混凝土耐久性措施論文

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摘要：在國內海水環境下增強混凝土耐久性措施大致有五種：預應力混凝土、高性能混凝土、內摻鋼筋阻銹劑、涂料涂裝保護、涂層鋼筋等。針對這五種措施增強混凝土耐久性措施，結合工程應用實例對其原理進行了分析，總結出其技術特點，為工程應用提供指導和幫助。

關鍵詞：海水環境混凝土耐久性措施

一、前言

隨著水運工程技術的不斷發展，海水環境中碼頭的耐久性問題越來越受到研究人員的重視和關注。在海港環境中，砼腐蝕破壞主要表現為cl–的滲透導致鋼筋銹脹，進而引起砼開裂加速鋼筋銹蝕。因此，如何提高砼的抗氯離子滲透性，減小砼電通量，已經成為提高砼抗腐蝕能力的關鍵問題[1],[2]。

二、增強混凝土耐久性措施

1．預應力混凝土

預應力混凝土構件能有效地控制裂縫的產生，阻止“先裂后銹”和“銹裂互動”現象的發生和蔓延；且預應力混凝土構件的保護層厚度、配合比、水灰比等參數指標的規范要求均高于其他鋼筋混凝土構件。因此，相對而言，預應力混凝土的質量與耐久性優于其他鋼筋混凝土。但是一旦預應力混凝土構件發生腐蝕與破壞后，由于不能大范圍鑿除已遭氯離子污染的混凝土，所以預應力混凝土構件的可修復程度與修補效果均遠低于其他鋼筋混凝土構件，目前通常采取整個構件更換的方式。例如，在1990年投產的北侖二期集裝箱碼頭5#、6#泊位后方引橋的預應力“T”型梁上，使用12年后亦發現諸多“銹斑”，說明其內部鋼筋已開始銹蝕。可見單憑設計采用預應力混凝土措施，也不能很好的解決防腐蝕耐久性問題，必須多種技術措施并舉，聯合施治，方能達到耐久之目的。

2．高性能混凝土

區別于傳統混凝土，高性能混凝土以耐久性作為首要指標，可有重點地予以保證其耐久性、工作性、強度、體積穩定性以及經濟性等。就海港碼頭工程而言，側重于高性能、抗滲性、體積穩定性、強度與優良的抗沖擊疲勞性等。目前，國內外海工高性能混凝土的研究與應用方興未艾[3]。在荷蘭，對已使用3~63年的64座海工結構（其中90%的結構采用磨細礦渣混凝土）調查發現，結構基本完好，氯離子擴散系數僅為普通混凝土的1/10~1/15。典型事例為東謝爾德擋潮閘工程，其設計使用壽命是250年，80年不維修，其基本防腐措施就是采用水膠比為0.4的大滲量（65%）磨細礦渣混凝土。在英、美、加、日和中東等國家和地區，也都有類似的成功工程應用實例。

在我國，高效減水劑與粉煤灰雙摻技術，分別于1987年應用于廈門高集跨海公路大橋和1997年應用于廈門海滄大橋，在上海南浦大橋、楊浦大橋和黃浦江越江隧道等工程中，也得到了應用。

國內外有關實驗研究和工程實踐證明，養護對高性能混凝土的質量和耐久性十分重要。常溫下養護不夠，對高性能混凝土的質量與耐久性的影響程度有時甚至重于普通混凝土，因此，及時、充分地濕養護是其獲得高強度、低孔隙率和高抗氯離子擴散能力所必不可少的。據此，高性能混凝土十分適合養護條件優良的專業性與預制場制作的構件。而養護條件較差的現場現澆構件，設計采用高性能混凝土時，除了采取調整相應的技術措施外，尚需在現場配備專門的養護設施，確保不間斷濕養護14天～21天。另外高性能混凝土相對于普通混凝土在攪拌時間、震搗、拆模時間上都有區別，因此在高性能混凝土實施前需要根據其特點制定專門的質量控制措施。

