海洋环境下混凝土结构的耐久性

海洋环境下混凝土结构的耐久性

[摘要]

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。处于海洋环境下的混凝土由于受海洋生物，无机盐，大气，水，温度等的影响造成的耐久性的降低。文章首先分析了混凝土耐久性破坏机理，然后总结了提高混凝土耐久性的措施。

1. 前言：混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指混凝土的结构在规定的使用年限以内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、能够正常使用和有可接受的外观的能力。现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行的设计规范只划分成两个极限状态，为承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限状态之中，且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅包括混凝土结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。

2. 背景

影响混凝土结构耐久性的因素很多，随着近些年工程应用中出现的问题和形式的发展，人们认识到混凝土材料的耐久性应受到高度重视。比如在海洋环境中混凝土结构的耐久性，国内外也有很多由于混凝土破坏问题发生事故而造成人力和财力的损耗。随着经济的发展，社会的进步，许多投资大、施工长的大型工程（如大跨度桥梁）日益增多，人们对海洋混凝土使用寿命的期待日益提高。而这

些混凝土的使用环境却十分苛刻，客观上要求混凝土有优异的耐久性。

中国目前处于大规模建设基础设施时期。临海城市深水港的建设已为世人瞩目，对沿海城市经济持续高速发展将起到十分重要的拉动作用。作为深水港重要组成之一的跨海通道（大桥、隧道等），无论是从跨度、连接功能，还是交通纽带，其建设和服役环境（海洋环境）是建筑物面临的新挑战，主要通过提高混凝土的耐久性来实现。本文就海洋环境中混凝土耐久性的主要影响因素进行总结并提出合理的技术措施。

3. 海洋中对混凝土结构耐久性破坏的因素

海港、码头、引桥、防浪堤坝等与海水直接接触的建筑工程中的混凝土建筑物和构件由于长期受海水的腐蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，导致海港工程达不到设计使用期限的要求。1995年在对浙江、福建沿海城市的22座使用20余年的海港工程调查发现：损坏严重不能使用的3座，占8．7％，构件损坏严重需要大修的8座，占43．2％，局部损坏的8座，占43．2％；基本完好的3座，仅占8．7％。

(1) 对抗侵蚀性的破坏

a. 生物因素（生物侵蚀）

海洋中影响混凝土结构耐久性的生物因素主要包括一些大型藻类、水螅、外肛动物、龙介虫、双壳类、藤壶和海鞘。近年来，随着航运、海防、水产养殖以及海滨电厂等的发展，海洋生物污损所带来的危害越来越严重。

混凝土的失效与微生物的新陈代谢作用有关，硫氧化菌、硫杆菌和噬混凝土菌等细菌的生存代谢生成生物硫酸导致混凝土腐蚀。海洋中约有细菌1 500多种，每毫升海水最多可有100万个细菌，并且多数为附着在海水中物体表面，经过研究发现和混凝土、钢铁腐蚀有关的细菌有氧化铁杆菌、氧化硫杆菌、排硫杆菌、去硫弧菌等可直接和间接控制腐蚀。它们以各种络合能力不同的金属络离子和多种无机、有机配体，构成了多种复杂的络合平衡体系，通过化学作用产生有机酸使混凝土遭受酸腐蚀，而有些嗜酸菌还会跟着有机酸进入混凝土内部结构并且繁殖，加速其破坏。即使在无氧情况下，也可由厌氧微生物产生的代谢酸进行腐蚀。

b. 无机离子（化学侵蚀）

无机离子对混凝土的腐蚀主要有以下两个方面：一是硫酸盐和水泥的化学反

应，二是Cl离子和水泥胶凝材料的化学结合。硫酸盐与混凝土接触时，产生钙矾石，造成混凝土膨胀，使它的表层开裂或软化。而裂缝又助长了硫酸盐和其它离

A发生反子的侵蚀渗透，进一步加速了混凝土的破坏。氯化物则是与水泥中的C

3

应，生成高膨胀性的氯铝酸盐。同时，氯离子渗入钢筋表面，钢筋锈蚀亦引起体积膨胀，使混凝土保护层胀裂，反过来又加速了钢筋的腐蚀，从而影响承载力，直至结构被破坏。

处于海洋大气中的钢筋混凝土结构，特别是位于浪溅区部分的混凝土，它的表面不断处于干湿循环中，混凝土表面孔隙内盐分浓度在干湿循环中逐渐增加。在浓差作用下，盐分进一步向混凝土的内表渗入，直至钢筋表面，造成腐蚀。而当混凝土表面存在缺陷时，则会促使钢筋混凝土的腐蚀。

