1  关于混凝土耐久性，你想知道的都在这了

 

    耐久性是材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力，即保证其经久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用寿命越长。抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性称为混凝土耐久性。

     3 海工钢筋混凝土结构防腐蚀技术研究现状及应用

 

    青岛海湾大桥地处胶州湾，是我国北方冰冻海域第一座特大型桥梁集群工程，是青岛市交通规划中东西岸跨海通道的“一路、一桥、一隧”中的一桥，也是国家高速公路网青岛至兰州高速公路的起点段。该工程是我国目前企业投资建设最大规模的交通基础设施项目。

    该地区气候环境特点可以概括为热丰、雨富、光足，大气中含有大量的盐分及 SO 2 ，近岸海域污染较为严重；降水中主要酸性污染物质是 SO 4 2- 和NO 3- ，污染正在逐年加重，酸雨污染的形势十分严峻。这样的气候、环境特点对钢铁和钢筋混凝土结构的腐蚀都是十分严重的，对如何进行桥梁长效防护的问题提出了严峻的挑战。

    钢筋混凝土结构表面防腐蚀的必要性

 

    由于钢筋混凝土结构的破坏，给各类土木工程造成了重大的安全隐患和经济损失。美国标准局 1975 年的调查表明，美国全年各种腐蚀损失为 700 亿美元，其中混凝土中钢筋腐蚀损失占40%。据 1984 年报道，美国 5715 万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀病害；1986 年，美国联邦高速公路管理局（FHWA）的报告估计维修桥梁的腐蚀损害需要 200 亿美元，并以每年 5 亿美元的速度增长。

    据调查资料表明，我国钢筋混凝土结构的腐蚀现象普遍存在，大多数混凝土桥达不到设计使用寿命。如 1981 年调查华南地区 18 座混凝土码头中，钢筋锈蚀破坏或不耐久的占 89%, 使用寿命最短的仅为 7 年，最长的为 25 年。

    据铁道部 2000 年桥隧秋检汇总资料统计，全路圬工梁较严重裂损等病害共计 6529 孔，占混凝土梁总数的 5.67%。

    以上的数据表明，预防钢筋混凝土结构的病害和延长它们的使用寿命，已经成为越来越紧迫的任务。

    混凝土结构破坏的主要因素

 

    对钢筋混凝土结构的破坏，主要分为混凝土自身的破坏以及由于混凝土自身的变化造成增强钢筋的腐蚀破坏。引起钢筋混凝土结构破坏的因素主要有：水泥水化产物的中性化、氯离子的侵蚀、硫酸盐的侵蚀以及氧和水等因素。钢筋腐蚀产物（铁锈）的体积约为原先铁体积的 2.5 ～ 7 倍，所产生的膨胀压力会造成混凝土的开裂、剥落，裂缝的产生又会招致更多腐蚀介质的进入，引发更严重的腐蚀。

    混凝土的中性化（主要是碳化）

 

    混凝土的中性化，是指混凝土中的碱性物质，与酸性物质进行反应，造成混凝土孔隙溶液 pH 值降低的现象。酸性物质主要有：CO 2 、SO 2 、酸雨、酸性水、酸性固体物等。混凝土的碳化，是最主要的中性化作用形式，它是指大气中的CO 2 与混凝土中的Ca（OH） 2 起化学反应，生成中性的 CaCO 3 。

    Ca（OH） 2 +CO 2 =CaCO 3 +H 2 O

    Ca（OH） 2 +[CO 2 +H 2 O]=CaCO 3 +2H 2 O

 

    Ca（OH） 2 是水泥水化的产物之一，对于普通的硅酸盐水泥，水化产生的Ca（OH） 2 可达 10% ～ 15%, 高碱度使钢筋表层钝化，但稳定性较差，很容易与大气中的 CO 2 发生中和反应。尤其是在工业区，CO 2 的浓度是普通环境的数倍甚至数十倍。与碳化相关的因素主要有：大气中的 CO 2 的浓度、空气中的湿度、温度等。水泥中性化的结果使混凝土碱度降低，从而使钢筋失去钝化层的保护。

