沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕原因分析

摘要: 該文分析了引起沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞的主要原因, 并對(duì)摻粉煤灰的混凝土性能進(jìn)行研究, 提出配制強(qiáng)度30MPa～40MPa 摻粉煤灰混凝土等措施, 以延長沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命。

關(guān)鍵詞: 沿海水利工程; 混凝土結(jié)構(gòu); 氯離子; 粉煤灰

中圖分類號(hào): TV69812 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 　　文章編號(hào):1002 - 3011 (2007) 01 - 0042 - 03

1 　引言

　　耐久性問題是混凝土材料與結(jié)構(gòu)所面臨的最嚴(yán)峻問題之一, 在當(dāng)今世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。大量研究表明, 鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的第一因素。由于鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞是造成沿海地區(qū)許多水利工程設(shè)施無法正常運(yùn)行的主要因素。對(duì)我省二十多座沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查分析表明: 在氯鹽環(huán)境下, 處于水位變化區(qū)或浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕嚴(yán)重, 往往達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命即報(bào)廢。一些工程的混凝土閘門3 年～5 年即要更換。由于大氣中氯鹽濃度較高, 導(dǎo)致上部梁、板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量順筋裂縫與銹斑, 嚴(yán)重的甚至造成混凝土外保護(hù)層整塊脫落。這些都嚴(yán)重影響了水工建筑物的正常運(yùn)行和發(fā)揮效益。不僅給國家和企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失, 也對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅。

2 　沿海水利工程鋼筋混凝土腐蝕的主要原因

　　我省沿海水利工程大多處在淡水海水交界處, 部分工程直接建于海洋中。調(diào)查分析表明, 混凝土結(jié)構(gòu)破壞主要是由于鋼筋銹蝕造成的, 氯離子侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因。

2．1 　氯離子侵入混凝土造成鋼筋銹蝕

　　氯離子侵入混凝土內(nèi)部是造成鋼筋銹蝕的最主要因素。水泥水化產(chǎn)物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, 保護(hù)鋼筋不銹蝕。當(dāng)PH > 11．5 時(shí), 鈍化膜是穩(wěn)定的; 當(dāng)PH < 9．88 時(shí), 鈍化膜難以生成或遭破壞。Cl - 是極強(qiáng)的去鈍化劑, 可使鋼筋表面PH 值下降到4 以下, 造成鈍化膜破壞。Cl - 還具有形成腐蝕電池去極化作用和導(dǎo)電作用,造成混凝土中鋼筋銹蝕。

　　除鈍化膜被破壞外, 混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕還需要氧氣與水份, 因此在海水浸泡中的混凝土鋼筋銹蝕不明顯, 在水位變化區(qū)或浪濺區(qū)的混凝土由于干濕交替, 毛細(xì)管作用明顯, 又具備氧氣與水份, 銹蝕最為嚴(yán)重。上部結(jié)構(gòu)主要由于大氣、鹽霧中Cl - 侵入混凝土中, 一般僅在混凝土受拉區(qū)、迎風(fēng)面等部位形成鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

　　鋼筋一旦銹蝕, 鐵銹體積膨脹, 引起混凝土保護(hù)層開裂, 又加大了Cl - 侵蝕。這種惡性循環(huán)大大加速了鋼筋銹蝕過程。

　　Cl - 進(jìn)入混凝土內(nèi)部通常有兩種途徑, 一是通過含氯較高的外加劑、海砂或海水?dāng)嚢柽M(jìn)入混凝土內(nèi)部; 二是環(huán)境中的Cl - 通過混凝土宏觀、微觀缺陷(主要是毛細(xì)管) 滲入混凝土中, 并到達(dá)鋼筋表面, 這是我省沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵入的主要方式。

2．2 　設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低, 施工質(zhì)量差

　　調(diào)查發(fā)現(xiàn), 以往我省沿海水利工程設(shè)計(jì)主要套用內(nèi)河水利工程設(shè)計(jì)規(guī)范, 沒有考慮氯鹽環(huán)境下混凝土中鋼筋銹蝕速度與無氯鹽環(huán)境下腐蝕速度的不同, 往往還以碳化深度作為評(píng)判鋼筋是否被銹蝕的主要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上, 許多因鋼筋銹蝕而破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土表面碳化深度僅幾毫米,遠(yuǎn)小于混凝土設(shè)計(jì)保護(hù)層深度。其次, 在單方水泥用量、保護(hù)層厚度、水灰比、混合材使用、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方面都未能按海洋環(huán)境中混凝土要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外, 許多工程施工質(zhì)量差, 導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度低, 孔隙大, 結(jié)構(gòu)疏松, 為Cl -侵蝕提供了有利條件。

