zhì)量。完善施工管理，提 高施工隊(duì)伍素質(zhì)，對施工過程進(jìn)行監(jiān)督檢查，加強(qiáng)工程質(zhì)量驗(yàn)收制度、 確保工程質(zhì)量，對提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有著非常重要的作用。（7）重視使用階段的維護(hù)和管理在混凝土結(jié)構(gòu)的使用階段，應(yīng)重視對結(jié)構(gòu)的正常維護(hù)和管理。鑒 于我國原有混凝土結(jié)構(gòu)對耐久性考慮不夠，應(yīng)重視對服役混凝土結(jié)構(gòu) 的檢測和評估，必要時進(jìn)行修理和加固，以保證結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的安 全。對于混凝土結(jié)構(gòu)易主而改變用途和作結(jié)構(gòu)改造的行為，必須嚴(yán)格 管理，并進(jìn)行設(shè)計(jì)或加固計(jì)算，以確保在荷載或結(jié)構(gòu)條件變化時結(jié)構(gòu) 的安全。結(jié)論：海洋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是一個涉及環(huán)境、材料、 設(shè)計(jì)、施工等多種因素的復(fù)雜問題。然而，引起混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)施工管理、提高施工質(zhì)量以及重視使用階段的維 護(hù)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