    氯离子的侵蚀

 

    氯离子半径小，穿透能力强，能够加速钢筋腐蚀，对混凝土破坏主要表现如下：

    （1）氯离子进入混凝土并到达钢筋表面，能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生局部腐蚀。

    （2）氯离子的电化学作用，Cl - 吸附并破坏钢筋局部钝化膜，露出钢铁基体，暴露区与周围钝化膜形成电化学腐蚀电池，使阳极反应过程发生，Cl - 还强化腐蚀电池的导电性，加速电化学腐蚀过程。因此，对于氯离子含量高的区域，尤其是水工和海洋或近海环境，防止氯离子的腐蚀是非常重要的工作。在北方需要使用去冰盐的环境下，氯离子对混凝土的腐蚀也特别严重。对于非游离状态的氯离子，如在水化作用前，水泥中的水化氯化铝酸 3CaO、Al 2 O 3 、CaCl 2 、10H 2 O 和 3CaO、Al 2 O 3 、CaCl 2 、3H 2 O 不会对钢筋起锈蚀作用，但是水泥中性化后，水化氯化铝酸盐中的氯离子可以游离出来。

 

    酸盐的侵蚀

 

    工业生产中排放大量的 SO 2 气体，从而形成酸雨。我国酸雨覆盖面积已达国土面积的 30%, 长江以南大部分区域是酸雨区。这使混凝土的防酸雨措施也显得非常重要。SO 2 和进一步氧化的SO 3 中和掉混凝土中的 Ca（OH） 2 , 使混凝土中性化和酸化，混凝土内的钢筋丧失碱性保护而发生腐蚀。同时，SO 2 、SO 3溶于水所包含的 SO 2 2- 、SO 4 2- 可直接促进钢筋的电化学腐蚀。根据 1998 年的统计数据，环境水中的硫酸根离子进入混凝土内部，与水泥的固相发生化学反应，生成难溶的盐矿物类——钙矾石和二水石膏，然后吸收大量的水而体积膨胀，造成混凝土的破坏。

    当溶液中硫酸根离子浓度较低时，应产物水化硫铝酸钙含有较多结晶水，体积比水化铝酸钙增加 2.5 倍以上。当溶液中硫酸根离子浓度较高时，二水石膏体积增大 1.24 倍。当侵蚀溶液中硫酸根离子浓度在 1000mg/L 时，产生的是硫铝酸钙型侵蚀，其特征是试样出现有数条粗大裂纹；当溶液中硫酸根离子大于 1500mg/L 时，产生石膏 - 硫铝酸钙复合型侵蚀，石膏侵蚀起主导作用，其特征是试样发生溃散。

    钢筋混凝土结构常见表面防护方法

 

    使用优质的混凝土保护层

 

    通常采用抗渗防水混凝土、聚合物混凝土或者掺入钢筋阻锈剂对钢筋进行防护。在混凝土拌和物中直接掺入的钢筋阻锈剂，通过在钢筋表面形成保护膜来抑制电化学反应，根据抑制作用的不同可分为阳极型（抑制阳极反应）、阴极型（抑制阴极反应）以及混合型（对阳极反应、阴极反应均有抑制作用）三类。

    混凝土表面防腐涂层技术

 

    在混凝土基底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶剂或水分挥发后，各组分之间通过化学反应，在基底表面形成一层具有一定弹性的防水、防潮、防渗的连续薄膜。该涂料可形成质量轻、无接缝的完整防水膜，特别适用于混凝土结构中形状不规则的复杂表面。混凝土表面涂装防腐涂层的方法是国内外应用最广泛的防护方法。

 

    钢筋防腐涂层技术

 

