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摘要：總結(jié)了2005年為“成都虎豹海洋世界”譴計(jì)中海水環(huán)境中混凝土耐久性問題，考察了新加坡圣淘沙的海底世界，青島水族館、瑚南海底世界．并翻閱收集了國(guó)內(nèi)外大量資料，就海水中混凝土耐久性技術(shù)措施進(jìn)行7設(shè)計(jì)分析探討，為設(shè)計(jì)人員在相似設(shè)計(jì)中提供參考。...

海水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)探析

劉書整

(成都市建筑設(shè)計(jì)研究院，四川成都610015)

1.海水環(huán)境

    海水的氯離子(Cl)是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一�；炷�土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)．一是海水中Cl侵蝕，二是大氣中的C02使混凝土中性化。國(guó)內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海水環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl進(jìn)入混凝土中，并在鋼筋表面聚集，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。海水通常含有3％的鹽．其中主要是氯離子。以cl為計(jì)，海水中的含量約為19000mg／L。

2.氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕

    口進(jìn)入混凝土中通常有兩種途徑：其一是“混入”，如摻用含氯離子外加劑、施工用水含氯離子，在古鹽環(huán)境中拌制、澆筑混凝土等；其二是“滲入”，環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀，微觀缺陷滲入到混凝土中，并到達(dá)鋼筋表面。“混人”現(xiàn)象大都是施工管理的問題；而“滲入”現(xiàn)象則是綜合技術(shù)的問題，與混凝土材料多孔性、密實(shí)性、工程質(zhì)量以及鋼筋表面混凝土層厚度等多種因素有關(guān)。

    2.1破壞鈍化膜

    水泥水化的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當(dāng)pH<11.5時(shí)，就開始不穩(wěn)定；當(dāng)pH<9.88時(shí)該鈍化膜生成困難或已經(jīng)生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl。是極強(qiáng)的去鈍化劑．Cl進(jìn)^混凝土到達(dá)鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時(shí)，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。

    2.2形成腐蝕電池

    如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕，但是在不均質(zhì)的混凝土中，常見的是局部腐蝕。腐蝕電池作用的結(jié)果是，在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，由于大陰極對(duì)應(yīng)于��；陰極，蝕坑發(fā)展十分迅速。

    2.3去極化作用

    Cl不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池．而且加速了電池的作用�；炷�土中Cl的存在強(qiáng)化了離子道路，降低了陰陽(yáng)極之間的歐姆電阻，提高丁腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。

3.提高海水混凝土耐久性的技術(shù)措施

    3.1高性能混凝土

    高性能混凝土以耐久性作為首要指標(biāo)，就海水工程而言，側(cè)重于高性能、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性、強(qiáng)度等。目前，國(guó)內(nèi)外海工高性能混凝土的研究與應(yīng)用方興未艾。在荷蘭，對(duì)已使用3～63年的64座海工站掏(其中90％的結(jié)構(gòu)采用磨細(xì)礦渣混凝土)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)基本完好．氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為普通混凝土的l／10—1／15、典型事例為東謝爾德?lián)醭遍l工程．其設(shè)計(jì)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的大摻量(65％)磨細(xì)礦渣混凝上c在英、美、加、日和中東等國(guó)家和地區(qū)．也都有類似的成功工程應(yīng)用實(shí)例。

    國(guó)內(nèi)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，養(yǎng)護(hù)對(duì)高性能混凝土的質(zhì)量和耐久性十分重要。常溫下養(yǎng)護(hù)不夠．對(duì)高性能混凝土的質(zhì)量與耐久性的影響程度有時(shí)甚至高于普通混凝土，因此，及時(shí)，充分的濕養(yǎng)護(hù)是使其獲得高強(qiáng)度、低孔隙率和高抗氯離子擴(kuò)散能力所必不可少的．另外高性能混凝土相對(duì)于普通混凝土在攪拌時(shí)間、振搗、拆模時(shí)間都有區(qū)別。因此在高性能混凝土實(shí)施前需要根據(jù)其特點(diǎn)制定專門的質(zhì)量控制措施。

