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海洋环境下混凝土的腐蚀性介绍
上海海事大学   尹若元   摘编
2010-04-22
关键字：混凝土　 腐蚀　 海洋环境　
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　　作为一种节能、经济、用途极为广泛的人工耐久性材料，混凝土是目前世界上使用最广泛的建筑材料之一，在工业、运输、民用等领域有着广泛的应用。用混凝土建造的建筑物和构筑物在使用期间常常受到腐蚀介质的侵蚀，特别是在海洋环境中。海洋环境是混凝土结构所处的最恶劣的外部环境之一。海水中的化学成分能引起混凝土溶蚀破坏、碱-骨料反应，在寒冷地区可能出现冻融破坏，海浪及悬浮物对混凝土结构会造成机械磨损和冲击作用，海水或海风中的氯离子能引起钢筋腐蚀。国内外大量调查表明：海洋恶劣环境下的混凝土构筑物经常过早损坏，寿命一般在20～30年，远达不到要求的服役寿命（一般要求服役寿命100年以上）。损坏的构筑物需花大量财力进行维修补强，且造成停工停产，带来巨大经济损失。因此，研究海洋环境下混凝土的腐蚀机理，提高海洋环境混凝土耐久性，保护内部钢筋免于腐蚀，建造低价格高性能的混凝土就显得尤为重要。
　　近年来，国内外的学者相继开展了一些针对混凝土材料化学腐蚀的研究，本文从试验研究和数值模拟两方面对当前受腐蚀混凝土的力学研究现状进行简要介绍。
　　一、试验研究
　　蒋钰鹏[1]通过对酸性地下水环境中不同配比的混凝土强度进行分析，并和标准养护的未腐蚀材料对比，研究酸性环境对不同配比混凝土强度的影响规律，提出对存在酸性腐蚀条件的土质，基础混凝土工程应采取以下预防措施：(1)混凝土的密实度和抗渗性是防止腐蚀的关键，提高基础混凝土的设计强度，合理选用水泥型号，使用高标号水泥，并适当掺用高效减水剂(缓凝型除外)，降低水灰比。(2)加强混凝土施工中的现场管理，严格控制施工质量，确保混凝土按规程振捣，确保混凝土的密实度，表面必须抹光压实。(3)施工前要制定混凝土养护方案，科学地进行养护。(4)适当增加钢筋保护层的厚度，厚度应大于50 mm，并在施工中严格控制。(5)混凝土基础施工前对基槽进行处理，加入石灰等降低酸度，并加厚垫层。(6)对完成的混凝土基础结构在回土覆盖前，可采用混凝土密封剂进行防护，使用前要对混凝土表面进行清理。张伟勤等[2]研究了混凝土在盐卤的干湿循环环境中，受单一化学腐蚀破坏材料的损伤及强度、质量损失的规律，研究表明研制的高性能混凝土（HPC）在淡水、卤水中干湿循环能力全部优于普通混凝土（OPC），且干湿循环次数越多，混凝土越来越致密，其强度越大。
　　还有一些学者针对海洋环境的特点设计了腐蚀试验，如孙林柱等[3]通过对人工海水侵蚀后的钢筋混凝土试件进行试验，研究了不同腐蚀程度对结构承载力的影响。采用人工海水加速加速对15根钢筋混凝土试验梁进行浸-烘多循环腐蚀，按照不同的配合比以及不同的腐蚀循环次数，对腐蚀的钢筋混凝土梁进行斜截面受剪承载力试验，得到海水腐蚀条件下梁的斜截面承载力。根据神经网络原理，建立一个3层的BP网络模型，通过对实验数据的训练，得到腐蚀梁承载力和循环次数的拟合曲线，试验曲线和拟合曲线对比较好地反映了腐蚀梁的承载力和腐蚀循环次数的变化规律。该方法可以解决腐蚀梁的承载力和腐蚀循环等因素之间复杂的非线性关系，随着样本数据的增加，拟合精度将进一步提高，为分析和预测海水腐蚀条件下钢筋混凝土梁的受剪承载力以及它的智能设计提供参考。金祖权等[4]通过NaCl 溶液、Na2SO4溶液以及两者的复合溶液的浸泡腐蚀试验，研究了腐蚀溶液中的自由氯离子在混凝土中的扩散规律和损伤发展规律。结果表明：复合腐蚀下C30的自由氯离子含量是C50的2倍左右；氯离子扩散系数为C50的1.7～1.95倍；混凝土相对动弹性模量先上升后下降。矿物掺合料提高了混凝土抗氯离子渗透和抗硫酸盐损伤能力，硫酸盐降低了混凝土抗氯离子腐蚀能力，氯盐减缓了硫酸盐对混凝土的损伤速度。邓德华等[5]用天然石灰石粉等质量取代水泥20％和30％，将制备的水泥净浆和砂浆试件常温浸泡在0.35 mol/L Na2SO4溶液中，测量试件的线长度和抗折强度随浸泡时间的变化。研究结果表明：石灰石粉对水泥基材料的抗硫酸盐性有严重的影响，它们使水泥基材料在硫酸盐环境中的强度急剧下降并导致水泥基材料产生较大体积膨胀，引起开裂。掺石灰石粉的水泥基材料主要因形成大量较大尺寸的石膏晶体而膨胀开裂。石膏的形成导致硫酸盐侵蚀水泥基材料产生膨胀开裂。因此，在硫酸盐侵蚀环境下，不宜采用含石灰石粉的复合水泥或将石灰石粉作为矿物掺合料制备的混凝土。阎西康等人[6]采用控制介质环境条件下的加速腐蚀试验和单轴加载试验，通过对钢筋混凝土梁的腐蚀试验和力学性能试验，研究了腐蚀后钢筋混凝土梁正截面承载力问题，提出了简化计算公式。
　　二、数值模拟