    混凝土中的钢筋可采用防腐涂层，但是混凝土中的钢筋防腐涂层要考虑与钢筋的黏结力的因素，国外使用较多的是环氧树脂涂层和聚乙烯缩丁醛涂层。钢筋涂覆层防蚀的性价比较高，但是在施工时很难保证钢筋不受机械损伤、在钢筋涂覆膜不出现遗漏或者涂覆不好的地方，而这将留下巨大的隐患。而且钢筋涂层使对钢筋腐蚀情况的无损检测和腐蚀控制带来了一些困难，使阴极保护技术的受到限制。

    电化学防腐蚀技术

 

    由于混凝土中钢筋腐蚀都是电化学腐蚀，因此可通过电化学的方式来延缓或制止钢筋的腐蚀。所谓电化学方式，就是根据钢筋腐蚀的电化学机理，抓住阳极反应（钢筋腐蚀）必须同时放出自由电子的电化学本质，不让钢筋表面任何地方再放出自由电子，使其电位等于或低于腐蚀电位，就可使钢筋不能再进行阳极反应（腐蚀）。目前电化学保护技术中应用较多的是阴极保护技术，即钢筋整体成为阴极而被保护。阴极保护对水下区和潮差区的结构物保护效果较好，但对大气区的保护效果较差。

    总之，预防混凝土中钢筋腐蚀的措施很多，最为关键的就是要结合钢筋混凝土的使用环境以及潜在的腐蚀源，做到有的放矢，才能达到最佳的防腐效果。

 

    防腐蚀技术在青岛海湾大桥中的应用

 

    经过专家多次论证，青岛海湾大桥钢筋混凝土工程在全部采用海工高性能混凝土作为基本技术措施的基础上，对下部结构（包括墩柱、承台、扩大基础）全部使用透水模板（布）技术来提高表面混凝土质量，并在标高 6.0m 以下的海上部分采取表面涂层防腐蚀技术，在主塔及主塔承台采取外加电流阴极防护技术，在预制箱梁湿接头处采用硅烷浸渍防腐技术 , 并制定了科学合理的涂层设计施工技术规范，保证各类防腐蚀技术能够充分发挥效能。

 

     4 浅谈风电项目钢筋混凝土防腐蚀等级划分、地域划分及对应措施方法

 

    通常钢筋混凝土防腐蚀等级划分为强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀、微腐蚀 4 个等级。混凝土及钢筋混凝土材料埋设在各种类型的土壤中 , 都会不同程度地遭受各种侵蚀介质的腐蚀损坏。其腐蚀形态、腐蚀规律、腐蚀机理及主要影响因素与土壤类型、土壤理化性质及微生物的种类和含量有着直接的关系。

    一、我国主要土壤腐蚀性分类

 

    中碱性土壤对混凝土材料的腐蚀

 

    我国中原、华北、东北等地区的土壤一般为中碱性土壤。中碱性土壤对混凝土材料的腐蚀属于溶出性腐蚀 , 属于弱腐蚀或中等腐蚀。主要影响因素是土壤含水率、土壤透水性及硫酸盐等腐蚀介质的含量。

    酸性土壤对混凝土材料的腐蚀

 

    我国南方各省的砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤等土壤属酸性土壤类别。酸性土壤对混凝土材料的腐蚀属分解性腐蚀 , 属中等腐蚀。在酸性土壤中进行项目时 , 对地下部分混凝土结构 , 要配制高强高性能混凝土和必要的外防护措施。特别是在深圳地区更应加强防护。

    内陆盐土对混凝土材料的腐蚀

 

    我国新疆、青海、甘肃、内蒙等地区的土壤类别属内陆盐土。此种土壤对混凝土材料产生极严重的膨胀性腐蚀破坏 , 属强腐蚀或极强腐蚀性土壤。在内陆盐土地区 , 特别是在盐化内陆盐土、盐渍内陆盐土地区进行项目时 , 地下部分必须采取防腐措施 , 要配制耐腐蚀高性能混凝土 , 混凝土结构外围要作防腐蚀隔离层。

    滨海盐土对混凝土材料的腐蚀

 

