沿海水利工程混凝土结构腐蚀原因分析

摘要: 该文分析了引起沿海水利工程混凝土结构腐蚀破坏的主要原因, 并对掺粉煤灰的混凝土性能进行研究, 提出配制强度30MPa～40MPa 掺粉煤灰混凝土等措施, 以延长沿海水利工程混凝土结构使用寿命。

关键词: 沿海水利工程; 混凝土结构; 氯离子; 粉煤灰

中图分类号: TV69812 　　文献标识码:B 　　文章编号:1002 - 3011 (2007) 01 - 0042 - 03

1 　引言

　　耐久性问题是混凝土材料与结构所面临的最严峻问题之一, 在当今世界范围内引起广泛关注。大量研究表明, 钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的第一因素。由于钢筋锈蚀引起混凝土结构破坏是造成沿海地区许多水利工程设施无法正常运行的主要因素。对我省二十多座沿海水利工程混凝土结构的调查分析表明: 在氯盐环境下, 处于水位变化区或浪溅区的混凝土结构钢筋锈蚀严重, 往往达不到设计使用寿命即报废。一些工程的混凝土闸门3 年～5 年即要更换。由于大气中氯盐浓度较高, 导致上部梁、板结构产生大量顺筋裂缝与锈斑, 严重的甚至造成混凝土外保护层整块脱落。这些都严重影响了水工建筑物的正常运行和发挥效益。不仅给国家和企业造成直接经济损失, 也对人民生命财产安全产生巨大的威胁。

2 　沿海水利工程钢筋混凝土腐蚀的主要原因

　　我省沿海水利工程大多处在淡水海水交界处, 部分工程直接建于海洋中。调查分析表明, 混凝土结构破坏主要是由于钢筋锈蚀造成的, 氯离子侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因。

2．1 　氯离子侵入混凝土造成钢筋锈蚀

　　氯离子侵入混凝土内部是造成钢筋锈蚀的最主要因素。水泥水化产物的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜, 保护钢筋不锈蚀。当PH > 11．5 时, 钝化膜是稳定的; 当PH < 9．88 时, 钝化膜难以生成或遭破坏。Cl - 是极强的去钝化剂, 可使钢筋表面PH 值下降到4 以下, 造成钝化膜破坏。Cl - 还具有形成腐蚀电池去极化作用和导电作用,造成混凝土中钢筋锈蚀。

　　除钝化膜被破坏外, 混凝土结构中钢筋锈蚀还需要氧气与水份, 因此在海水浸泡中的混凝土钢筋锈蚀不明显, 在水位变化区或浪溅区的混凝土由于干湿交替, 毛细管作用明显, 又具备氧气与水份, 锈蚀最为严重。上部结构主要由于大气、盐雾中Cl - 侵入混凝土中, 一般仅在混凝土受拉区、迎风面等部位形成钢筋锈蚀现象。

　　钢筋一旦锈蚀, 铁锈体积膨胀, 引起混凝土保护层开裂, 又加大了Cl - 侵蚀。这种恶性循环大大加速了钢筋锈蚀过程。

　　Cl - 进入混凝土内部通常有两种途径, 一是通过含氯较高的外加剂、海砂或海水搅拌进入混凝土内部; 二是环境中的Cl - 通过混凝土宏观、微观缺陷(主要是毛细管) 渗入混凝土中, 并到达钢筋表面, 这是我省沿海水利工程混凝土结构氯离子侵入的主要方式。

2．2 　设计标准低, 施工质量差

　　调查发现, 以往我省沿海水利工程设计主要套用内河水利工程设计规范, 没有考虑氯盐环境下混凝土中钢筋锈蚀速度与无氯盐环境下腐蚀速度的不同, 往往还以碳化深度作为评判钢筋是否被锈蚀的主要标准。实际上, 许多因钢筋锈蚀而破坏的钢筋混凝土结构的混凝土表面碳化深度仅几毫米,远小于混凝土设计保护层深度。其次, 在单方水泥用量、保护层厚度、水灰比、混合材使用、混凝土强度等级等方面都未能按海洋环境中混凝土要求进行设计。另外, 许多工程施工质量差, 导致混凝土强度低, 孔隙大, 结构疏松, 为Cl -侵蚀提供了有利条件。