3．內摻鋼筋阻銹劑

海工混凝土中鋼筋的腐蝕，事實上是一種電化學腐蝕，其陰、陽極反應都在鋼筋電解質界面上發生，若能阻止其中任何一種界面反應，就能抑制腐蝕。如果某種（或某些）化學物質能夠優先參與并阻止上述兩種或其中一種界面反應，且能長期保持穩定狀態，則用此類化學物質就可有效地阻止鋼筋銹蝕，這種在混凝土拌制過程中摻加少量化學物質（外加劑），通過影響上述界面電化學反應來阻止鋼筋腐蝕的方法是簡便易行的，這種化學物質（外加劑），對鋼筋而言，就是阻銹劑。按阻銹機理，可分為陽極型，陰極型和混合型三類；按材質種類可分為有機類和無機類兩種。以往大規模工程應用的亞硝酸鈣，屬陽極型阻銹劑。苯甲酸鈉、重鉻酸、氯化亞錫等也是陽極型阻銹劑。近來，開發了大量的有機類阻銹劑，以及有機胺鹽類與亞硝酸鈉的復合阻銹劑。

1970年起我國在湛江浪濺區進行了為期10年的鋼筋混凝土試件暴露實驗，發現在水灰比大（0.65）、保護層?。?5mm）的試件中，內摻占水泥用量2%的亞硝酸鈉，可使鋼筋銹積率從89%減少到3.5%，顯示出優良的長期阻銹效果，鉀、鈉的重鉻酸鹽效果亦然。在山東三山島金礦工程和江蘇東臺縣方塘河擋潮閘等工程中，也有早期成功應用的實例。2000年，在粵海通道瓊州海峽鐵路輪渡工程的鋼筋混凝土結構中，成功地使用了GF——01型鋼筋阻銹劑重達近百噸。

由上可見，內摻亞硝酸鈣和復合型亞硝酸鈣鋼筋阻銹劑，是一種經過長期試驗研究和工程實踐的經濟實用的鋼筋保護措施。與預估鋼筋周圍混凝土中氯化物含量相比，通過對實際使用的水泥砂石料和拌合用水的試驗研究，確保小于一定值，就可使鋼筋長期處于鈍態。

但是，當混凝土存在裂縫時，開裂處的鋼筋阻銹劑會否流失，若然，對阻銹效果的影響程度如何？人們對此心存疑慮。Berke用三點加荷法使裂縫寬度為0.25mm的裂縫達到試件的“全裂”與“半裂”，并用空白試件進行了為期30個月的加速試驗，結論是摻亞硝酸鈣的試驗梁中，鋼筋開始腐蝕的時間，是“全裂”的比“半裂”的早；同樣是“全裂”或“半裂”的試驗梁，與不裂的空白試驗件相比，摻亞硝酸鈣可顯著的推遲腐蝕起動時間與腐蝕效率。由此可見，使用亞硝酸鈣類阻銹劑時，首先應控制開裂程度，尤其是對梁類構件的受彎拉區域。因此，宜采用預應力混凝土來控制裂縫的產生與發展，再用鋼筋阻銹劑抑制腐蝕，最后用具有一定彈性的涂層封閉涂裝，以起到協同保護作用。這時，鋼筋阻銹劑起到“拾遺補缺”和“消防隊員”的作用。

同時，未裂試件室內加速浸烘試驗表明，采用高性能混凝土和普通混凝土內摻鋼筋阻銹劑相比，在浸烘16個周期后，鋼筋銹蝕面積率和鋼筋周圍氯離子含量相當，采用鋼筋阻銹劑試件的鋼筋銹蝕失重率是采用高性能混凝土試件的3倍左右，可見，僅靠內摻鋼筋阻銹劑的防腐蝕效果還是有限的。

4．涂料涂裝保護

混凝土表面實施涂料涂裝保護，可阻止或減緩環境介質中氯離子的侵入，也起到裝飾效果。但必須解決涂層中的耐堿性和附著力等兩方面的問題、受陽光直射部位表面的耐光老化問題、以及潮濕表面實施時的濕固化與濕面附著力問題。

底層涂料（封閉漆），應具有低粘度和高滲透能力，能滲透到混凝土內起到封閉孔隙和提高后續涂層附著力的作用，是混凝土表面涂裝保護的關鍵和質量控制步驟。就耐堿性而言，呋喃樹脂優于環氧樹脂，耐堿性好的封閉漆有利于涂層長期附著性能。國內海港碼頭工程中使用涂層保護的工程實例已較多，但尚未很好解決底漆的滲透與附著力問題。早期部分工程在使用幾年后，就出現涂層的析堿、開裂乃至脫落問題。

