盐渍土环境下混凝土结构耐久性措施

盐渍土环境下混凝土结构耐久性措施

　　摘 要：盐渍土和海水都含有氯离子(Cl-)，是影响砼结构耐久性降低的根本原因。本文根据建设工程应用实际，分析其腐蚀原因并提出预防处理措施。

　　关键词：盐渍土;结构耐久性;钢筋锈蚀;高性能混凝土;钢筋阻锈;保护层厚度

　　盐渍土和海水一样内含的氯离子(Cl-)是影响砼结构耐久性的根本原因。砼中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，首先是盐渍土及海水中Cl-侵蚀，其次是大气中的CO2使砼产生中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，盐渍土和海水环境下导致砼结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl-进入砼中，并在钢筋表面聚集，导致钢筋产生电化学腐蚀。盐渍土和海水通常含有3%的盐，其中主要成分是氯离子。以Cl-计，盐渍土和海水中的含量约为19000mg/L左右。

　　1、氯离子对钢筋的锈蚀

　　Cl-进入砼中通常有两种途径：①“混入”，如施工时掺用含氯离子外加剂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制和浇筑砼等;②“渗入”，环境中的氯离子通过砼的宏观、微观缺陷渗入到砼中，并通过长期渗透到达钢筋表面。“混入”现象大都是施工管理的问题;而“渗入”现象则是砼表面裂缝等技术问题，与砼材料的多孔性、密实性、工程质量以及钢筋表面砼保护层厚度，使用现场环境等多种因素相关。

　　1.1 破坏钢筋表面钝化膜，水泥水化的高碱性使砼内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当pH<11.5时，膜层就开始不稳定;当pH<9.88时该钝化膜生成困难，或将已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl-是极强的去钝化剂，Cl-进入砼到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，可使钢筋表面pH值降低到4以下，从而破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋表面逐渐产生腐蚀。

　　1.2 钢筋表面逐渐形成腐蚀电池，如果在大面积的钢筋表面上形成高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀性腐蚀，但是在不均质的砼中，常见的是局部坑状腐蚀。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阴极，蚀坑发展迅速很快。

　　1.3 加速了去极化作用，Cl-不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。砼中Cl-的存在强化了离子通道，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程，使钢筋承载力大幅度下降。

　　2、提高砼耐久性的技术措施

　　2.1 结构采用高性能混凝土。现今高性能砼以耐久性作为首要指标，就盐渍土及海水工程而言，侧重于高性能、抗渗性、体积稳定性、强度等。目前，国内外在盐渍土工程采用高性能砼的研究与应用极其重视。如荷兰，对已使用3～63年的64座海工结构(其中90%的结构采用磨细矿渣砼)调查发现，结构基本完好，氯离子扩散系数仅为普通砼的1/10～1/15。典型事例为东谢尔德挡潮闸工程，其设计使用寿命是250年，80年不维修，其基本防腐措施就是采用水胶比为0.4的大掺量(65% )磨细矿渣混凝土。在英、美、加、日和中东等国家和地区，也都有类似的成功工程应用实例。

　　国内外有关实验研究和工程实践证明，养护对高性能砼的质量和耐久性十分重要。常温下养护不够，对高性能砼的质量与耐久性的影响程度有时甚至高于普通砼。因此，及时、充分的湿养护是使其获得高强度、低孔隙率和高抗氯离子扩散能力所必不可少的。另外高性能砼相对于普通砼在搅拌时间、振捣、拆模时间上都有区别。因此在高性能砼实施前需要根据其特点制定专门的质量控制措施，不能按常规砼的方法搅拌、施工和养护。

　　2.2 钢筋要经阻锈剂处理。盐渍土及海水砼中钢筋的腐蚀，其实也是一种电化学腐蚀，其阴、阳极反应都在钢筋与电解质界面上发生。若能阻止其中任何一种界面反应，就能抑制腐蚀。使用阻锈剂时，首先应控制开裂程度，尤其是对梁类构件的受弯拉区域。因此，宜采用高性能砼来控制裂缝的产生与发展，再用钢筋阻锈剂抑制腐蚀，最后用具有一定弹性的涂层封闭涂装，以起到协同保护作用。这样钢筋阻锈剂起到“拾遗补缺”的作用，有效地阻止钢筋腐蚀发生，从而延长钢筋砼的使用耐久寿命。

　　2.3 涂料涂刷结构表面层保护。海洋工程钢筋砼中实施涂料涂装保护是一种经济实用的防腐蚀技术措施。但涂装质量的控制十分关键，一旦局部存在各种缺陷与针孔被氯离子突破，则在一定范围内涂层的封闭保护作用将会丧失。因此，实施涂料涂装的钢筋混凝土构件，首先必须进行控裂设计，至少达到构件在不同工况条件下受拉弯区裂缝的缝宽基本不变，以确保涂层保护的效果。完好的砼保护涂层具有阻挡腐蚀性介质与砼表面的接触特点，从而延长砼和钢筋混凝土的使用寿命。

　　同时对钢筋进行涂层处理，由于海水环境中的氯盐对不受冻地区的素砼是无害的，腐蚀破坏是通过对钢筋砼结构中钢筋的腐蚀锈胀实现的。因此，若将钢筋表面预先施加一层不腐蚀或耐腐蚀的涂层来阻挡或隔离氯离子的侵蚀，是最为直接的技术措施。环氧涂层钢筋是在严格控制的钢厂流水线上涂覆的，可以保证涂层高质量。涂层可以将钢筋与周围的砼完全隔开，即使氯离子和氧气等已经大量侵入砼，它还是可以长期保护钢筋，使钢筋免遭腐蚀。环氧涂层钢筋的储运、安装和绑扎过程中，不允许存在任何隐患与缺陷，否则就会局部显著地加剧钢筋腐蚀，最终导致混凝土保护层开裂使环氧涂层钢筋遭受腐蚀。因此须慎重使用。

