海工混凝土結構的腐蝕機理與防腐措施

林永慶

摘 要：海工混凝土結構出現腐蝕性破壞的情況，大多因為海水環境的影響，即海水氯離子滲透于混凝土鋼筋的表面，導致其鈍化膜保護作用喪失，出現一個較為復雜的電化學腐蝕情況。因此，為了有效減少和預防海水腐蝕對混凝土結構產生的消極影響，該文探討海工混凝土結構的腐蝕機理與相應的防腐措施，以供參考。

關鍵詞：海工混凝土結構 腐蝕機理 防腐措施

中圖分類號：U445.7+3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0088-03

當前，我國的海工建設正處于快速發展的重要階段，而鋼筋混凝土結構作為使用最廣的構筑材料結構，在我國海洋規模迅速擴大，海港工程日益增多之際，其構筑的穩定安全性也得到了越來越多人的關注?？v觀我國當前的海港設施建設，很多陳舊的構筑已經被海水腐蝕化，對設施安全性造成極大的威脅。

1 海工混凝土結構的腐蝕機理

1.1 混凝土腐蝕破壞及腐蝕現狀分析

混凝土的腐蝕破壞表現在環境作用下發生化學反應與物理反應作用，導致混凝土的耐久性與力學性明顯下降?；炷粮g破壞直接導致其內部的鋼筋出現腐蝕情況，且對應的銹脹力達到30 MPa使其開裂，嚴重威脅使用性能及安全性。有國外的研究資料顯示[1]，英國當前的混凝土橋梁中有近40%的橋梁都因為腐蝕需修復。而在美國當前的近60萬的橋梁中，有超過一半的橋梁都出現了鋼筋腐蝕破壞的情況。我國當前也有很多的橋梁受到損害，且危橋數量基數不小，因為其混凝土結構的腐蝕問題導致的損失超過幾十億。

1.2 跨海橋梁混凝土腐蝕機理研究

如圖1所示，在海洋環境下鋼筋混凝土結構的長期暴露區、潮差區、浪濺區、水下區等不同部位受到侵蝕，都會出現不同程度的腐蝕。在海洋環境中，鋼筋混凝土結構的橋梁工程受到腐蝕的原因主要有以下幾點，鎂鹽侵蝕、碳化侵蝕、鋼筋銹蝕、酸性氣體侵蝕、硫酸鹽侵蝕等，其中比較常見的侵蝕性原因是鋼筋銹蝕，在這種腐蝕作用下更容易造成損壞且程度較為嚴重。其機理可以以化學式Ca（OH）2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O，碳化結果后pH值低于9，而這個數值則比保持鋼筋鈍化的最低pH值9.5更低，因此會出現混凝土的中性化，導致鋼筋出現銹蝕。而鹽類侵蝕作用發生的機理為：3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→

3CaO·Al2O33CaSO4·32H2O。這些年以來，伴隨著環境污染的日益嚴重，我國很多地區出現酸雨情況，酸雨對鋼筋混凝土產生的危害比碳化更明顯[2]。通過鹽類侵蝕導致混凝土體積發生膨脹和破壞，更難以修補。鋼筋銹蝕作用發生的機理，主要是因為氯離子的侵蝕導致。有研究資料顯示，即便混凝土碳化的深度較低，但如果氯離子的含量較高，那么對應的鋼筋也很容易被腐蝕。這與氯離子半徑小、活性大以及具有較強穿透力有關。如果鋼筋周邊的混凝土孔隙液中氯離子濃度達到一定值，那么氯離子吸附于膜結構存在缺陷支出，就會導致本身難以溶解的氫氧化鐵轉變成為容易溶解的FeCl2，于是鋼筋表面的鈍化膜局部發生破壞，出現坑蝕，在這個過程中主要反應化學式為Fe→Fe2-+2eFe2-+2Cl+4H2O→FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O→Fe（OH）2↓+2Cl+2H+2H2O，4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。由上式可以看出，在鋼筋產生銹蝕的同時，氯離子通常不會對銹蝕產生的過程發生改變，并且混凝土本身的含量也不會由于腐蝕作用而減少，只是單純的催化作用。氯離子導致鋼筋產生銹蝕屬于一種比較復雜的化學過程，通常情況下氯離子首先在很小的區域鋼筋表面中將鈍化膜破壞，出現小陽極并與大部分表面鈍化膜完好的鋼筋形成腐蝕電偶，這種坑蝕發展進程快速，導致鋼筋出現膨脹。在鋼筋發生銹蝕時，從理論上看鐵銹的物質體積表現為原有鋼材體積的2倍以上，如果所處的環境存在缺氧，則為原有體積的2倍左右。裂縫出現的擴張以及混凝土保護層出現剝離，都將對鋼筋混凝土本身的結構產生影響，大大減弱鋼筋性能[3]。