南京水利科學研究院分別于1997年和1999年，對海軍獺山驅逐艦碼頭約13000m2和北侖港區2.5萬噸級礦石裝船碼頭約1200m2構件表面，實施了FH系列的呋喃改性環氧封閉底漆+環氧煤瀝青中間漆與面漆的涂裝保護。涂層性能檢驗結果表明，涂層附著力（拉開法）≥混凝土本體抗拉強度，通常達到2.0Mpa左右；呋喃改性環氧封閉底漆的滲透深度達1~3mm；抗氯離子滲透試驗表明，未發現任何脫落與開裂現象。

由上可見，海港工程鋼筋混凝土中實施涂料涂裝保護是一種經濟實用的防腐蝕技術措施。但涂裝質量的控制十分關鍵，一旦局部存在各種缺陷與針孔被氯離子突破，則在一定范圍內涂層的封閉保護作用將會喪失。潮濕面涂裝時，設計選材十分關鍵，因為任何一種封閉底漆在干燥面與潮濕面的附著力存在明顯的差別，所以，必要時需輔以其他措施提高構件表面的干燥程度。另外，目前市售涂料品種，均不能有效地克服活動性裂縫，除非是專項設計生產的彈性涂層。因此，實施涂料涂裝的鋼筋混凝土構件，首先必須進行控裂設計，至少達到構件在不同工況條件下，受拉彎區裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護的效果。再者，預制件采取岸上涂裝封閉，則存在吊運安裝過程中局部損壞和現場補口問題；現澆構件則存在減少海水初期污染和涂裝時機問題；此外涂層設計使用年限通常只有10到15年，受陽光直射部位的面漆耐紫外線老化設計年限通常不到10年，屆時，后繼防腐技術措施如何，兩者的匹配性如何等問題，這些在設計或組織實施中，均應充分考慮。

5．涂（鍍）層鋼筋

海水環境中的氯鹽對不受凍地區的素混凝土而言是無害的，腐蝕破壞是通過對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕銹脹實現的。因此，若將鋼筋表面預先實施一層不腐蝕或耐腐蝕的涂（鍍）層來阻擋或隔離氯離子的侵蝕，是最為直接的技術措施，涂鍍層鋼筋目前主要有環氧涂層鋼筋和熱鍍鋅鋼筋兩種。

從1970年起，美國聯邦公路管理局（FHWA）針對撒除冰鹽引起高速公路橋梁異常嚴重的鋼筋腐蝕破壞問題，委托起國家標準局（NSA）的研究人員，經過歷時3年的試驗研究，從56種聚合物涂層中篩選出一種最理想的靜電噴涂環氧粉末涂層鋼筋，又名環氧涂層鋼筋（EBAR）。至1991年，EBAR已占其鋼筋總用量的5%。但在1988年，在腐蝕環境較為惡劣的美國佛羅里達州Keys地區的兩座使用EBAR跨海大橋上，僅使用4~6年就出現了異常嚴重的腐蝕破壞，并進行了專項調查研究。加拿大公路戰略研究計劃對19座采用EBAR結構調查與研究表明，19座結構中，有5座在使用8年就發生了鋼筋腐蝕引起的破壞。其主要原因是涂層質量，尤其是彎曲部位涂層質量問題，以及吊裝儲運過程中局部破損與現場補口問題等。對是否繼續采用EBAR，國際上目前仍有爭議，有的認為不宜使用；但另一些人認為只要提高質量標準，加強全過程監控，仍不失為鹽污染環境中一種提高性能的有效措施。

我國目前已有EBAR的專業廠家，在上海寶鋼所屬的馬跡山礦石中轉碼頭上曾大規模使用，并已制定了相應的規范條款?；谠跀盗魁嫶蟮匿摻罴颁摻罨\的儲運、安裝和綁扎過程中，不允許存在任何隱患與缺陷，否則就會局部顯著的加劇鋼筋腐蝕，最終導致混凝土保護層開裂使EBAR遭受進一步的腐蝕。因此，必須慎用。何況其造價是普通鋼筋的1.5倍以上，再加上專門的長途儲運費用和增加用筋的費用等，其經濟優勢不明顯。再有，在達到設計使用年限后，后繼的修復變得十分困難。

