海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀特征和防护太原

海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀特征和防护

海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀特征和防护 潘琳，吕平，赵铁军，何鹏祥（青岛理工大学士木工程学院， 266033 ） 摘要：论述了海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀特征和防护技术。 关键词：海洋环境；钢筋混凝土；腐蚀；防护 由于长期处于海水、海风等环境中，海工钢筋混凝土通常会遭到腐蚀并破坏，且维修很难甚至有时无法维修。因此，海工混凝土结构的长期防腐是迫切需要解决的问题okmart.com。这对海洋资源的开发、海工构筑物的建设、海军现代化等都有重要意义。 1 海洋腐蚀环境 海水中盐分总量大约在 3 ％，且富含 C l — 、 Mg 2+ 、 SO 4 2 — ，这些离子对混凝土结构有很强的腐蚀作用。同一海工混凝土构筑物的不同部位，由于暴露条件的不同，造成的破坏程度也有轻重之分，如图 1 所示。可见，由于浪溅区和潮差区处于干湿交替的环境中，供氧充 分，海工混凝土腐蚀和钢筋锈蚀特别严重。 2 腐蚀机理 导致海水中混凝土腐蚀的因素主要分为 5 类，即钢筋锈蚀、冻害、化学腐蚀、结晶压力及海洋微生物作用等。 2.1 钢筋锈蚀 Cl — 是造成钢筋锈蚀的主要原因，而海洋环境又富含 Cl — 。 Housmen 等人的试验研究结果表明，在混凝土的液相中，当浓度比值为 Cl — ／ OH — >0.61 时，钢筋开始锈蚀，并以此作为“临界值”。 水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。 Cl — 是极强的去钝化剂， Cl — 吸附于局部钝化膜处，使该处的 pH 值迅速降低，从而破坏钢筋表面钝化膜。铁基体作为阳极受到腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。由于是大阴极对应小阳极，腐蚀速度很快。钢筋锈蚀体积膨胀，可超过原体积的 6 倍，是混凝土开裂的主要原因。 2.2 冻害 在寒冷气候中，海水通常不会结冰，每日两次潮汐作用使得潮差区和浪溅区受到两次冻融循环。混凝土的抗渗性是对抗冻性有很大影响的控制因素。 Mehta 指出，混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。可见冻害也是使混凝土破坏的重要因素。 2.3 化学腐蚀 海洋环境对混凝土的化学腐蚀因素很多，概括起来可分为： Cl — 侵蚀、碳化作用、镁盐侵蚀、硫酸盐侵蚀及碱—骨料反应。 Cl — 侵蚀前面已经介绍了，下面介绍后三种因素。 2.3.1 碳化作用 混凝土的碳化过程是指工程所处环境中的二氧化碳气体，通过混凝土内部孔隙进入混凝土中，与混凝土中的 Ca(OH) 2 发生化学反应，生成 CaCO 3 和水的过程。 混凝土碳化以后， pH 值急剧下降，破坏了钢筋的钝化膜赖以生存的环境。混凝土在海水中碳化并不严重，但在浪溅区则不同，这是由于水下 C0 2 含量不充分的缘故。 2.3.2 镁盐及硫酸盐侵蚀 由于海水渗入，海水中的镁盐、硫酸盐和水泥石中的 Ca(OH) 2 反应生成： (1)Mg(OH) 2 。一种白色松软的不定形物质，会使水泥浆体的结构遭到破坏； (2) 钙矾石 (3CaO · Al 2 0 3 · 3CAS0 4 · 32H 2 0) 。一种针状结晶体，其绝对体积比铝酸钙大，一旦生成可在混凝土内引起很大的内应力，致使混凝土膨胀和开裂； (3) 硅酸镁水化物 (4MgO · SiO 2 · 8H 2 O) 。对硅酸钙水化物的取代反应使混凝土强度下降并变脆； (4) 氯化钙和石膏。可溶于水，造成混凝土的浸析增加，继而强度和质量损失增加。 2.3.3 碱—骨料反应 碱—骨料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生的反应。必备的三个条件是：活性矿物集料 ( 活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土质页岩等 ) 、碱性溶液 (KOH 、 NaOH) 和水。温度、湿度和含盐量对其有促进作用。在海洋中，尤其是热带海洋中的混凝土构筑物，碱一骨料反应不能忽视。 2.4 盐类结晶压力 在多孔结构的混凝土中，过饱和溶液中盐类的结晶压力所产生的应力可达到足以使混凝土开裂和脱落。海水在混凝土中可因毛细作用而上行，蒸发区段一般在水平面以上 (0.3 ～ 0.5)m 。水平构件表面存在的凹凸不平，也会生成盐类结晶。因此，应该充分重视混凝土的表面平整。 2.5 其它因素 2.5.1 气候条件 高温使腐蚀速度加快，能大大缩短钢筋脱钝的时间。南方沿海气温常年较高，有助于腐蚀反应的发生。北方地区温差变化大，冬季气温正负变化，混凝土孔隙内水反复发生冻融循环。 