　　目前已有的混凝土本构数值模型主要基于两种研究思路：一是基于试验结果建立纯数学统计模型；二是基于力学理论建立理论本构模型，并通过试验分析确定所需参数。孙林柱等[3]和阎西康等[6]通过对钢筋混凝土梁的腐蚀试验和力学加载试验,分别采用神经网络的方法和对试验数据拟合曲线的方法,建立了纯数学统计模型,预测受腐蚀钢筋混凝土梁的承载力。翟运琼等[7]通过检测有机物和微生物、强酸、无机盐对混凝土的腐蚀作用的试验，研究受腐蚀混凝土的单轴受压本构关系变化规律。并引入了混凝土随腐蚀介质和时间变化的参数，结合基于损伤理论的混凝土本构模型，通过对实验数据的拟合提出了腐蚀混凝土单轴受压本构模型。最后并利用该模型对腐蚀构件进行有限元分析，证明其优于普通混凝土本构模型。陈卿等[8]采用恒电位方法，考虑pH值的影响，研究了不同电位下混凝土模拟孔隙液中氯离子浓度对钢筋腐蚀状态的影响，并用统计处理的方法得到了不同的pH值和不同控制电位下具有95%保证率的临界氯离子浓度值。研究结果发现：pH值对临界氯离子浓度有比较大的影响，钢筋开始腐蚀时的氯离子浓度均值与模拟液的pH值呈指数关系；钢筋开始腐蚀时的氯离子浓度均值的对数与钢筋电位呈线性关系。
　　张研等[9,10]提出了混凝土化学损伤和力学损伤的耦合模型，用损伤变量表示的本构关系模拟混凝土力学性能，分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程。研究表明，应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源，局部化学损伤出现的时候，平衡微分方程不能满足。为了解决这个问题，采用了非局部损伤模型。试验和有限元计算结果表明，混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型能够较好地描述受化学侵蚀与荷载共同作用的损伤状态。Shao J. F.等[11]首先将砂浆试样浸泡于硝酸钾溶液中一定时间，然后对腐蚀后的试样进行三轴压缩试验，并根据试验结果在混凝土损伤力学的基础上建立了弹塑性化学-力学耦合本构模型。
　　三、结语
　　开展海洋环境对混凝土腐蚀的研究，可以更好地揭示腐蚀的力学机理，并为海洋环境中混凝土结构的寿命预测，以及受腐蚀结构的承载力计算和结构加固计算提供理论依据，也可为防腐蚀研究和设计打下基础。因而，研究海洋环境对混凝土材料力学性质的影响不仅具有重要的科学价值，也具有广阔的应用前景。
　　参考文献：
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　　[2] 张伟勤,刘连新,代大虎. 混凝土在卤水、淡水中的干湿循环腐蚀试验研究[J]. 青海大学学报(自然科学版),2006,24 (4):25 - 29.
　　[3] 孙林柱,王铁成,张洪波. 海水腐蚀梁抗剪强度及其智能分析[J]. 天津大学学报,2006,39(3):284-288.
　　[4] 金祖权,孙伟,张云升,等. 氯盐、硫酸盐作用下高性能混凝土损伤研究[J]. 工业建筑,2005(35):5-7.
　　[5] 邓德华,肖佳,元强,等. 石灰石粉对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性的影响及其机理[J]. 硅酸盐学报,2006,34(10):1243-1248.
　　[6] 阎西康,赵少伟,许素兰. 钢筋混凝土梁遭受海水腐蚀后的受弯计算[J]. 河北工业大学学报,2006,35(5):91-94.
　　[7] 翟运琼,陈朝晖,黄河. 基于损伤理论的腐蚀混凝土单轴受压本构模型[J]. 工程结构,2005,25(6):76-78.
　　[8] 陈卿,宋晓冰,翟之阳. 混凝土模拟孔隙液中钢筋腐蚀临界氯离子浓度试验研究[J]. 四川建筑科学研究,2008,34(6):156-162.
　　[9] 张研,张子明,宋智通. 混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型[J]. 土体力学学报,2007,28(2):172-177.
　　[10] 张研,张子明邵建富. 混凝土化学-力学损伤本构模型[J]. 工程力学,2006,23(9):153-156.
　　[11] Shao J F , Zhang Y, Sibai M ,et al. An elastoplastic damage model with chemical degradation for cement paste under compressive st resses [C] EUROMECH Colloquium 460: Numerical Modelling of ConcreteCracking. Innsbruck , Austria: s. n. ,2005.