    3.2鋼筋阻鑄荊

    海水混凝士中鋼筋的腐蝕．事實(shí)上是一種電化學(xué)腐蝕，其陰、陽(yáng)極反應(yīng)都在鋼筋與電解質(zhì)界面上發(fā)生。若能阻止其中任何一種界面反應(yīng)，就能抑制腐蝕。

    使用阻銹劑時(shí)．首先應(yīng)控制開裂程度，尤其是對(duì)粱類構(gòu)件的受彎拉區(qū)域。因此．宜采用高性能混凝土來(lái)控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)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，以起判協(xié)同保護(hù)作用。這樣鋼筋阻銹劑起到“拾遺補(bǔ)缺”和。消防隊(duì)員”的作用，有效地阻止鋼筋腐蝕發(fā)生。從而延長(zhǎng)鋼筋混凝土的使用壽命。

    3.3增加混凝土保護(hù)層厚度

    增加混凝土保護(hù)層厚度，這是提高海洋工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡(jiǎn)單而且經(jīng)濟(jì)有效的方法。但是保護(hù)層厚度并不能無(wú)限制地增加。當(dāng)保護(hù)層厚度過厚時(shí)，混凝土材料本身的脆性和收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。

    3.4涂料涂層保護(hù)

    海洋工程鋼筋混凝土中實(shí)施涂料涂裝保護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防腐蝕技術(shù)措施。但涂裝質(zhì)量的控制十分關(guān)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(nèi)涂層的封用保護(hù)作用將會(huì)喪失。因此，實(shí)施涂料涂裝的鋼筋混凝土構(gòu)件，首先必須進(jìn)行控裂設(shè)計(jì)，至少達(dá)到構(gòu)件在不同工況條件下受拉彎區(qū)裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護(hù)的效果。完好的混凝土保護(hù)涂層具有阻擋腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸的特點(diǎn)，從而延長(zhǎng)混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。

    3.5涂層鋼筋

    海水環(huán)境中的氯鹽對(duì)不受凍地區(qū)的素混凝土而言是無(wú)害的，腐蝕破壞是通過對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕銹脹實(shí)現(xiàn)的。因此，若將鋼筋表面預(yù)先施加一層不腐蝕或而}腐蝕的涂層來(lái)阻擋或隔離氯離子的侵蝕，是最為直接的技術(shù)措施。環(huán)氧涂層鋼筋是在嚴(yán)格控制的鋼廠流水線上馀覆的，可以保證涂層高質(zhì)量，涂層可以將鋼筋與周圍的混凝土隔開，即使氧離子和氧氣等已經(jīng)大量侵入混凝土，它還是可以長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋，使鋼筋免遭腐蝕。

    環(huán)氧涂層鋼筋的儲(chǔ)運(yùn)、安裝和綁扎過程中．不允許存在任何隱患與缺陷，否則就會(huì)局部顯著地加劇鋼筋腐蝕，最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂使環(huán)氧涂層鋼筋遭受腐蝕因此，須慎重使用。

4.幾種方案優(yōu)缺點(diǎn)比選

5.高性能混凝土的質(zhì)量保證措施

    為確�；炷�土結(jié)構(gòu)耐久性的目標(biāo)，須從三大環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。

    (1)在了解工程背景、使用環(huán)境“及混凝土材料在海水環(huán)境中的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，預(yù)先質(zhì)量控制與評(píng)估，通過對(duì)材料性能的試驗(yàn)研究，建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和依據(jù)，并預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用性能。

    (2)充分考慮各種可變因素對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應(yīng)力裂縫等，以建立使用壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)，為耐久性方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)，再以使用壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制定有針對(duì)性的耐久性解決方案。