2.5.2 微生物腐蚀 硫杆菌能将硫、硫化硫酸盐、亚硫酸盐等氧化成硫酸盐，最终转化成对混凝土有强腐蚀性的硫酸；硫酸盐还原菌能将硫酸盐还原为强腐蚀性硫化氢，但高 pH 值、高密实度及不易渗透的混凝土对其是免疫的。 另外，流水、波浪侵袭力的磨损与冲刷，加强了腐蚀介质的渗透力量；对于海港码头等构筑物又常会受到船舶冲击；荷载作用下结构的应力状态给腐蚀破坏创造了方便的条件。 3 防护措施 3.1 钢筋锈蚀的防护 3.1.1 提高混凝土的保护层厚度和抗蚀能力 (1) 保护层 保护层是防止钢筋锈蚀的第一道屏障，必须有足够的厚度，海工混凝土应该适当加大其保护层厚度。规范规定一般在 50mm 以上。 (2) 阻锈剂 在拌制混凝土时加入阻锈剂可提高混凝土的抗蚀能力。迁移型阻锈剂是近年来提出的全新概念，它可外涂，虽然不如内掺效果好，但它迁移到钢筋表面的这种性能是有重要意义的。迁移型阻锈剂并不降低混凝土的力学性能：和易性、吸水性等物理性能没有任何改变；相反可以提高混凝土的高温 ( 可达 60 ℃ ) 拉伸强度、弯曲强度。电化学研究表明，迁移型阻锈剂可显著降低腐蚀速度，且这种作用对低强混凝土比对高强混凝土更明显。 3.1.2 钢筋的表面防护 钢筋的表面防护可分为金属的表面防护和非金属的表面防护。镀锌是常用的金属表面防护措施。它既可以使钢筋和外界环境隔离，又可起到牺牲阳极的保护作用。非金属表面防护主要有环氧和聚合体树脂等。 3.1.3 电化学保护法 电化学保护法是使金属极化到免疫区或钝化区而得到保护，可分为阴极保护和阳极保护法。阴极保护法是一种经济而有效的防护措施，使用范围日益广泛，特别是在对使用年限有要求的海工构筑物中。阴极保护法又可分为牺牲阳极和外加电流法。将被保护的金属设备与外加直流电源的正极相连，在腐蚀介质中使其阳极极化到稳定的钝化区，金属设备得到保护，这种方法称为阳极保护法。这是一种较新的防护技术，目前已取得了很好的效果。 3.1.4 选用耐腐蚀的钢材 选用不锈钢筋是国外的一种发展趋势。这种钢筋的价格是普通碳素钢的 (4 ～ 6) 倍，但它长期的耐腐蚀性足以补偿初期投入的成本。无论混凝土种类和暴露状态，采用这种钢筋的混凝土保护层厚度可降低到 30mm ；裂缝宽度允许值放宽到 0.3mm ；并不需要对不锈钢筋进 行硅处理。国外有研究表明，不锈钢筋不需任何维护，在及其恶劣的海洋腐蚀环境中，可达到 60 年不损坏。 3.2 混凝土的防护 3.2.1 提高混凝土的密实度和抗渗性 密实度高，表示其允许环境水渗入的孔隙少，混凝土与环境水接触的面积小，因而混凝土的抗渗性强，对海水的抗蚀能力强。严格控制混凝土浇注时的水灰比，是控制混凝土孔隙率最有效的技术措施。加入适量减水剂、膨胀剂可改善混凝土的抗蚀能力。减水剂可在不改变和易性的情况下，减少用水量；膨胀剂可避免混凝土干缩时产生裂纹。 3.2.2 选用抗腐蚀能力强的水泥 配制海工混凝土的水泥要求耐腐蚀能力强、抗冻融性好、水化热低， C 3A 的含量最好能降至 5 ％以下。应优先选用普通硅酸盐水泥或其他耐腐蚀水泥，而不采用快硬硅酸盐水泥等。掺有高炉矿渣、火山灰、粉煤灰、硅藻土等活性熟料可有效阻止腐蚀性离子向混凝土内部渗透。 3.2.3 混凝土表面涂覆防护 (1) 常用的海工混凝土防腐涂料 目前广泛应用的海工防腐涂料有环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂及氯化橡胶等，它们都有优良的防腐性能。然而，这些涂料使用有机溶剂，污染环境，危害人体健康，氯化橡胶甚至已被国际组织禁止生产。 (2) 海工混凝土防腐涂料发展趋势 随着世界各国环保法规的确立和环保意识的增强，出现了许多有发展前景的高性能、环保型新涂料新技术。 ①纤维增强材料 纤维织物用粘接材料 ( 环氧树脂或乙烯醇树脂 ) 粘贴于结构表面，利用纤维良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度，以达到对结构及构件加固补强的目的。目前流行碳纤维加固修补混凝土技术，但施工复杂，在修复措施中成本最高。 ②渗透型保护材料 有机硅等渗透型保护材料喷涂在混凝土表面后能渗入混凝土毛细孔中，形成一定厚度的填充封闭层，可提高混凝土的密实度，防止内部钢筋锈蚀。但这种材料无弹性和韧性，使用前必须严格表面处理。 ③喷涂无溶剂聚脲弹性体技术 ( 简称 SPUA) SPUA 是国外近十年来刚刚兴起的一种新型绿色材料。 SPUA 具有优异的综合力学性能；耐候性好，耐冷、热冲击，对湿度和温度不敏感；它还可以加入各种颜料制成不同颜色制品，可掺入其它填料如短玻璃丝纤维等对材料进行增强；快速喷涂、现场固化。然而国内产品价格比同类产品贵。对于大型维护工程来说， SPUA 材料性能优异和施工高效，从长期效益看，很容易弥补原料的高成本。 4 结语 海水对混凝土构筑物有非常强的腐蚀作用。海工混凝土的防腐问题比强度要求更为重要。可以从以下两个方面来考虑综合防护措施，达到更好的防护效果。 (1)

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