導(dǎo)語：氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

混凝土結(jié)構(gòu)得益于取材容易、組成材料可發(fā)揮各自的力學(xué)性能、具有較好的可塑性和整體性的特點(diǎn)，在土木工程中應(yīng)用廣泛，是重要的結(jié)構(gòu)形式。但在應(yīng)對(duì)海洋氯離子環(huán)境時(shí)，很多混凝土結(jié)構(gòu)在未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就發(fā)生了耐久性破壞，發(fā)生氯離子作用下鋼筋銹蝕、混凝土開裂脫落等現(xiàn)象，維修中會(huì)產(chǎn)生高額的費(fèi)用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)消耗。海洋占據(jù)地球表面約71%的表面積，具有豐富的自然資源待人類開發(fā)利用。我國大陸海岸線長度約1.8×104km，海岸線總長度居世界第7位，沿海各省、市、自治區(qū)建設(shè)了大量的海洋工程項(xiàng)目，包括圍海工程、海港工程、海岸防護(hù)工程沿海潮汐發(fā)電工程等。這些項(xiàng)目中混凝土結(jié)構(gòu)被大量的應(yīng)用，如混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低導(dǎo)致事故發(fā)生，將對(duì)國家經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，海洋工程結(jié)構(gòu)耐久性問題不容忽視。