由此可見，要確定海工混凝土結構得到安全穩定的使用，就必須保證在進行橋梁設計的工作中確保氯離子滲透不進入鋼筋的表面并積極采取各種有效的防腐措施。

2 海工混凝土結構的有效防腐措施分析

當前在我國海工混凝土結構的預防腐蝕措施中，普遍采用的方法有以下幾點：（1）結合工程的結構、形式、布置以及構造進行合理選擇，預防由于結構等原因導致銹蝕通道的情況發生；（2）盡可能選擇具有良好抗滲性與抗腐蝕性的混凝土，從而改善工作的性能；（3）以環境為標準，合理增加混凝土保護層的厚度；（4）優化施工工藝，提高技術水平；（5）采用其他的輔助措施[4]。

首先是結構方面的措施，這是預防腐蝕最基礎的方式，工作人員可以盡量選擇跨度較大的橋梁進行布置，從而減少橋梁和海水接觸或是被浪花飛濺的范圍；還要合理選擇結構形式，確保構件的截面形狀平順簡單，盡可能避免出現棱角，也要預防應力的集中，減少出現混凝土表面裂縫。在浪濺區的范圍內，要將混凝土的裂縫寬度控制在0.1 mm以內；針對支座與預應力錨固等有可能會出現集中應力的位置，采用有效措施預防混凝土的受拉；要強化檢修與維修，要求相關工作人員及時對混凝土的裂縫進行監測與修補并考慮構件是否需要更換的情況。

其次要改善混凝土性能，重點在于提高混凝土結構的耐久性，所以要盡量選用優質的混凝土進行施工。通常情況下工作人員會選擇抗滲性更好、密實度更高的高性能混凝土，如果使用普通混凝土，那么就要注重水灰比的具體情況，注意浪濺區的混凝土水灰比最大值在0.4～0.5之間。針對混凝土抗裂與抗氯離子侵蝕性就可以以膠凝材料摻和比例調整的方式改變。采用大比例摻粉煤灰或磨細礦渣粉都能夠降低膠凝材料在早期與后期的水化熱，而采用含有水泥、粉煤灰以及磨細礦渣粉的膠凝材料配置而成的混凝土，就能保證混凝土抗裂性能的改善。另外是降低水化熱，選擇中熱水泥比選擇硅酸鹽水泥更好，通過對中熱水泥的使用，確定0.3～0.4的水膠比，并摻入55%的磨細礦渣粉與15%的粉煤灰，就能配置具有滿足橋梁混凝土設計要求的高強度等級混凝土。大量研究顯示，改善混凝土性能措施以及采用高性能混凝土都具有有效的抗腐蝕效果，且有一定的經濟優勢[5]。

再次是合理增加鋼筋混凝土保護層的厚度，這是預防鋼筋腐蝕的重要屏障。與陸地的混凝土保護層厚度相比，海工混凝土保護層更大，同時再適當增加其厚度對耐久性壽命的延長有很大的促進作用。但與此同時也要注意，保護層的厚度也不能太大，要注意混凝土材料本身的脆性以及可能出現開裂等情況。針對浪濺區或潮差區，要確?；炷龄摻畋Ｗo層厚度超過8 cm，而在大氣區，保護層厚應超過5 cm。

