孟召輝

(盤錦河海土木工程咨詢有限公司，遼寧 盤錦 124200)

調(diào)查顯示，我國海岸線長達(dá)上萬公里，跨海橋梁等海工建筑數(shù)量正隨著海洋領(lǐng)域中人類活動的加速擴(kuò)展而急劇增多，沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1-2]。在運(yùn)營過程中沿海地區(qū)混凝土橋梁承受著風(fēng)浪、海潮等自然環(huán)境的侵蝕以及正常車輛荷載的多重作用，混凝土中的鋼筋受海風(fēng)和海水中的氯離子侵入發(fā)生銹蝕，結(jié)構(gòu)安全可靠性明顯下降，大大縮短了結(jié)構(gòu)的使用年限[3]。鑒于此，文章全面探討了混凝土橋梁在海洋環(huán)境下的裂化機(jī)理，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出增強(qiáng)其抗腐蝕性能的措施，旨在延長結(jié)構(gòu)使用壽命和改善混凝土耐久性。

1 海洋環(huán)境下混凝土裂化機(jī)理

常溫條件下，海水的pH值處于7.5-8.6范圍，一般含有多種可溶性鹽如表1，整體鹽度達(dá)到3.0%-3.8%范圍。海洋環(huán)境下，受離子的化學(xué)侵蝕作用混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生腐化裂化的形式主要有兩種，即海水中氯離子Cl-1誘發(fā)的鋼筋銹蝕及鎂鹽、硫酸鹽對混凝土水化產(chǎn)物的腐蝕。

表1 海水中主要鹽分元素的濃度

1.1 氯鹽的腐蝕作用

海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能主要受氯離子侵蝕誘發(fā)鋼筋銹蝕的影響，鋼筋混凝土橋梁受海洋環(huán)境的作用，其使用年限大多不超過30a，服役時間較短主要與氯鹽誘發(fā)的鋼筋銹蝕相關(guān)[4]。海洋環(huán)境下氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的作用機(jī)理，可以從以下方面加以探討：

1)鈍化膜破壞。水泥水化形成的高堿性環(huán)境會使鋼筋表面發(fā)生鈍化，并形成一層有效防護(hù)鋼筋的致密鈍化膜。Cl-通過微裂縫或孔隙達(dá)到鋼筋表面吸附于鈍化膜處，鈍化膜局部發(fā)生酸化，pH值快速下降致使鈍化膜逐漸出現(xiàn)破壞。

2)構(gòu)成腐蝕電池。Cl-破壞鈍化膜后，局部鋼筋的鐵基體露出，并與鈍化膜完好的部位形成腐蝕電池，即存在電位差。

3)陽極去極化作用。Cl-的存在能夠加速陽極反應(yīng)，并且反應(yīng)過程中起著循環(huán)破壞作用，并未被消耗掉，Cl-充當(dāng)加速鋼筋銹蝕的催化作用，其反應(yīng)過程如圖1所示。

4)導(dǎo)電作用。離子通道為構(gòu)成腐蝕電池的關(guān)鍵要素，在腐蝕電池中Cl-的存在降低了陰、陽級之間的電阻，強(qiáng)化了離子通道使得腐蝕電流效率明顯提高。

圖1 Cl-的去極化作用

一般地，氯離子達(dá)到鋼筋表面的方式有“外滲”和“內(nèi)摻”兩種[5]。其中，“外滲”是指海洋環(huán)境中含有的大量氯鹽經(jīng)混凝土內(nèi)部孔隙或微裂縫達(dá)到鋼筋表明，富集到一定程度后氯離子就會造成鋼筋的銹蝕，為延緩鋼筋的銹蝕必須對氯離子的滲透加以限制，從而保證結(jié)構(gòu)的使用壽命。“內(nèi)摻”是指外加劑、水、集料等混凝土原材料中可能會含有一定量的氯離子或氯化物，混凝土拌制初始就摻入了氯離子，因此為防止鋼筋銹蝕要求混入混凝土中的氯離子不能超過一定的界限值。

1.2 鎂鹽和硫酸鹽腐蝕

海水中的鎂鹽主要是指MgSO4和MgCl2，水泥水化生成的Ca(OH)2可與這些離子發(fā)生以下反應(yīng)，即：

Mgcl2+Ca(OH)2→Cacl2+Mg(OH)2

(1)

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→Mg(OH)2+CaSO4·2H2O

(2)

