提高海工结构混凝土耐久性的原理和方法.pdf

1 8 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 3卷第 1 期 2 0 1 2年 1月 Vo 1 4 3 No 1 J a n 2 0 1 2 提高海工结构混凝土耐久性的原理和方法 秦宪明 ， 颜 超2 ， 赵 娟2 ， 乔 磊2 ( 1 厦门市宏业工程建设技术有限公司 ， 3 6 1 0 1 2 ， 厦门 ； 2 北京工业大学建筑工程学院 ， 1 0 0 1 2 4 ， 北京 ) 摘要 ： 由于长期受到海水的侵蚀 ， 海工混凝土结构往往容易出现耐久性不良 ， 通过介绍海工混凝土 的腐蚀 机理和混凝土耐久性评价方法 ， 并从混凝土材料 、 配合比设计 、 结构设计 、 施工质量 、 施工工艺 、 混凝 土表面涂层 处理工艺等方面 ， 综合提出了改善海工混凝土结构耐久性 的措施 。 关键词 ： 海工混凝土结构 ； 混凝土耐久性 ； 腐蚀机理 ； 耐久性评价方法 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 1 8 0 3 I M PROVEM ENT OF DURABI LI TY PRI NCI PLES AND M ETHoDS oF M ARI NE CONCRETE QI N X i a n min g ，Y AN Ch a o 2 ，Z HA 0 J u a n 2 ，QI A0 L e i ( 1 X i a me n Ho n g y e P r o j e c t B u i l d i n g T e c h n i q u e C o ， L t d ，3 6 1 0 1 2 ， X i a me n ，C h i n a ； 2 T h e C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，B e ij i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，1 0 0 1 2 4 ， B e ij i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ：B e c a u s e o f l o n g - t e r m e r o s i o n o f t h e s e a ，ma r i n e c o n c r e t e s t r u c t u r e a r e o fte n p r o n e t o s h o w p o o r d u r a b i l i t y T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o r r o s i o n me c h a n i s m a n d c o n c r e t e d u r ab i l i t y a s s e s s me n t me t h o d s o f ma rin e c o n c r e t e ， a n d i t c o mp r e h e n s i v e l y p r e s e n t s me a s u r e s o f i mp r o v i n g ma r i n e c o n c r e t e d u r ab i l i t y f r o m c o n c r e t e ma t e r i a l s ，mi x d e s i g n ，s t r u c t u r al d e s i gn ， c o n s t r u c t i o n q u a l i t y ，c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s ， c o n c r e t e s u r f a c e c o a t i n g t e c h n o l o g y and o t h e r a s p e c t s Ke y wo r d s ： ma r i n e