    (3)在質(zhì)量控制與評(píng)估環(huán)節(jié)中，方案的實(shí)施過程是如何控制各方面的質(zhì)量以及如何對(duì)已完成部分的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，需要確立各種質(zhì)量控制措施和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，建立各種眭能試驗(yàn)的評(píng)價(jià)體系，保證混凝土性能符合方案設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際施工過程中，質(zhì)量控制與評(píng)估將是重中之重。相對(duì)普通混凝土的質(zhì)量控制而言，高性能混凝土施工質(zhì)量控制主要涉及原材料質(zhì)量，配合比、拌和、施工、保護(hù)層厚度，養(yǎng)護(hù)等方面，其重點(diǎn)和難點(diǎn)在于保護(hù)層厚度和養(yǎng)護(hù)等方面。第一，高性能混凝土保護(hù)層墊塊采用變形多面體形式，工程塑料夾或高性能細(xì)石混凝土預(yù)制，墊塊材料的強(qiáng)度及抗?jié)B透性均不低于本體高性能混凝土的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第二，高性能混凝土的頂面混凝土由于陽(yáng)光直射溫度較高產(chǎn)生溫差過大的現(xiàn)象，同時(shí)由于風(fēng)速較大也容易造成混凝土表面失水過快，混凝土表面收縮較大而導(dǎo)致混凝土開裂因此在實(shí)際施工過程中，混凝土澆筑完畢后即在頂面加蓋塑料薄膜頂棚以保溫保溫。

6.海洋工程結(jié)構(gòu)混凝土耐久性策略

    根據(jù)以上分析，從材質(zhì)本身的性能出發(fā)，對(duì)主因和導(dǎo)因?qū)ΠY施治，在“成都虎豹悔洋世界”工程設(shè)計(jì)中的大洋展示區(qū)、珊瑚池，平衡池、維生系統(tǒng)、鯊魚檢疫池及亞馬遜區(qū)處于四類環(huán)境的混凝土粱、板、墻、柱采用強(qiáng)度不小于425 MPa的硅酸鹽水坭，要求水泥中C，A含量不超過8％，水泥細(xì)度不超過350 m2／k9，游離氧化鈣不超過5％，強(qiáng)度等級(jí)C40時(shí)，最大水灰比為0.45，最小水泥用量320 kg／m，最大堿含量3 kg/M3．最大氯離子含量0.1％．添加了有機(jī)胺鹽類與亞硝酸鈉的復(fù)合阻銹劑，并輔助Js復(fù)合材料。為保證混凝士的均勻性，攪拌混凝土采用臥軸式攪拌機(jī)，泵送混凝土的坍落度不能過大，以避免離析和泌水。要求在混臺(tái)使用膨脹劑、阻銹劑及其他防腐劑時(shí)應(yīng)事先專門測(cè)定它們之間的相容性，嚴(yán)格控制外加劑中的廘離子含量水得大于混凝士中膠凝材料總重的0.02％混凝土保護(hù)層為50 mm，保護(hù)層定位采用工程塑料夾，墊塊的尺寸和形狀必須滿足保護(hù)層厚度和定位的允差要求，墊塊的強(qiáng)度應(yīng)高于構(gòu)件本體混凝土，水膠比不大于0.4澆筑混凝土前，應(yīng)仔細(xì)檢查定位夾，并應(yīng)指定專人做重復(fù)性檢查以提高保護(hù)層厚度尺寸的施工質(zhì)量保證率。

    綁扎墊塊和鋼筋的鐵絲頭不得伸人保護(hù)層內(nèi)。在新澆混凝土表面應(yīng)及時(shí)澆水或覆蓋濕麻袋進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在混凝土發(fā)熱階段采用噴霧養(yǎng)護(hù)，確保搭接處的密封，保證模板連接縫處不至于失水干燥。與海水接觸框架柱的受力縱筋采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。

    實(shí)踐表明，采用高性能混凝土是在海水環(huán)境下提高結(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)件和部位，提高鋼筋保護(hù)層厚度(一般不小于50 mm)，某些部位還可復(fù)合采用保護(hù)涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工混凝土為基礎(chǔ)的綜合防護(hù)策略，有效提高海工混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)遵循的基本方案是：首先，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施是采用高性能混凝土，同時(shí)依據(jù)混凝土構(gòu)件所處結(jié)構(gòu)部位及使用環(huán)境條件，采用必要的補(bǔ)充防腐措施，如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護(hù)涂層等，在保證施工質(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下，使海水中的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7.結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，海水中結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因紊是混凝土的Cl滲透速度，針對(duì)這一具體情況，并考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況——如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等，以及經(jīng)濟(jì)E的合理性，采取以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性策略和方案，確保工程實(shí)際情況中技術(shù)承平的施工措施和質(zhì)量保證措施以保證海水環(huán)境下混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用年限。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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