Ca(OH)2與MgCl2反應(yīng)生成的Ma(OH)2無膠凝能力且松散，其溶解度較低為18mg/L，生成的CaCl2易溶于水，從而降低了水泥漿體的堿度。Ca(OH)2與MgSO4反應(yīng)既生成無膠凝能力且松散的Ma(OH)2，還會生成加速硫酸鹽腐蝕的CaSO4·2H2O，即引起硫酸鹽和鎂鹽的雙重腐蝕。一定的堿度是維持水泥中水化產(chǎn)物穩(wěn)定的必要條件，Ca(OH)2的存在保持水泥漿體的pH值處于12.5-13.5之間，Ca(OH)2的消耗會降低維持水化產(chǎn)物穩(wěn)定的水泥漿體堿度，致使pH值不斷減小，為了維持酸堿度平衡水化硅酸鈣C-S-H等水化產(chǎn)物會分解，水化產(chǎn)物的長期消耗將大大降低水泥石的膠凝性和強(qiáng)度，增大結(jié)構(gòu)的孔隙率甚至引起水泥石破壞。

海水中的SO42-離子濃度能夠達(dá)到2500mg/L-2800mg/L之間，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2會直接與其發(fā)生反應(yīng)生成CaSO4，生成的CaSO4將與單硫型水化硫鋁酸鈣A Fm、水化鋁酸鈣C-A-H反生生成鈣礬石A Ft，即高硫型水化硫鋁酸鈣，其結(jié)構(gòu)式為{Ca6[Al(OH)6]2·24H2O}·(SO4)3·(H2O)2，其中鈣礬石總空間體積的81%被結(jié)構(gòu)水填充，A Ft為體積膨脹2倍-3倍的針棒狀單向生長晶體，已硬化混凝土受繼續(xù)生成的鈣礬石約束而產(chǎn)生能力，并進(jìn)一步引起膨脹性破壞。

2 海洋環(huán)境下混凝土橋梁防護(hù)措施

海洋環(huán)境下混凝土受鎂鹽、硫酸鹽的腐蝕作用比較緩慢，而混凝土橋梁耐久性主要取決于氯離子誘發(fā)的鋼筋銹蝕[7]。因此，為延長海洋環(huán)境下混凝土橋梁的使用壽命，增強(qiáng)其抗環(huán)境腐蝕的能力，可從電化學(xué)防護(hù)、混凝土表面涂層和設(shè)計等角度采取有效的措施。

2.1 電化學(xué)修復(fù)技術(shù)

電化學(xué)防護(hù)主要有新發(fā)展出的雙向滲透法、電滲阻銹法、電沉積修復(fù)法、電化學(xué)除鹽法、外加電流或犧牲陽極的陰極保護(hù)法等。①雙向滲透法：該方法是以電遷移型阻銹劑和電化學(xué)除氮技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而成的新型技術(shù)，其工作原理是混凝土孔隙液及鋼筋表面的氯離子，在外加電場作用下向陽極遷移進(jìn)入電解質(zhì)溶液，而陽離子阻銹劑向陰極遷移，該方法能夠有效降低氯離子濃度，對抑制和修復(fù)鋼筋銹蝕發(fā)揮著顯著作用。②電化學(xué)除鹽法：該方法一般適用于氯離子侵入較多的海工混凝土結(jié)構(gòu)，除鹽法是以鋼筋為陰極，在混凝土表面敷置或買入電解液保持層，將鋼筋網(wǎng)或金屬片設(shè)置于保持層中作為陽極，陰陽極間通直流電流以降低氯鹽含量?；炷林械呢?fù)離子(如氯離子)在外加電場作用下從陰極向陽極遷移，從混凝土中脫離進(jìn)入電解質(zhì)，從而達(dá)到除鹽脫氮的目的。③電沉積法：可在電解質(zhì)中利用電化學(xué)脫鹽的方式，即電場作用下海水中的鈣鎂離子等深入混凝土內(nèi)部，電解質(zhì)中離子與硅酸鹽形成致密的鹽結(jié)晶，從而填充修復(fù)內(nèi)部的縫隙，實(shí)現(xiàn)混凝土的修復(fù)保護(hù)。④外加電流或犧牲陽極陰極保護(hù)法：該方法以陽極網(wǎng)、鑄鐵或活潑金屬為陽極，鋼筋為陰極，外加一定電壓的直流電使鋼筋附近不發(fā)生氧化反應(yīng)，或者用導(dǎo)線連接陰陽極，通過發(fā)生原電池反應(yīng)達(dá)到保護(hù)陰極的目的。