c o n c r e t e s t ruc t u r e ； c o n c r e t e d u r ab i l i t y ； c o r r o s i o n me c h a n i s m； d u r a b i l i t y a s s e s s me n t me t h o d s 海洋工程和滨海工程 的混凝土结构 ，由于长期处 于海水和潮湿空气中 ， 海水中含有大量的氯盐 、 镁盐和 硫酸盐 ， 它们与混凝土中的水泥水化产物C a ( O H ) 作用 后生成 C a C 1 ： ， C a S O 等 易溶物 质 ， N a C 1 又提 高其溶 解 度 ， 增大了混凝土的孔隙率 ， 使混凝土遭受腐蚀_ 】 ； 而 氯离子引起的钢筋锈蚀导致海工混凝土结构被破坏最 为常见 ， 同时 ， 硫酸盐侵蚀也是威胁钢筋混凝土结构耐 久性的重要因素之一。已有研究发现掺入适量的胶凝 材料可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力E 2 3 。 此外 ，处于盐冻环境下的海工混凝土， 除受氯离子 和硫酸盐的结晶应力、 渗透压力等因素作用外 ， 还遭受 干湿循环、 温度应力等环境因素的影响， 与混凝土抗冻 性能试验标准( C D F ) 中抗盐冻性能试验中混凝土所受的 作用类似。这样。 可以将C D F 抗 盐冻性能试验作为海工 混凝土耐久性评估的试验方法和指标 3 。 1 钢筋混凝土的腐蚀原理和氯离子的传输机理 1 1 钢筋混凝土的腐蚀原理 当混凝土接触的周围介质 ， 如空气 、 水( 海水 、 地下 收稿日期 ： 2 0 1 1 - l l 一 2 9 基金项目： 北京市 自然基金 重大课题 ( 8 1 0 0 0 0 1 ) 作者简介 ： 秦宪 明( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 北京市人， 高级工程 师 ， 总经理 ， 硕 士 ， e ma i l ： q x mc b mt c ， c o m 水) 和土壤中含有不同浓度的酸、 盐、 碱类侵蚀性物质 时 ， 一旦其进入混凝土内部 ， 与混凝土中的成分发生化 学反应 ， 混凝土将遭受腐蚀 ， 并逐渐发生绽裂剥落 ， 进 而引起钢筋腐蚀 ， 最终导致结构失效 。 混凝土中钢筋的锈蚀过程是一个电化学过程 ， 钢 筋锈蚀产生的化合物由于体积增大而在混凝土内部产 生较大膨胀应力， 造成混凝土保护层剥落或顺筋开裂。 由于混凝土材料是非匀质体 。自身存在着各种孔隙结 构的不均匀性缺陷和微观裂缝等不连续的物理现象。 随着时间的推移以及环境条件的变化 ，混凝土结构的 不连续微观裂缝 ， 将可能扩展成为宏观裂缝 ， 从而使海 水易于到达钢筋表面 ， 加速腐蚀进程 。 1 2 混凝土中氯离子的传输原理 氯离子在混凝土 中的传输包括压力梯度下 的渗 透 、 浓度梯度下的扩散 、 湿度梯度下的毛细吸收以及 电 位梯度下的离子迁移等。氯离子在混凝土中的传输是 扩散 、 渗透 、 物理或化学吸附 、 毛细吸收等多种机理不 同组合的综合结果。 2 海工结构混凝土耐久性 的评价方法 海工混凝土需满足工作性能优 良、 体系密实、 无宏 观缺陷 、 强度符合设计要求， 同时兼具经济性 、 质量稳 定性 。 在原材料达到上述要求的基础上， 为衡量混凝土 2 0 1 2 年 1 月 秦宪明 ， 等 ： 提高海工结构混凝土耐久性的原理和方法 1 9 的质量或者控制其最终质量 ，海工混凝土的各项指标 除须满足现行行业标准 水运工程混凝土质量控制标 准 ( J T J 2 6 8 1 9 9 6 )的设计要求外 ，海工混凝土的耐 久性能还应具备以下各种性能。 ( 1 )混凝土抗冻融性能。 试验方法参照 水运工程 混凝土试验规程 ( J T J 2 7 0 一 I 9 9 8 ) 。混凝土的抗冻性是 海工混凝土耐久性能的重要指标 ，尤其在我国北方地 区 ， 海工混凝土大多存在冻融危害。总之 ， 有冻融危害 的海工混凝土施工必须做抗冻融性能试验。 ( 2 )混凝土 电通量和氯离子扩散 系数 。