最后還包括施工的注意事項，比如在表面進行涂層保護，通過隔絕腐蝕性介質和混凝土的直接接觸，延緩混凝土中鋼筋腐蝕的速度。但是涂層通常情況下很容易老化且保護作用的使用年限也有限，所以針對高性能的混凝土就要測定抗氯離子的滲透性來提高性能。還有使用環氧涂層實現對鋼筋的保護，要求工作人員在普通鋼筋的表面靜電噴涂一層環氧樹脂薄膜，以此來提高鋼筋的防腐蝕性能，這種方法能夠有效預防鋼筋銹蝕。要保證厚度在180～300 μm范圍內，才能適合在浪濺區與潮差區。環氧涂層鋼筋的防腐性能很好，同時具備節能等優勢，因此受到越來越多人的重視。但要注意的是必須將涂層涂完整，一旦出現破損或存在孔洞的情況，那么環氧涂層的防護效果就會大打折扣，另外，還要注意環氧涂層鋼筋和混凝土粘結力相對較差，使用過程中要注意消除涂層的缺陷。還有就是在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑，也能有效阻止或延緩氯離子對鋼筋的腐蝕作用。在選擇阻銹劑產品時，種類選擇包含摻入型與遷移型兩種，當前摻入型使用更為廣泛，且應用前景廣闊。有大量的實踐研究證實，如果鋼筋表面或附件存在的阻銹劑含量超過一定濃度，那么抑制氯子侵蝕的能力就更明顯，而在阻銹劑不斷消耗的過程中，其保護的效果也會明顯降低。此外，如果混凝土由于收縮或是受到外力影響而出現開裂或內部鋼筋與腐蝕介質產生了直接的接觸，那么阻銹劑也失去其保護作用。通常情況下，越密實的混凝土就具備越好的阻銹劑阻銹效果，所以可將其與其他防腐措施結合應用。

3 海工混凝土結構防腐措施的實例分析

比如上海的東海大橋，上部結構采用簡支變連續多跨截面預應力混凝土連續箱梁，下部結構則是1 500 mm直徑的鋼管樁，以總體結構為防腐的基礎，該工程主要采用了以下措施進行防腐：（1）在陸上段，主要采用摻粉煤灰與磨細礦渣粉Ⅰ型改性混凝土，將保護層的厚度控制超過3 cm，裂縫寬度控制小于0.1 mm；（2）針對鋼管樁主要采用犧牲陽極的陰極保護方法，同時增加鋼管樁鋼板腐蝕的3 mm厚度，其潮差區的部分采用環氧重防腐措施；（3）在浪濺區和潮差區的位置采用摻粉煤灰、硅粉以及磨細礦渣粉的Ⅱ級改性混凝土，將混凝土中鋼筋保護層的厚度控制在超過8 cm，而混凝土裂縫寬度控制不超過0.1 mm；（4）在大氣區的部位主要采用摻粉煤灰、硅粉與磨細礦渣粉的Ⅱ級改性混凝土，并將混凝土鋼筋保護層厚度控制在超過5 cm，控制混凝土裂縫的寬度不超過0.1 mm。上海東海大橋運行使用5年以后進行后期的檢驗結果證實，海工混凝土結構抗腐蝕性等作用效果良好[6]。

4 結語

綜上所述，在海工混凝土結構的跨海橋梁中，使用混凝土的鋼筋銹蝕問題應該引起人們的關注，由于其結構受到腐蝕以后很容易導致損壞，影響結構的安全性，因此筆者建議相關工作人員在進入到橋梁結構與施工設計的階段就根據侵蝕破壞的各種因素以及實際構建環境的影響做出準確的預估，根據具體情況選擇并執行有效的防腐措施，才能真正保障海工混凝土結構以及橋梁混凝土避免遭受到外界的侵蝕與破壞，從而確保橋梁得到長期穩定的保障和安全的維護。該文根據筆者多年的工作實踐經驗，研究已經遭受腐蝕破壞的混凝土結構情況，分析海工混凝土結構的腐蝕機理，結合各參考文獻提出防腐加固的有效處理方法，從而為當前的海上橋梁建設提出有效方案，一定程度上延長使用壽命。

參考文獻

[1] 尤勇，馬飛.淺談鋼筋混凝土結構腐蝕機理及防腐措施[J].北方交通，2013，2（24）：67-68.

[2] 錢宇.混凝土結構的腐蝕機理及防腐措施[J].建筑工程，2014，21（12）：355.

[3] 劉斌云，張勝，李凱.海工混凝土結構的防腐機理與防腐措施[J].工程建設與設計，2010，28（7）：559-562.

[4] 徐軍.海港工程鋼筋混凝土結構的腐蝕機理與防腐對策[J].中國新技術新產品，2013，11（5）：71.

[5] 張東東.海港碼頭鋼筋混凝土建筑的腐蝕和防護[J].交通科技，2010，12（5）：104-106.

[6] 林恩亮.鋼筋混凝土基礎的腐蝕機理及防腐措施[J].福建建筑，2009，7（133）：44-46.