c.体积不稳定性破坏

混凝土凝结硬化过程中，由于化学收缩、温度应力、干燥收缩等原因产生的收缩变形，使混凝土出现初始裂缝，影响混凝土体积稳定性。而海洋工程混凝土严酷的使用环境，使任何微小的初始裂缝都可能加速混凝土的劣化。

d.物理破坏

水结冰时体积增大，混凝土内部产生压力，导致混凝土膨胀开裂破坏；潮起潮落于湿交替作用，使海水中盐类在混凝土内析晶，产生盐类结晶压力导致混凝土破坏；海风挟带砂、冰凌的冲击磨耗使混凝土表面粗糙，促进水化产物的溶出性侵蚀，加速混凝土保护层破坏。

(2)对抗冻性的破坏

处于寒冷地区的混凝土结构物在水位变动区，由于冻融循环作用和冰凌撞击作用，更容易使混凝土遭受严重破坏。因此，位于寒冷地区的海洋混凝土，其抗冻融性能的好坏，更是直接影响结构物使用寿命的重要因素。海洋混凝土工程因冻融作用而引起破坏的实例屡见不鲜，我国北方的每一个海港中几乎都发生混凝土冻害现象。

混凝土的冻融破坏，是指混凝土中的水分受到冻融循环后，产生微细裂缝，致使表面混凝土剥落，从接近表层的部分开始发生破坏，从而逐渐发展到混凝土内部损坏的现象。混凝土内部存在着连通与不连通的孔隙，这些孔隙是渗水的途径。当混凝土处于饱水状态并遇到负温时，内部水分冻结，体积膨胀。导致孔隙

的周壁上产生相当大的内部压力，当遇到正温时，虽融化，但孔壁已产生塑性变形。难于恢复到原来大小，如此反复冻融，孔隙逐次加大，冻结逐次加深，当作用在孔隙的拉应力超过混凝土强度时就开始出现微细裂缝。随着冻融循环次数增多，裂缝逐渐扩展并连接起来，致使混凝土开裂或破坏。

（3）对抗碳化性的破坏

混凝土中的Ca(OH)

2受海洋大气中得CO

2

作用，生成CaCO

3

，逐渐失去其碱性，

pH值降到8.5～10。当混凝土pH值低于10时，钢筋不再处于钝化状态，发生锈蚀。铁锈要比铁的体积膨胀2.5倍，由此，混凝土发生裂缝，使得二氧化碳、氯离子、盐分等更易进入，钢筋的粘结力降低，保护层剥落。即混凝土被碳化。

4. 提高海洋混凝土耐久性措施

(1) 对混凝土原材料进行选取。混凝土中掺加硅粉、粉煤灰和矿粉掺合料时，可降低Ca／Si比，；细骨料宜选用级配良好洁净的中粗砂；粗骨料选用质地坚硬、级配良好、针片状少、孔隙率小、最大粒径不大于25mm，抗压强度大于IOOMPa 或压碎指标不大于1O%；减水剂应选用与水泥匹配坍落度损失小，减水率最好大于25%的高效减水剂，掺合料选用IⅡ级粉煤灰,掺量不小于2O%，磨细矿渣粉比表面积不低于400m2／kg，掺量不低于4O%，如对早期抗氯离子渗透有较高要求可以掺加5～10%的硅灰；水灰比（W / C）设计≤O．35。

(2) 表面涂层。涂层封闭防腐是指在混凝土表面涂刷一层封闭液，封闭液渗入混凝土表层一定深度，形成一层憎水层或将表面缺陷进行封闭，有效地阻止了水分和盐类的侵入。涂层保护措施分为两类，一类为惰性涂层，具有耐腐抗渗抗裂功能；另一类为功能涂层，具有酸中和或抑菌、杀菌功能。惰性涂层能隔绝混凝土与生物硫酸的接触，从而避免遭受腐蚀。通常采用耐酸的有机树脂，如环氧树脂、聚醋树脂、脉醛树脂、内烯酸树脂、聚氯乙烯、聚乙烯以及沥青等。 (3) 外加剂技术，根据混凝土污损生物腐蚀作用机理，阻止污损生物在混凝土表面和内部的生长，直接抑制或减少生物硫酸的生成，是控制混凝土微生物腐蚀最有效的措施，因此，外加剂技术是近年来混凝土防腐蚀研究中最活跃的领域。在混凝土拌合物中加入适量的混凝土引气剂

（4）特殊防腐措施：通过环氧涂层钢筋、表面硅烷浸渍、阴极保护等防腐措施，进一步改善海洋混凝土耐久性。例如环氧涂层钢筋中的渗入型阻锈剂是一