3 　摻粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能研究與探討

　　提高混凝土抵抗Cl - 侵蝕的主要防護(hù)措施有: (1) 提高混凝土致密性, 降低Cl - 在混凝土保護(hù)層中的滲透速度, 延長Cl - 到達(dá)鋼筋表面并積累至一定濃度的時(shí)間。在混凝土中加入高效減水劑和良好的摻合料, 能從根本上改善混凝土性能, 提高混凝土抵抗Cl - 滲入的能力。(2) 對(duì)混凝土進(jìn)行改性, 讓Cl - 消耗在混凝土保護(hù)層中。(3) 在混凝土表面涂覆保護(hù)層, 封閉混凝土毛細(xì)孔, 制止Cl - 向混凝土內(nèi)部遷移。

　　我省水利工程設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般采用30MPa 以下, 大多數(shù)為15MPa～20MPa。從混凝土結(jié)構(gòu)要求看, 強(qiáng)度等級(jí)已足夠, 但常規(guī)混凝土在這種強(qiáng)度等級(jí)下無法滿足防Cl - 侵蝕要求。從抗Cl - 侵蝕角度看, 沿?；炷凉こ淌褂酶邚?qiáng)、高性能混凝土(C60～C100) 無疑是理想的, 但對(duì)一般水利工程而言, 代價(jià)太高。針對(duì)我省設(shè)計(jì)、施工、地材等諸多因素, 提出對(duì)30MPa～40MPa 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行高性能化來滿足沿?；炷两Y(jié)構(gòu)對(duì)抗Cl - 侵蝕的要求。

3．1 　試驗(yàn)用原材料

　　水泥: 福建煉石牌P．042．5 水泥, 基本性能見表1 。

　　砂: 閩江河砂, 細(xì)度模數(shù)為2．8 。

　　石子: 5mm～20mm 碎石。

　　粉煤灰: 長樂華能電廠Ⅰ級(jí)灰, 篩余6．5 % , 需水量比94 % , 燒失量418 %。

　　外加劑: 高效復(fù)合減水劑, 減水率20 %～25 %。

3．2 　試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)中普通混凝土水灰比選用0．6 、0．5 、0．4 、0．3 四組, 測(cè)定不同水灰比條件下混凝土氯離子滲透性, 結(jié)果見圖1 , 表2 。表3 為混凝土強(qiáng)度等級(jí)為20MPa 至40MPa 的配合比設(shè)計(jì), 其中YH - 20、YH - 30、YH - 40 為對(duì)比基準(zhǔn)混凝土, 其它混凝土粉煤灰摻量分別為20 %、30 %、40 %; 混凝土坍落度為8cm～10cm。依照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150 - 2001 測(cè)定混凝土強(qiáng)度。參照國際標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1202- 97 推薦的方法快速測(cè)定混凝土抗氯離子滲透性: 將<95mm 試件真空飽水后, 在兩端施加60V 直流恒電壓, 每隔一定時(shí)間測(cè)量通過試件的電流, 最終按6h 通過的電量評(píng)定該試件混凝土抗氯離子滲透性。將試件放在10 %NaCl 溶液滲透浸泡后, 用硝酸銀溶液測(cè)不同齡期氯離子侵入試件內(nèi)高度來判定氯離子滲透深度。試驗(yàn)結(jié)果見表3 、表4 、圖2 。

　試驗(yàn)結(jié)果表明:

　　(1) 混凝土抗氯離子滲透能力隨水灰比的增大而減弱,從表2 、圖1 可以看出, 水灰比為013 的混凝土電通量僅為水灰比為016 的混凝土的1/ 4 。隨著齡期的增長, 普通混凝土抗氯離子侵蝕的能力有所提高, 但幅度不大。

　　(2) 從表3 可以看出, 混凝土強(qiáng)度越高, 水灰比越小,膠凝材料越多, 混凝土抗氯離子滲透的能力越大。要求電通量在2000 庫侖以下, 混凝土強(qiáng)度必須在30MPa 以上。摻入粉煤灰對(duì)提高混凝土抗氯離子滲透能力作用明顯, YH - 40- 2 、YH - 40 - 3、YH - 40 - 4 等三組試件電通量可低于1000 庫侖, 這是一般高性能混凝土才能達(dá)到的指標(biāo)。

　　(3) 表4 、圖2 也表明: 當(dāng)粉煤灰摻量為30 %時(shí), 氯離子侵入混凝土內(nèi)部的高度明顯小于不摻粉煤灰空白對(duì)照組,說明摻粉煤灰可以提高混凝土抗氯離子滲透能力。