    我国沿海地区的土壤属滨海盐土。滨海盐土中的盐分组成主要是氯化物和硫酸盐。滨海盐土对混凝土材料的腐蚀，主要是硫酸盐对混凝土材料的膨胀性破坏，以及氯化物对混凝土中钢筋的锈蚀。滨海盐土中含有大量的氯化物 , 它的存在一方面破坏钢筋的钝化膜 , 从而加速钢筋的锈蚀 ; 另一方面对硫酸盐的腐蚀具有抑制作用 : 氯离子与硬化水泥石中的水化铝酸钙反应生成氯铝酸钙 , 从而减少了具有膨胀性破坏作用的水化硫铝酸钙 （ 钙矾石 ） 的生成量。

    抗腐蚀的基本方法概述

 

    混凝土原材料处理

 

    水泥：普通水泥或硅酸盐水泥因其早期强度高、碱度高、碳化慢、品种稳定而成为首选品种。水泥强度等级按规范要求不低于 C35（ 有抗冻要求的不低于 C45）。注意应避免使用早强水泥 （ 水化速率过快 , 水化热大 , 混凝土收缩裂缝多 , 且熟料中硅酸二钙含量比例低 ,后期强度增长缓慢 ）。

    粗细骨料：石子可用花岗石或石灰石类级配碎石 , 但要筛除针状和片状颗粒 , 也可用级配河卵石。不得用活性的骨料以免产生碱骨料反应 （ 我省基本无此问题 ）。砂应使用河砂 , 不应使用海砂 （ 因现有施工人员素质和管理水平难以保证海砂冲洗后氯化钠总含量不得超过干砂质量千分之一的防腐蚀要求 ）。

    外加剂：适量的外加剂可提高混凝土密实性和耐腐蚀能力。常用的外加剂有钢筋阻锈剂、引气剂、混凝土减水剂等。要注意的是 , 外加剂化学组成中的氯盐可能使混凝土结构中的钢筋钝化膜破坏而带来隐患 , 故应事先检测其氯盐含量。

    控制混凝土的水灰比和水泥用量

 

    最大水灰比是保证水泥充分水化及混凝土和易性的用水量。理论上硅酸盐水泥水化结合水仅需水泥质量的 23%左右 , 但为了维持孔隙中供水畅通以保证水化反应 , 同时保证施工时的和易性（ 也可加入减水剂来实现 ） 往往需要达到最大水灰比的用水量。用水量如再多则自由水蒸发加剧 , 混凝土裂缝快速增加 , 不利于防腐蚀。

    严格保证混凝土保护层的厚度

 

    强腐蚀：梁、柱等条形构件混凝土保护层厚度不少于 40mm，基础、外墙、结构底板构件混凝土保护层厚度不少于50mm。

    中、弱腐蚀：梁、柱等条形构件混凝土保护层厚度不少于 35mm，基础、外墙、结构底板构件混凝土保护层厚度不少于 50mm。

    加强混凝土的养护

 

    为防止混凝土水份蒸发过快造成干缩裂缝以及混凝土水化过程温差较大造成温度裂缝，应保证水化过程适宜的温、湿度。故应加强混凝土成型后养护 , 特别是早期养护。

    钢筋与混凝土的表面防护

 

    强腐蚀性：1）环氧沥青或聚氨酯沥青涂层，厚度不少于 500μm。2）聚合物水泥砂浆，厚度不少于 10mm。3）树脂玻璃鳞片涂层，厚度不少于300μm。

    中腐蚀性：1） 涂 刷 2 遍 沥 青 冷底子油，沥青胶泥涂层，厚度不少于500μm。2）聚合物水泥砂浆，厚度不少于 5mm。3）环氧沥青或聚氨酯沥青涂层，厚度不少 300μm。

    弱腐蚀性：1）表面可不做处理。2）涂刷 2 遍沥青冷底子油，沥青胶泥涂层，厚度不少于 300μm。3）涂刷 2 遍聚合物水泥浆。

    混凝土垫层处理措施

 