混凝 土 2 8 d 电通量 ， 试验方法参照 混凝土耐氯离子穿透能 力 电标试验方法 ( A S T M C 1 2 0 2 1 9 9 7 ) ； 混凝土氯离 子扩散系数 。试验方法采用N T B U I L D 4 4 3 ( 标养2 8 d 后 ， 浸泡9 0d ) 。 这两项指标 是反映混凝土密实程 度的重要指标 。 一 方面 ，反映了混凝土抵抗外界有害杂质离子入侵的 能力， 可体现出混凝土寿命 ； 另一方面 ， 反映了混凝土 抑制钢筋锈蚀的能力， 体现钢筋的寿命 ， 这对耐久性混 凝土来说是非常重要的。 ( 3 )混凝土碱含量。试验方法参照 混凝土碱含 量限值标准 ( C E C S 5 3 ： 1 9 9 3 ) ， 总碱含量要求不大于 3 0 k g m 3 ， 控 制混 凝土中的碱含 量是抑制碱 一 骨料 反 应 的重要手段 ，应结合混凝土中各原材 料的含 碱量 进行综合考查。 ( 4 )混凝土抗硫酸盐侵蚀。 试验方法主要有两种， 耐蚀系数法和膨胀率法。 “ 耐蚀系数法” 试验方法参照 水泥抗硫酸盐侵蚀 试验方法 ( G B 厂 I 7 4 9 2 0 0 8 ) 并按式( 1 ) 计算 ： ，F R液 R 水 ( 1 ) 式中： 为胶凝材料在侵蚀龄期为9 0 d 时的耐蚀系 数 ； R液 为试件在 溶液 中浸泡规定龄 期后的抗折 强度 ( MP a ) ； R水为试件在 2 0 水 中养护 同龄 期抗 折强 度 ( MP a ) 。 “ 膨胀率法” 试验方法参考 水泥抗硫酸盐侵蚀试验 方法 ( G B 厂 r 7 4 9 - 2 0 0 8 ) ， 按式( 2 ) 计算， 计算至0 0 0 1 。 c L - L o ) 2 5 0 x 1 0 0 ( 2 ) 式中： 为某龄期的膨胀率( ) ； 厶为某龄期的测 量读数( ra m) ； 。 为初始测量读数 ( ra m) ； 试件有效长度 为2 5 0 mm。 ( 5 )钢筋锈蚀。采用线性极化方法测量钢筋混凝 土中钢筋的锈蚀 ， 试验采用两电极体系 ， 将工作 电极与 待测钢筋连接，辅助电极和参比电极连接到另一根钢 筋上， 参比电极要更接近于工作电极 ， 以保证电位的稳 定 。 两个 电极之间形成一个回路 ， 用来测量极化电阻、 锈蚀电流和锈蚀速率， 测量原理如 图1 所示。仪器扫描 速率为1 mV s , 扫描 电位范围从一 2 0m V lj + 2 0 mV 。用相 应的P o w e r S u i t e 软件进行数据处理和分析 。 图 1 线性极化方法测量原理图 3改善海工结构混凝土耐久性 的措施 3 1 控 制混凝 土材料 ( 1 )水泥 。 使用中热或低热硅酸盐水泥 ， 水泥中的 C 的含量不 超过6 ， C 3 S 与C 3 A的总和通 常 不超过 5 8 。 该类水泥具有较高的抵抗硫酸盐侵蚀的能力 ， 并 且水化热较低 可避免混凝土表面产生温度裂缝。 ( 2 )骨料 。严格控制骨料中的氯离子和其他杂质 含量， 禁止使用海砂， 并且要求保持较低的温度， 避免 冷缩裂缝的产生。 ( 3 )掺合料。应选择磨细粒化高炉矿渣或级以 上粉煤灰作为矿物掺合料 ，确保矿物掺合料具有良好 的水硬活性 。 实践证明， 适宜掺量的粒化高炉矿渣粉和 粉煤灰 的海工高性能混凝土的电量和扩散系数显著降 低，可满足海工高性能混凝土高耐久性的需要，而且 粒化高炉矿渣粉的最大掺量可以达到胶凝材料总量的 7 0 左右。 此外， 掺加纤维 ( 如聚丙烯腈纤维) 也可较大 程度增强海工混凝土韧性 ， 降低开裂的敏感性 ， 进而提 高混凝土的耐久性。 ( 4 )水灰比和混凝土保护层厚度。水灰比对混凝 土的抗渗性影响最大 ， 水灰比越大 ， 混凝土结构中游离 水越多 。 在硬化混凝土中会留下相互连通的、 无规则的 毛细通道 ， 使水泥石的孔隙率增加 ， 混凝土的抗渗性降 低。 混凝土保护层厚度增加 ， 则氯离子渗入混凝土到达 钢筋的时间就会增加 ，将显著延迟混凝土内部钢筋 的 锈蚀 。 3 2 优化结构设计 海工构筑物类型一般有高桩梁板结构 、薄壁结构 和大体积结构。在结构物中， 由于结构截面突变多、 表 面积与体积之比大、 结构分缝过长不适应温度变化、 结 构刚度不足导致水平变位大 、不均匀沉降以及地基基