海洋環(huán)境氯化物分布

海水中的氯化物海水富含鹽分，鈉、鎂等陽離子是巖石被侵蝕由河流攜帶入海，氯離子、硫酸根等陰離子由海底熱液噴口或火山噴發(fā)通過降水入海，各離子的含量遵循定比定律，化學(xué)組成和重量見圖1。世界海水的平均鹽度約為35‰（即每1000g海水約含鹽35g），各地海水中所含化學(xué)成分基本相同，以氯化物為主，超過總鹽量的90％，見圖2。天然海水的化學(xué)組成基本保持恒定，但個(gè)別區(qū)域海水中不同離子的比例會(huì)存在微小變化，如在沿岸、熱液噴口，以及河流入?？谖恢?，在海洋中生活的海洋生物活動(dòng)也將會(huì)間接影響采樣處離子的微小變化。鹽度隨季節(jié)、緯度和觀測位置不同將有所變化。受到季風(fēng)的影響，我國四大海域的鹽度略低于世界大洋的平均鹽度，但相差不大。海洋工程多裸露在海洋表層，表層海洋水溫對(duì)海洋工程產(chǎn)生影響。開闊海洋的年平均水溫，在緯度為0°（赤道）約為26℃，緯度20°處約為23℃，緯度40°處的約為14℃，緯度60°處約為1℃，詳見圖3。除極地海域，海水溫度隨著深度增加而降低，深度范圍在370m~730m之間，海水溫度下降較為明顯，但是超過這個(gè)區(qū)域之后，海水溫度下降表現(xiàn)就變得極為緩慢，或者保持不變。深度范圍在900m~1450m以下時(shí)，海水溫度降低幅度幾乎難以發(fā)覺。近海大氣中的氯化物海洋環(huán)境中的大氣內(nèi)中含由鹽霧，鹽霧的組成和海水中的鹽分組成相似，氯化物占據(jù)主要地位。在海風(fēng)、引潮力、地球自轉(zhuǎn)等作用下，海水被不斷擾動(dòng)形成洋流和海浪，海浪和海岸在拍擊下產(chǎn)生大量飛沫在空氣中破碎，分解成尺寸在0.1μm~20μm之間的微小霧滴，在引力作用下體積較大的霧滴快速回落到海面，而體積較小的霧滴可被海風(fēng)吹落到較遠(yuǎn)的地方。海水中的鹽分被夾帶在霧滴中，這些有鹽分的小霧滴形成的鹽霧，并在重力作用下不斷下降，沉落到近海陸地上，覆蓋或吸附到地面和建筑上。雖然大氣中鹽霧含量是多方面的原因造成的，風(fēng)向、風(fēng)速、濕度和溫度將對(duì)鹽霧的產(chǎn)生造成影響；鹽霧在海風(fēng)攜帶漂移到近海區(qū)域的過程中，海岸地貌、植被分布和離海距離等自然條件也將對(duì)海風(fēng)攜帶能力影響產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)表明空氣中鹽霧含量和鹽霧沉降量與測點(diǎn)距離海岸的遠(yuǎn)近有關(guān)。武海榮等通過繪制氯離子沉降量和離海距離圖，得到氯離子沉降量趨勢，氯離子在距離海岸在0~300m的范圍內(nèi)沉降量降幅明顯，離海岸超過400m以后氯離子沉降量趨于平緩。氯化物對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響海洋工程因長期受到海水和鹽霧作用，將在建筑表面積聚大量的氯離子，混凝土由膠凝材料、細(xì)骨料和粗骨料組成，是一種非勻質(zhì)的材料，內(nèi)部存在孔隙和裂縫，氯離子可由混凝土表層向內(nèi)部侵蝕。氯離子在混凝土內(nèi)部的侵蝕過程非常復(fù)雜，是帶電粒子在多孔介質(zhì)的孔隙液中傳質(zhì)的過程，侵蝕深度和混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度、外部水壓和混凝土內(nèi)部電場分布有關(guān)，并發(fā)生一系列的物理、化學(xué)作用，包括擴(kuò)散、電遷移和對(duì)流等。高溫環(huán)境將加快氯離子向混凝土內(nèi)部的侵蝕速率。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氯離子在鋼筋表面達(dá)到閾值時(shí)，將破壞混凝土內(nèi)部鋼筋鈍化層，導(dǎo)致的鋼筋發(fā)生銹蝕，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：鋼筋產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物體積遠(yuǎn)大于Fe，體積的膨脹會(huì)致使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，將導(dǎo)致混凝土表層開裂、脫落，混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞。