海洋环境下混凝土结构耐久性问题的分析与建议

土木工程材料论文

姓名：童向军

学号：11231090

班级：土木1104班

指导教师：安明喆

学院：北京交通大学土建学院

海洋环境下混凝土结构耐久性问题的分析与建议

摘要：在海洋环境下构建大型人工构造物，混凝土的耐久性问题至关重要，并且其受多方面的因素影响。比如对抗侵蚀的破坏，对抗冻性的破坏，对抗碳化性的破坏等。其中，对抗侵蚀的破坏又包括生物侵蚀、化学侵蚀、体积不稳定性破坏以及物理破坏等。要防止或者减缓这种破坏，我们需要采用一些措施。主要包括以下几个方面：(1) 对混凝土原材料进行选取(2) 增添表面涂层(3) 使用外加剂技术（4）采用特殊防腐措施（5）减缓钢筋锈蚀（6）加强施工管理、提高施工质量7）重视使用阶段的维护和管理。我们只有清晰地认识了已经存在或者可能存在的问题，才能够更好地提出和采取针对性的措施来解决这些问题，为我国的建设事业做出一定的贡献。

正文：我国目前正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（或构筑物）面临的新挑战。为达到跨海通道（复杂环境下）的设计使用寿命（100年），混凝土的耐久性问题至关重要，必须处理好。

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，明确规定了混凝土结构设计采用极限状态设计方法。然而在海洋环境下，混凝土的耐久性问题又与其他环境下耐久性问题有所不同，拿其他环境下混凝土的制作规格，用在构造类似于跨海大桥等这类建筑上，无疑是不可取的。

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。

(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C3 A发生反应，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。其反应机理如下：

Fe2++2Cl-＋2H2O→Fe(OH)2+2HCl

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

镁盐(MgSO4和MgCl2)在海水中含量较大，深入混凝土中将和Ca(OH)2发生以下反应：

Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+ Mg(OH)2 ↓

Ca(OH)2+ MgCl2→CaCl2+ Mg(OH)2↓

虽然生产的固相物质积聚在空隙内，在一定程度上可以阻止介质的侵入，但是大量的Ca(OH)2与镁盐反应后，碱度降低会使水泥中的水化硅酸钙和水化氯酸钙与酸性的镁盐反应，同时生成的Mg(OH)2还能与铝胶、硅胶缓慢反应，造成混凝土粘结力减弱，导致混凝土强度降低。

海水中还存在一定的S042-，当SO42-进入混凝土内部后与混凝土的某些成分反应，生成物吸水肿胀产生膨胀应力，当应力达到一定程度时混凝土就产生裂缝，这种腐蚀作用在不同条件下又有两种表现形式，即E盐破坏和G盐破坏。

E盐破坏即钙矾石膨胀破坏，G盐破坏即石膏膨胀破坏，其化学反应式分别如下：

4CaO·A12O3·12H2O+3SO42-+2Ca(OH)2

+20H2O→3CaO ·A12O3·CaSO4·31H2O+60H-

Ca(OH)2+SO42-+2H2O→CaSO4·2H2O+2OH-

生成物的体积分别比反应物的大1.5及1.24倍多，引起很大的内应力，导致混凝土表面出现裂缝。

与此同时，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CO2作用，生成CaCO3，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