2.2 混凝土表面涂層

表面涂層能夠有效防止Cl-、CO2、水分等有害介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的侵入，一般有聚氨酯/聚脲(SPUA)、有機(jī)硅憎水滲透劑、防腐蝕涂料等防護(hù)材料。①聚氨酯/聚脲(SPUA)：相對于常規(guī)的表面防護(hù)材料其具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如環(huán)境溫濕度適應(yīng)性好、強(qiáng)度高、耐老化、自身柔韌性好等，在混凝土開裂的條件下自身不會發(fā)生斷裂，并且能夠牢固地抓住混凝土起到保護(hù)和防水作用，在實(shí)際工程中的應(yīng)用比較廣泛。②有機(jī)硅憎水滲透劑：目前應(yīng)用效果最好、最廣的防護(hù)劑有烷基/烷氧基硅烷及其改性化合物，結(jié)構(gòu)涂覆表面與荷葉表面相類似，水以水珠的形式出現(xiàn)難以在其表面濕潤，有效防止了氯離子等以水為載體有害介質(zhì)的滲入，發(fā)揮防護(hù)作用。這類防護(hù)劑有不改變混凝土表面效果、處理后保持混凝土透氣性、防護(hù)效果持久、抗紫外線、耐酸堿、滲透性強(qiáng)、防水性好等優(yōu)點(diǎn)，并且不易鼓泡脫落。但也具有易燃、有害或有毒等缺陷，對水環(huán)境造成不利影響，因不能受壓力水的滲透而不能用于水中結(jié)構(gòu)。③防腐蝕涂料：涂料也稱為油漆是最常用橋梁防腐蝕措施，在混凝土表面該涂料能夠形成膜，堵塞混凝土毛細(xì)孔從而達(dá)到隔絕外界物質(zhì)滲透，發(fā)揮混凝土防護(hù)作用。然而，這種涂料使得外界空氣與混凝土之間的交換完全隔絕，易引起混凝土脫落和氣泡；此外，混凝土被覆蓋后，若出現(xiàn)其它缺陷則很難被檢測到，后期維修時涂層的除去也較為困難。所以，在使用過程中需要經(jīng)過多次論證，選擇合適的部位使用。

2.3 橋梁設(shè)計的防護(hù)

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計。為延長氯離子達(dá)到臨界濃度、海洋環(huán)境下氯離子滲入鋼筋表明的時間，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計的層面適當(dāng)增大保護(hù)層厚度。橋梁設(shè)計使用年限為50年時，橋臺、橋墩的保護(hù)層厚度≥45mm，主梁的≥35mm，基礎(chǔ)和承臺的≥65mm；橋梁設(shè)計使用年限為100a時，橋臺、橋墩的保護(hù)層厚度≥50mm，主梁的≥40mm，基礎(chǔ)和承臺的≥70mm。

2)材料設(shè)計。海洋環(huán)境下，以膠凝材料總用量的0.1%作為混入氯離子的界限值，對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)≤0.06%。此外，增強(qiáng)抗?jié)B性和增加密實(shí)度是改善混凝土耐久性的關(guān)鍵。通過使用減水劑、減少水灰比等能夠有效提高其抗?jié)B性和密實(shí)度。混凝土配制所用水泥要符合抗?jié)B性好、抗凍性優(yōu)、耐腐蝕能力強(qiáng)等要求，優(yōu)先選用耐腐蝕性或普通硅酸鹽水泥，一般不考慮快硬硅酸鹽水泥等。為提高混凝土抗?jié)B性應(yīng)合理使用礦物摻合料，如摻入適量的硅粉有利于阻斷毛細(xì)孔，有效減少內(nèi)部空隙；磨細(xì)礦粉的合理使用能夠減少水化熱和水膠比，促使水化產(chǎn)物二次反應(yīng)，明顯降低水泥石孔隙率；將適量阻銹劑摻入混凝土內(nèi)以及選用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋或不銹鋼筋，也可以有效防止鋼筋的銹蝕[7-10]。

3 結(jié) 語

海工混凝土的環(huán)境條件非常嚴(yán)酷，混凝土橋梁的耐腐蝕性能受到海水中氯鹽、鎂鹽、硫酸鹽等高含度有害物質(zhì)的考驗(yàn)。因此，在橋梁設(shè)計中可通過摻入適量的礦物摻合料改善結(jié)構(gòu)的孔隙狀況，摻入阻銹劑增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能，增大混凝土材料密實(shí)度和保護(hù)層厚度提升其抗?jié)B性能。此外，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可選擇合適的電化學(xué)及混凝土表層防護(hù)方法，從而延長海洋環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)的使用壽命。隨著新材料、新技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，未來海工混凝土防護(hù)方法將越來越多，可為海洋環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)的長效安全使用提供重要保障。