3 　掺粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能研究与探讨

　　提高混凝土抵抗Cl - 侵蚀的主要防护措施有: (1) 提高混凝土致密性, 降低Cl - 在混凝土保护层中的渗透速度, 延长Cl - 到达钢筋表面并积累至一定浓度的时间。在混凝土中加入高效减水剂和良好的掺合料, 能从根本上改善混凝土性能, 提高混凝土抵抗Cl - 渗入的能力。(2) 对混凝土进行改性, 让Cl - 消耗在混凝土保护层中。(3) 在混凝土表面涂覆保护层, 封闭混凝土毛细孔, 制止Cl - 向混凝土内部迁移。

　　我省水利工程设计混凝土强度等级一般采用30MPa 以下, 大多数为15MPa～20MPa。从混凝土结构要求看, 强度等级已足够, 但常规混凝土在这种强度等级下无法满足防Cl - 侵蚀要求。从抗Cl - 侵蚀角度看, 沿海混凝土工程使用高强、高性能混凝土(C60～C100) 无疑是理想的, 但对一般水利工程而言, 代价太高。针对我省设计、施工、地材等诸多因素, 提出对30MPa～40MPa 强度等级的混凝土进行高性能化来满足沿海混凝土结构对抗Cl - 侵蚀的要求。

3．1 　试验用原材料

　　水泥: 福建炼石牌P．042．5 水泥, 基本性能见表1 。

　　砂: 闽江河砂, 细度模数为2．8 。

　　石子: 5mm～20mm 碎石。

　　粉煤灰: 长乐华能电厂Ⅰ级灰, 筛余6．5 % , 需水量比94 % , 烧失量418 %。

　　外加剂: 高效复合减水剂, 减水率20 %～25 %。

3．2 　试验与试验结果

　　试验中普通混凝土水灰比选用0．6 、0．5 、0．4 、0．3 四组, 测定不同水灰比条件下混凝土氯离子渗透性, 结果见图1 , 表2 。表3 为混凝土强度等级为20MPa 至40MPa 的配合比设计, 其中YH - 20、YH - 30、YH - 40 为对比基准混凝土, 其它混凝土粉煤灰掺量分别为20 %、30 %、40 %; 混凝土坍落度为8cm～10cm。依照《水工混凝土试验规程》DL/T5150 - 2001 测定混凝土强度。参照国际标准ASTMC1202- 97 推荐的方法快速测定混凝土抗氯离子渗透性: 将<95mm 试件真空饱水后, 在两端施加60V 直流恒电压, 每隔一定时间测量通过试件的电流, 最终按6h 通过的电量评定该试件混凝土抗氯离子渗透性。将试件放在10 %NaCl 溶液渗透浸泡后, 用硝酸银溶液测不同龄期氯离子侵入试件内高度来判定氯离子渗透深度。试验结果见表3 、表4 、图2 。

　试验结果表明:

　　(1) 混凝土抗氯离子渗透能力随水灰比的增大而减弱,从表2 、图1 可以看出, 水灰比为013 的混凝土电通量仅为水灰比为016 的混凝土的1/ 4 。随着龄期的增长, 普通混凝土抗氯离子侵蚀的能力有所提高, 但幅度不大。

　　(2) 从表3 可以看出, 混凝土强度越高, 水灰比越小,胶凝材料越多, 混凝土抗氯离子渗透的能力越大。要求电通量在2000 库仑以下, 混凝土强度必须在30MPa 以上。掺入粉煤灰对提高混凝土抗氯离子渗透能力作用明显, YH - 40- 2 、YH - 40 - 3、YH - 40 - 4 等三组试件电通量可低于1000 库仑, 这是一般高性能混凝土才能达到的指标。

　　(3) 表4 、图2 也表明: 当粉煤灰掺量为30 %时, 氯离子侵入混凝土内部的高度明显小于不掺粉煤灰空白对照组,说明掺粉煤灰可以提高混凝土抗氯离子渗透能力。

　　相关研究表明, 混凝土中掺入粉煤灰, 除代替部分水泥外(超量取代) , 不仅能生成水化产物提高混凝土后期强度和代替部分砂起微集料作用, 还能增加混凝土中的凝胶体,使混凝土中大孔隙变成小孔隙, 减小水泥石中互相连通的孔隙数, 降低混凝土渗透性和氯离子对混凝土的扩散系数。