　　相關(guān)研究表明, 混凝土中摻入粉煤灰, 除代替部分水泥外(超量取代) , 不僅能生成水化產(chǎn)物提高混凝土后期強(qiáng)度和代替部分砂起微集料作用, 還能增加混凝土中的凝膠體,使混凝土中大孔隙變成小孔隙, 減小水泥石中互相連通的孔隙數(shù), 降低混凝土滲透性和氯離子對(duì)混凝土的擴(kuò)散系數(shù)。

4 　提高沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐性能的途徑

　　交通部門在《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(J TJ275 - 2000) 中對(duì)混凝土保護(hù)層、水灰比、最低水泥用量等都有具體要求, 但水利部門至今未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程, 給沿海水利工程的設(shè)計(jì)施工帶來許多問題。針對(duì)當(dāng)前我省沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐存在的問題, 建議采用以下幾種措施提高混凝土抗腐蝕性能。

　　(1) 提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參照J(rèn) TJ275 - 2000 規(guī)范執(zhí)行, 重點(diǎn)要提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

　　上述規(guī)范要求, 在浪濺區(qū), 一般要求抗氯離子滲透性在2000 庫侖以下, 重要部位或采用高性能混凝土, 抗氯離子滲透性在1000 庫侖以內(nèi)。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 要達(dá)到這種標(biāo)準(zhǔn), 水灰比要求在0．45 以下, 混凝土強(qiáng)度等級(jí)在30MPa 以上, 而且必須使用高效減水劑與海水耐蝕劑。2006年我省沿海幾處水利工程混凝土抗氯離子滲透性實(shí)測(cè)結(jié)果見表5 。這些混凝土摻入高效減水劑、海水耐蝕劑后, 抗氯離子滲透性大部分都在2000 庫侖左右。2000 庫侖以下的有6組, 強(qiáng)度都在40MPa 以上, 水灰比在0．41～0．48 之間。

　　(2) 選擇優(yōu)秀的混凝土配合比?；炷林袚饺肽ゼ?xì)礦渣、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、硅灰等能夠提高混凝土抗氯離子滲透能力。我省礦渣、硅灰等資源緊缺, 粉煤灰資源豐富。上述試驗(yàn)結(jié)果表明, 根據(jù)原材料性能, 合理摻入粉煤灰, 可以配制出強(qiáng)度為30MPa～40MPa、價(jià)格便宜、抗氯離子滲透性能符合設(shè)計(jì)要求的混凝土。

　　(3) 為防止氯離子滲入混凝土內(nèi)部, 除提高混凝土自身抗?jié)B能力外, 還可以在其表面涂覆一層保護(hù)層, 阻止氯離子滲透入內(nèi)部。目前市場上有環(huán)氧樹脂、聚氨脂、丙稀酸脂、硅烷、水泥基結(jié)晶滲透材料等可用于混凝土表面防護(hù), 當(dāng)前主要應(yīng)用于修補(bǔ)工程或重要工程混凝土雙重保護(hù)。其缺點(diǎn)是: 大部分材料耐久性差, 要經(jīng)常維護(hù), 造價(jià)高。

5 　結(jié)語

　　(1) 我省沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重, 影響建筑物使用壽命與正常運(yùn)行。海水中氯離子滲入混凝土內(nèi)部引起鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞的主要原因。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低, 施工質(zhì)量差加快了混凝土腐蝕過程。

　　(2) 沿?；炷两Y(jié)構(gòu)不僅要滿足力學(xué)性能要求, 也要滿足防腐要求?？梢酝ㄟ^提高混凝土標(biāo)號(hào)、降低水灰比、配制高性能混凝土達(dá)到提高混凝土自身密實(shí)性, 增強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透性能。

　　(3) 針對(duì)我省沿海水利工程實(shí)際情況, 通過摻粉煤灰配制30MPa～40MPa 混凝土, 提高混凝土密實(shí)度增強(qiáng)其抗氯離子滲透性能是可行的, 能滿足工程的一般要求。摻入粉煤灰后, 混凝土試件中通過的總電量顯著降低, 氯離子滲入混凝土內(nèi)部速度與深度明顯下降。粉煤灰摻量30 %、水泥用量在350kg 左右可獲得電通量在1000 庫侖以下的混凝土。

　　(4) 提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與施工質(zhì)量是保證我省沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。

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　　[4]洪定海1 海工混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)[R] 1 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 19981作者簡介: 王錠一(1956 - ) , 男, 福建福州人, 高級(jí)工程師, 從事水利水電工程試驗(yàn)研究工作。