    强腐蚀性：1）采用沥青混凝土，垫 层 厚 度 不 少 于 120mm。2） 采 用聚合物水泥混凝土，垫层厚度不少于 120mm。

    中腐蚀性：1）采用沥青混凝土，垫层厚度不少于 100mm。2）采用碎石灌注沥青处理，垫层厚度不少于150mm。

 

    弱腐蚀性：选用混凝土等级不低于C20，垫层厚度不少于 100mm。

    混凝土基础梁表面处理措施

 

    强腐蚀性：1） 环 氧 沥 青、 聚 氨酯沥青贴玻璃布，厚度不少于 1mm。2）树脂玻璃鳞片涂层，厚度不少于500μm。3）涂刷聚合物水泥砂浆，厚度不少于 15mm。

    中腐蚀性：1）涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青，厚度不少于 500μm。2）涂刷聚合物水泥砂浆，厚度不少于10mm。3）涂刷树脂玻璃鳞片涂层，厚度不少于 300μm。

    弱腐蚀性：1）涂刷环氧树脂沥青涂层，或聚氨酯沥青涂层，厚度不少于300μm。2）涂刷聚合物水泥砂浆，厚度不少于 5mm。3）涂刷 2 遍聚合物水泥浆。

    桩基础抗腐蚀处理措施详述

 

    桩基础环境钢筋混凝土腐蚀通常为硫酸盐腐蚀、氯离子腐蚀、PH 腐蚀。强腐蚀环境下宜选用预制钢筋混凝土桩，中、弱腐蚀环境下宜选用混凝土灌注桩。

    预制钢筋混凝土桩

 

    硫酸盐腐蚀：1）采用抗硫酸盐或硅酸盐水泥施工。2）添加适当抗硫酸盐外加剂。3）增加桩身混凝土腐蚀量，强腐蚀环境下不少于 30mm，中等环境下不少于 20mm。4）强腐蚀环境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蚀涂层；中等腐蚀环境下涂刷不少于 300μm 防腐蚀涂层。

    氯离子腐蚀：1）加入钢筋阻锈剂、矿物掺和料。2）强腐蚀环境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蚀涂层；中等腐蚀环境下涂刷不少于 300μm 防腐蚀涂层。

    pH腐蚀：1）增加桩身混凝土腐蚀量，强腐蚀环境下不少于 30mm，中等环境下不少于 20mm）强腐蚀环境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蚀涂层。中等腐蚀环境下涂刷不少于 300μm 防腐蚀涂层。

    钢筋混凝土灌注桩

 

    硫酸盐腐蚀：1）采用抗硫酸盐或硅酸盐水泥施工。2）掺入矿物掺合料。3）增加桩身混凝土腐蚀量，中等腐蚀环境下不少于 40mm，弱环境下不少于20mm。

    氯离子腐蚀：1）掺入钢筋阻锈剂。2）掺入矿物掺合料。

    pH腐蚀：1）增加桩身混凝土腐蚀量，中等腐蚀环境下不少于 40mm，弱环境下不少于 20mm。

    升压站砌体结构抗腐蚀处理措施详述

 

    腐蚀条件下，升压站附属建筑若选择砖砌体结构，其材料建议选用烧结普通砖、烧结多孔砖，强度等级可选用MU30、MU25、MU20。若选用砌块砌体结构，其材料建议选用混凝土小型空心砌块，强度等级可选用 MU15、MU20。但在强、中等腐蚀条件下，基础不宜选择砖基础。砌体墙面用 1 : 2 水泥砂浆抹面处理，后根据防腐等级进行面层防护。

    腐蚀条件砌体结构表面处理措施：

    强腐蚀环境下： 涂 刷 不 少 于160μm 防腐涂层（保护层使用年限10 ～ 15 年）；涂刷不少于 120μm 防腐涂层（保护层使用年限 5 ～ 10 年）；涂刷不少于 80μm 防腐涂层（保护层使用年限 2 ～ 5 年）。