4 　提高沿海水利工程混凝土结构防腐性能的途径

　　交通部门在《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(J TJ275 - 2000) 中对混凝土保护层、水灰比、最低水泥用量等都有具体要求, 但水利部门至今未出台相关标准与规程, 给沿海水利工程的设计施工带来许多问题。针对当前我省沿海水利工程混凝土结构防腐存在的问题, 建议采用以下几种措施提高混凝土抗腐蚀性能。

　　(1) 提高设计标准。沿海水利工程混凝土结构设计可参照J TJ275 - 2000 规范执行, 重点要提高混凝土设计强度。

　　上述规范要求, 在浪溅区, 一般要求抗氯离子渗透性在2000 库仑以下, 重要部位或采用高性能混凝土, 抗氯离子渗透性在1000 库仑以内。从上述试验结果可以看出, 要达到这种标准, 水灰比要求在0．45 以下, 混凝土强度等级在30MPa 以上, 而且必须使用高效减水剂与海水耐蚀剂。2006年我省沿海几处水利工程混凝土抗氯离子渗透性实测结果见表5 。这些混凝土掺入高效减水剂、海水耐蚀剂后, 抗氯离子渗透性大部分都在2000 库仑左右。2000 库仑以下的有6组, 强度都在40MPa 以上, 水灰比在0．41～0．48 之间。

　　(2) 选择优秀的混凝土配合比。混凝土中掺入磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰等能够提高混凝土抗氯离子渗透能力。我省矿渣、硅灰等资源紧缺, 粉煤灰资源丰富。上述试验结果表明, 根据原材料性能, 合理掺入粉煤灰, 可以配制出强度为30MPa～40MPa、价格便宜、抗氯离子渗透性能符合设计要求的混凝土。

　　(3) 为防止氯离子渗入混凝土内部, 除提高混凝土自身抗渗能力外, 还可以在其表面涂覆一层保护层, 阻止氯离子渗透入内部。目前市场上有环氧树脂、聚氨脂、丙稀酸脂、硅烷、水泥基结晶渗透材料等可用于混凝土表面防护, 当前主要应用于修补工程或重要工程混凝土双重保护。其缺点是: 大部分材料耐久性差, 要经常维护, 造价高。

5 　结语

　　(1) 我省沿海水利工程混凝土结构腐蚀破坏现象比较严重, 影响建筑物使用寿命与正常运行。海水中氯离子渗入混凝土内部引起钢筋锈蚀是造成混凝土结构腐蚀破坏的主要原因。设计标准低, 施工质量差加快了混凝土腐蚀过程。

　　(2) 沿海混凝土结构不仅要满足力学性能要求, 也要满足防腐要求。可以通过提高混凝土标号、降低水灰比、配制高性能混凝土达到提高混凝土自身密实性, 增强混凝土抗氯离子渗透性能。

　　(3) 针对我省沿海水利工程实际情况, 通过掺粉煤灰配制30MPa～40MPa 混凝土, 提高混凝土密实度增强其抗氯离子渗透性能是可行的, 能满足工程的一般要求。掺入粉煤灰后, 混凝土试件中通过的总电量显著降低, 氯离子渗入混凝土内部速度与深度明显下降。粉煤灰掺量30 %、水泥用量在350kg 左右可获得电通量在1000 库仑以下的混凝土。

　　(4) 提高设计标准与施工质量是保证我省沿海水利工程混凝土结构耐久性的重要因素。

参考文献

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　　[2]福建省水利水电科学研究所1 福建省沿海水闸老化情况调查与原因分析[R] 1 福州, 20001

　　[3]金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性[M] 1 北京:科学出版社, 20021

　　[4]洪定海1 海工混凝土中钢筋的腐蚀与保护[R] 1 南京: 南京水利科学研究院, 19981作者简介: 王锭一(1956 - ) , 男, 福建福州人, 高级工程师, 从事水利水电工程试验研究工作。