氯離子在反應(yīng)過程中基本不被消耗，但可以不斷催化反應(yīng)的進(jìn)行。鋼筋被銹蝕，工作性將發(fā)生退化現(xiàn)象，最終將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失效，見圖4。鋼筋銹蝕導(dǎo)致力學(xué)性能劣化在氯離子的影響下，鋼筋發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致鋼筋外層的鐵元素被氧化，不但削減鋼筋有效截面面積，還會(huì)影響鋼筋的力學(xué)性能，張偉平等對(duì)267根銹蝕鋼筋試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，指出隨著銹蝕的發(fā)展，鋼筋的主要力學(xué)指標(biāo)屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生退化，伸長率也會(huì)降低，屈服階段不明顯，甚至屈服平臺(tái)消失。鋼筋銹蝕后，在受拉破壞時(shí)斷裂面整齊，頸縮現(xiàn)象表現(xiàn)不明顯，部分鋼筋發(fā)生脆性破壞。曲福來等采用通電加速銹蝕試驗(yàn)，表明隨著銹蝕率的增加，直徑較小的光圓鋼筋在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上無屈服平臺(tái)，帶肋鋼筋也會(huì)隨著銹蝕率的增加屈服平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)縮短或者消失現(xiàn)象。混凝土內(nèi)部的鋼筋沿著長度方向和截面朝向不同會(huì)產(chǎn)生不均勻銹蝕現(xiàn)象，這與混凝土內(nèi)部孔隙分布不均勻，以及氯離子侵入路徑差異和氧、水供供給情況有一定關(guān)系。銹蝕鋼筋導(dǎo)致黏結(jié)力降低混凝土結(jié)構(gòu)受力時(shí)將發(fā)生變形，由于材料變形能力不同，鋼筋與混凝土之間將產(chǎn)生剪應(yīng)力（也稱黏結(jié)力），在受力狀態(tài)下鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力由三部分構(gòu)成：第一部分是水泥漿硬化在鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的化學(xué)膠結(jié)力，與圖3天然海水溫度水泥強(qiáng)度和配合比有關(guān)；第二部分是混凝土凝固因收縮緊緊握裹鋼筋而產(chǎn)生摩阻力，摩阻力大小與接觸面的粗糙度大小有關(guān)；第三部分是鋼筋表面因凹凸不平和混凝土接觸產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，與鋼筋表面肋紋有關(guān)。相關(guān)文獻(xiàn)指出表明光圓鋼筋的主要黏結(jié)力由膠結(jié)力和摩阻力組成，而帶肋鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力主要來自機(jī)械咬合力。當(dāng)混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕，鋼筋與混凝土之間因產(chǎn)生的鐵銹層會(huì)使鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力降低和摩擦系數(shù)下降，鋼筋表面的銹蝕產(chǎn)物因體積膨脹會(huì)引起混凝土保護(hù)層的開裂和破壞，隨之鋼筋和混凝土之間的咬合力會(huì)下滑甚至消失，在這些因素的共同作用下，會(huì)使鋼筋與混凝土間的黏結(jié)力下降。在這種情況下，鋼筋和混凝土共同工作的基本條件喪失，混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)下降。如構(gòu)件承擔(dān)的荷載保持不變，混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)破壞，更甚者會(huì)造成嚴(yán)重坍塌事故。