    中腐蚀环境下：涂刷不少于 120μm防腐涂层（保护层使用年限10～15年）；涂刷不少于 80μm 防腐涂层（保护层使用年限5～10年）；聚合物水泥浆2遍（保护层使用年限 2 ～ 5 年）。

    弱腐蚀环境下：涂刷不少于 80μm防腐涂层（保护层使用年限 10 ～ 15年）；聚合物水泥浆 2 遍（保护层使用年限 5 ～ 10 年）；可不做表面防护处理（2 ～ 5 年）。

 

    5 提高海洋工程混凝土结构耐久性的思考

 

 

    跨海大桥是连接港区和大陆的集装箱物流输送动脉，对沿海城市深水港的正常运转起到不可或缺的支撑保障作用，为保证跨海大桥混凝土结构的耐久性，在国内有些超大型工程甚至采用了100 年设计基准期，工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性技术方案。然而我国目前大型海洋工程超长寿命服役的相关技术规范，高性能混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用方面尚为空白，因此结合工程的具体需要，研究跨海大桥混凝土结构耐久性策略和高性能混凝土的应用技术极为迫切和重要。

    跨海大桥中混凝土的腐蚀主要来自于海洋中的氯离子。海水中通常含有3%的盐，其中主要是氯离子，海风、海雾中也含有氯离子，海砂中更含有不等量的氯离子。我国的海岸线很长，大规模的基本建设多集中在沿海地区，尤其是海洋工程如码头、护坡和防护堤等由于氯离子引起的钢筋锈蚀破坏是十分突出的。同时，沿海地区已经出现河砂匮乏的情况，不经技术处理就使用海砂的现象亦日趋严重，这也为氯离子引起钢筋锈蚀破坏创造了条件。国外的工程经验教训表明，海水、海风和海雾中的氯离子和不合理的使用海砂，是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。

    混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是海水中 Cl - 侵蚀，二是大气中的 CO 2 使混凝土中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是 Cl - 进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。在跨海大桥周边沿海码头调查中亦证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于 Cl - 渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为 3mm/10 年。因此，影响跨海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的 Cl - 渗透速度。

    混凝土大桥结构布置和耐久性设计

 

    大桥混凝土结构布置

 

    跨海大桥跨海段通航孔部分预应力连续梁、桥塔、墩柱和承台均采用现浇混凝土；非通航孔部分以预制混凝土构件为主，其中 50 ～ 70m 的预应力混凝土箱梁是重量超过 1000 吨的巨型构件；陆上段梁、柱和承台亦采用现浇混凝土。混凝土的设计强度根据不同部位在C30 ～ C60 之间。

    跨海大桥附近海域气象环境

 

    我国跨海大桥多地处北亚热带南缘、东北季风盛行区，受季风影响冬冷夏热，四季分明，降水充沛，气候变化复杂，多年平均气温为偏低，海区全年盐度一般在10.00～32.00‰之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。

    跨海大桥面临的耐久性问题

 

    在海洋环境下结构混凝土的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起。主要表现形式有钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵蚀、溶蚀、碱 - 集料反应和冲击磨损等。

    我国跨海大桥多位于典型的亚热带地区，严重的冻融破环和浮冰的冲击磨损可不予考虑；镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土成分来避免；这样钢筋锈蚀破环就成为最主要的腐蚀荷载。

    氯离子对钢筋的锈蚀

 

    氯离子侵入混凝土的途径：Cl - 进入混凝土中通常有两种途径：其一是“混入”，如掺用含氯离子外加剂、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇注混凝土等；其二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中，并到达钢筋表面。 “混入”现象大都是施工管理的问题；而“渗入”现象则是综合技术的问题，与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量，钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。

    氯离子对钢筋锈蚀机理：破坏钝化膜

 

    水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致蜜的钝化膜。钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当 pH＜11.5时，就开始不稳定，当pH＜9.88时该钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl - 是极强的去钝化剂，Cl - 进入混凝土到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，可使该处的 pH 值迅速降低，可使钢筋表面pH值降低到4以下，从而破坏钢筋表面的钝化膜。