　　2.4 增加混凝土保护层厚度。增加砼保护层厚度，这是提高劣质土及海洋工程钢筋砼使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能无限制地增加。当保护层厚度过厚时，砼材料本身的脆性和收缩会导致砼保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用，在正常情况下接触盐渍土或海水的结构件保护层厚度不小于40mm为宜。

　　3、上述方案优缺点比较

　　不同处理方法措施增强砼耐久性优劣升的对比见表1。

　　4、高性能混凝土的质量保证措施

　　为确保混凝土结构耐久性的目标，须从三大环节进行控制：

　　4.1 切实在了解工程背景、使用环境以及砼材料在盐渍土及海水环境中的性能特点的基础上，必须进行质量控制与使用评估，通过对材料性能的试验研究，建立砼结构耐久性设计的数据和依据，并预测砼结构的实际使用性能及影响程度。

　　4.2 充分考虑各种可变因素对钢筋砼结构使用寿命的影响，如环境条件及温度、砼内应力、裂缝等，以建立使用寿命预测系统，为耐久性方案的设计提供指导和依据。再以使用寿命预测系统为基础，制定有针对性的耐久性解决方案。

　　4.3 在质量控制与评估过程中，方案的实施过程是如何控制各个方面的质量以及如何对已完成部分的质量进行评估，需要确立各种质量控制措施和实施标准，建立各种性能试验的评价体系，保证混凝土性能符合方案设计要求。在实际施工过程中，质量控制与评估将是重中之重。相对普通砼的质量控制而言，高性能砼施工质量控制主要涉及原材料选择质量、配合比、拌和时间、施工工艺过程、保护层厚度控制、养护方法等方面，其重点和难点在于保护层厚度和养护措施等。首先高性能砼保护层垫块采用变形多面体形式，工程塑料夹或用高性能细石砼预制，垫块材料的强度及抗渗透性均不低于本体高性能砼的标准强度。其次，对高性能砼的表面砼由于阳光直射，温度较高产生温差过大的现象，同时由于风速较大也容易造成砼表面失水过快，促使砼表面收缩较大而导致砼开裂。为此，在工程实际施工过程中，砼浇筑完毕后即将表面尽快收压平整，在常温下立即加盖塑料薄膜以保证湿温度不散失。

　　5、氯离子浸蚀工程混凝土耐久性对策

　　根据以上浅要分析，从使用材质本身的性能出发，对主因和导因对症施治，在处于海水环境的砼梁、板、墙、柱采用强度不低于42.5MPa的硅酸盐水泥，要求水泥中C3A含量不超过8%，水泥细度不超过350m2/kg，游离氧化钙不超过5%。强度等级为C40时，最大水灰比为0.45，最小水泥用量320kg/m3，最大碱含量3kg/m3，最大氯离子含量0.1%。添加了有机胺盐类与亚硝酸钠的复合阻锈剂，并辅助JS复合材料。为保证砼的均匀性，搅拌砼采用卧轴式搅拌机，泵送砼的坍落度不能过大，以避免离析和泌水。要求在混合使用膨胀剂、阻锈剂及其他防腐剂时，应事先专门测定它们之间的相容性，严格控制外加剂中的氯离子含量不得大于砼中胶凝材料总重的0.02%。砼保护层为50mm，保护层定位采用工程塑料夹，垫块的尺寸和形状必须满足保护层厚度和定位的允差要求，垫块的强度应高于构件本体砼，水胶比不大于0.4。

　　施工浇筑砼前，应仔细检查定位夹，并应指定专人做重复性检查以提高保护层厚度尺寸的施工质量保证率。绑扎垫块和钢筋的铁丝头不得伸入保护层内。在新浇砼表面应及时浇水或覆盖湿麻袋进行养护，在砼升温阶段采用喷雾养护，确保搭接处的密封，保证模板连接缝处不至于失水干燥。与海水接触框架柱的受力纵筋采用环氧树脂涂层钢筋。应用实践表明，采用高性能砼是在盐渍土及海水环境下提高结构耐久性的基本措施，然后根据不同构件和部位，提高钢筋保护层厚度(一般不小于50mm)，某些部位还可复合采用保护涂层或阻锈剂等辅助措施，形成以高性能海工砼为基础的综合防护策略，有效提高海工砼结构的使用寿命。因此，设计遵循的基本方案是：首先，砼结构耐久性基本措施是采用高性能砼，同时依据砼构件所处结构部位及使用环境条件，采用必要的补充防腐措施，如内掺钢筋阻锈剂、砼外保护涂层并提出养护要求等。在保证施工质量和原材料品质的前提下，使盐渍土及海水中的砼结构的耐久性达到设计要求。

　　综上所述，盐渍土及海水中结构砼耐久性的首要因素是砼的Cl-渗透方式及速度。针对这一具体情况，并考虑当地所处的环境实际情况―如原材料的可行性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性，采取以高性能砼技术为核心的综合耐久性对策和方案。确保工程实际使用中技术水平的提高，施工措施和质量保证措施以保证在恶劣环境下砼构件的设计达到使用年限。

　　参考文献：

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