海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)

近海和海洋環(huán)境作用等級(jí)依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，相關(guān)文獻(xiàn)將近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境定為Ⅲ類別，環(huán)境條件包括了水下區(qū)、大氣區(qū)、潮汐和浪濺區(qū)（非炎熱地區(qū)）、潮汐和浪濺區(qū)（炎熱潮濕地區(qū)）和海土區(qū)5個(gè)區(qū)域。這5個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的環(huán)境作用等級(jí)包括了D級(jí)別（嚴(yán)重）、E級(jí)別（非常嚴(yán)重）和F級(jí)別（極端嚴(yán)重），詳見表1。在對(duì)環(huán)境作用等級(jí)為D、E和F級(jí)別的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)維中，應(yīng)綜合考慮混凝土材料構(gòu)成、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、裂縫控制要求、施工工藝以及制定使用階段定期檢查制度和有效的維護(hù)方式，對(duì)環(huán)境作用極端嚴(yán)重F級(jí)別應(yīng)增加有效的防腐蝕附加措施等綜合技術(shù)方式提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，避免出現(xiàn)過早的結(jié)構(gòu)失效。

防止氯離子侵蝕措施

氯離子具有較強(qiáng)的侵蝕能力，當(dāng)從外部環(huán)境中侵入混凝土內(nèi)部氯離子濃度升高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部環(huán)境pH值降低，混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境將被破壞。游離狀態(tài)的氯離子持續(xù)向混凝土內(nèi)部侵蝕，當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼筋表面時(shí)將誘發(fā)鋼筋發(fā)生銹蝕，引起材料性能的劣化，混凝土結(jié)構(gòu)承載能力下降，耐久性受到嚴(yán)重影響。為降低氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，減少從外部環(huán)境進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氯離子數(shù)量是有效的防護(hù)手段；同時(shí)還應(yīng)采用提高混凝土結(jié)構(gòu)抵抗氯離子擴(kuò)散能力措施。在海洋環(huán)境中工作的混凝土結(jié)構(gòu)還應(yīng)盡可能使用有利于阻擋和減輕氯離子侵蝕作用的建筑形式，采用具有較好的工作性能和抗裂性能的高性能混凝土材料。提高混凝土結(jié)構(gòu)抵御氯離子擴(kuò)散能力可以通過提高混凝土密實(shí)性、限制和降低水膠比等方式實(shí)現(xiàn)。在混凝土中加入摻入降低氯離子傳輸速率的外加劑和增加保護(hù)層厚度也具有顯著增加氯離子到達(dá)鋼筋表面的時(shí)長的作用，具有提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目的。在混凝土配制過程中適量的使用摻合料可以有效改善高性能混凝土的工作能力，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，常見的摻合料包括硅灰、粉煤灰等。宋萬萬等研究指出在混凝土中復(fù)摻適量的礦物摻合料可以顯著提升高性能混凝土的使用壽命。添加的摻合料要適度，石新波指出通過單摻和復(fù)摻礦物摻合料，都具有實(shí)現(xiàn)混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的改變的作用，但隨著摻合料添加比例的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均會(huì)出現(xiàn)先降低后升高的趨勢。因此選擇合適的摻合料類型和添加比例可改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，試驗(yàn)表明復(fù)合礦物摻合料對(duì)降低混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)優(yōu)于單摻粉煤灰或礦粉，粉煤灰的最佳摻量為20%，S95級(jí)礦粉最佳摻量為30%，復(fù)摻量為40%時(shí)達(dá)到最低值。林鑫源等通過研究表明摻入陰極型阻銹劑可在混凝土內(nèi)部鋼筋表面形成致密的吸附膜，鋼筋的阻銹性能得到明顯提高，后期的阻銹效果也有較好的保障。對(duì)于在環(huán)境作用等級(jí)為D、E、F級(jí)別的重要建筑物應(yīng)按需設(shè)置防腐附加措施，可以采用混凝土表面涂層、硅烷浸漬和環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的方式實(shí)現(xiàn)?；炷帘砻嫱繉硬牧鲜且环N化學(xué)復(fù)合材料，在混凝土表面形成保護(hù)膜屏蔽氯離子和其他腐蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部。劉芳等通過實(shí)驗(yàn)證明涂刷了表面涂層的混凝土試件具有顯著的抵抗氯離子侵蝕的能力，同時(shí)指出不同的涂層有合理的涂刷遍數(shù)，在選擇涂層材料時(shí)還應(yīng)注意環(huán)保問題。硅烷系液態(tài)憎水劑可滲入混凝土毛細(xì)孔中，可以與已水化的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使毛細(xì)孔壁憎水化，有效地阻止水分和攜帶物滲入混凝土中。李克非等研究表明硅烷浸漬處理可有效減緩混凝土表面與液態(tài)水的傳輸能力。環(huán)氧涂層鋼筋是通過連續(xù)噴涂工藝將環(huán)氧涂層緊緊包裹鋼筋，使鋼筋被隔離，保護(hù)鋼筋不被銹蝕，是一種防止混凝土內(nèi)部鋼筋遭受侵蝕介質(zhì)污染的方法，在海洋工程上應(yīng)用廣泛。池商林指出環(huán)氧樹脂涂層鋼筋能夠有效地防止鋼筋銹蝕，能有效降低結(jié)構(gòu)物后期的維護(hù)費(fèi)用，并延長建筑物的使用壽命。

技術(shù)總結(jié)

混凝土結(jié)構(gòu)在海洋工程中應(yīng)用廣泛，但是海洋環(huán)境下存在大量的氯離子將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過早的發(fā)生破壞，表現(xiàn)為鋼筋銹蝕、混凝土開裂、混凝土保護(hù)層脫落，甚至出現(xiàn)更為嚴(yán)重的工程事故。為提高混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下耐久性，可通過提高混凝土抵抗氯離子擴(kuò)散能力和降低氯離子在混凝土表面的附著濃度兩個(gè)方面進(jìn)行。提高混凝土密實(shí)度、降低水灰比、使用阻銹劑和使用復(fù)合摻合料的方式可以有效地降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。通過涂裝混凝土外表面涂層和硅烷浸漬可以起到隔離氯離子侵蝕混凝土的作用，起到一定防護(hù)效果。環(huán)氧樹脂鋼筋也可以有效地提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，延長使用壽命。

作者：黃楊 羅坤杰 覃麗菲