鍍鋅鋼筋作為一種經濟有效的護筋措施，有資料介紹始于二十世紀30年代，但工程實踐表明，處于海洋環境中的結構，并不一定能夠提供長期可靠的保護。鋼筋鍍鋅層有兩種，一種是在不含硅的鋼上迅速冷卻，其表面存在一層有一定厚度的純鋅層，稱為光亮的熱浸鍍鋅層（簡稱光亮鍍鋅層）；另一種是含硅的鋼在熱浸鋅后緩慢冷卻，使純鋅層過多的消耗轉化為ζ鋅/鐵層，使純鋅層很薄，失去光澤，稱為灰鋅鍍層。由于鋅是一種兩性金屬，當pH值小于6或大于13時，都會發生反應而遭腐蝕；在兩值之間時，因鋅腐蝕產物使表面密封而受到保護。鍍鋅鋼筋澆筑到混凝土中后，鋅與混凝土中堿性組份間的反應，在混凝土硬化后就停止。

目前，鍍鋅層的性質及其微觀結構對鍍鋅鋼筋在混凝土中腐蝕行為的影響，已得到了廣泛的研究。結果表明：

為了使鍍鋅層鈍化，表明具有足夠的純鋅儲備是重要的，亦即光亮鍍鋅層的性能明顯優于灰鍍鋅層；

相對而言，鍍鋅層去鈍化的氯離子濃度比普通鋼的高出2.5倍以上；

若混凝土質量較差，環境腐蝕條件惡劣，則整個鍍鋅層在使用期內衰減得很多，壽命很短，不足以提供長期保護的效果。反之，若混凝土質量較高，環境侵蝕性較弱，則鍍鋅層可顯著的提高混凝土結構的使用壽命。

總之，光亮鍍鋅層可延長鋼筋的使用壽命，但在海水環境中，若混凝土質量較差，則作用甚微。

三、幾種方案優缺點比選

不同類型增強混凝土耐久性措施優劣性對比見表1。

表1混凝土耐久性措施對比

方案

優點

缺點

預應力混凝土

施工操作方便,工藝成熟.與普通混凝土比耐久性性較好。

腐蝕破壞后修補困難。

高性能混凝土

1、有一定的技術保障，且有成功實例；

2、混凝土的耐久性顯著提高并具有良好的工作性能；

3、尤其適用于海水環境。

1、對施工場地要求高，必須確保養護時間大于15天；

2、在施工前須做配合比實驗，并做大小樣澆注試驗，需要和一定的人力財力和時間。

阻銹劑

可有效地阻止鋼筋銹蝕

1、增加費用較多；

2、對砼結構要采取一定的限裂措施。

涂料涂裝保護

1、經濟合理；

2、技術成熟；

3、對氯離子滲透起到一定延緩作用。

1、涂料耐久性差；

2、質量控制要求高。

涂層鋼筋

從根本上解決鋼筋防腐大大提高建筑物的使用年限

1、施工要求高，不允許鋼筋涂層出現局部破損，否則會加劇鋼筋局部腐蝕；

2、大大提高工程造價涂層鋼筋是普通鋼筋造價的1.5倍。

四、結語

由上述分析可見，預應力混凝土的防裂性好，高性能混凝土抗氯離子滲透能力強，而內摻鋼筋阻銹劑、采用涂（鍍）層鋼筋和表面涂層方案均有防腐蝕效果及其耐久性不足等局限性。因此，各種防腐蝕技術措施各有特點，適用場合有異，必須針對實際情況，采用多技術措施并舉，聯合施治的方式，方能最大限度的實現科學合理、經濟耐久的防腐蝕耐久性設計。

參考文獻

[1]吳中偉．高性能混凝土（HPC)的發展趨勢與問題．建筑技術1998年．

[2]吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土．中國鐵道出版社．1999年．

[3]孫正平，張冠倫．高性能混凝土的研究．混凝土1996