    形成腐蚀电池

 

    如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀，但是在不均质的混凝土中，常见的是局部腐蚀。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阴极，蚀坑发展十分迅速。

    去极化作用

 

    Cl - 不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而把加速阳极极化作用称作去极化作用，Cl -正是发挥了阳极去极化作用。〕、导电作用。混凝土中 Cl - 的存在强化了离子道路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。  

 

    结构设计

 

    1、结构选型和细部设计

 

    频繁地干温交替会加剧钢筋锈蚀，所以在结构选型和细部设计时，应昼限制混凝土表面、接缝和密封处积水，加强排水，尽量减少受潮和溅湿的表面积。

    由于环境侵蚀介质在构件棱角或突出部分可以同时从多方面侵入混凝土，而凹入部分易积存侵蚀介质、应力异常，因此从提高混凝土结构耐久性角度出发，混凝土构件选型应力戒单薄、复杂和多棱角。预计腐蚀破坏严重的构件应便于检测、维护和更换。

    2、控制裂缝

 

    不可控制的裂缝包括混凝土塑性收缩、沉降或过载造成的裂缝，常为较宽的裂缝，应针对成因采取措施预防开裂，即使难以预料也应加以引导，使其发生于次要部位或便于处理的位置。可控制裂缝是靠传统的结构设计知识，按结构几何尺寸与荷载可以合理预防和控制的裂缝。

 

  

 

    提高海工混凝土耐久性的技术措施

 

    国内外相关科研成果和长期工程实践调研显示，当前较为成熟的提高海洋钢筋混凝土工程耐久性的主要技术措施有：

    高性能海工混凝土

 

    其技术途径是采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土材料。高性能海工混凝土较高的抗氯离子渗透性为特征 , 其优异的耐久性和性能价格比已受到国际上研究和工程界的认同。

    提高混凝土保护层厚度

 

    这是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。

    混凝土保护涂层

 

    完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触的特点，从而延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命。然而大部分涂层本身会在环境的作用下老化，逐渐丧失其功效，一般寿命在 5 ～ 10 年，只能作辅助措施。

    涂层钢筋、耐腐蚀钢筋

 

    采用耐腐蚀钢筋对混入型和渗入型氯离子的防护都是很有效的。因为环氧涂层钢筋是在严格控制的钢厂流水线上涂覆的，一般可以保证涂层高质量，涂层可以将钢筋与周围的混凝土隔开，即使氯离子和氧气等已经大量侵入混凝土，它还是可以长期保护钢筋，使钢筋免遭腐蚀。

    钢筋表面采用致密材料涂覆，如环氧涂层环氧涂层钢筋在欧美也有一定的应用，其应用效果评价不一。主要不利方面是，环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力降低 35％，使钢筋混凝土结构的整体力学性能有所降低；施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严格，加大了施工难度；另外成本的明显增加也是其推广应用受到制约。

    钢筋阻锈剂

 

    钢筋阻锈剂通过影响钢筋和电介质之间的电化学反应，通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界浓度来稳定钢筋表面的氧化物保护膜，可以有效地阻止钢筋腐蚀发生，从而延长钢筋混凝土的使用寿命，因为阻锈剂的作用可以自发地在钢筋表面上形成，只要有致钝环境，即使纯化膜破坏也可以自行再生，自动维持，这不仅优于任何人为涂层，而且经济、简便。但由于其有效用量较大，作为辅助措施较为适宜。最好的办法是是将电解质的 pH 值提高到 12 左右，使钢筋表面有一层稳定的钝化膜使阳极反应难以进行，从而阻止钢筋的腐蚀。阻锈剂能优先参与并阻止钢筋这两种或任何一种界面反应，并能长期保证其稳定状态，从而有效地阻止了钢筋的锈蚀。

 

    阴极保护

 

    阴极保护的电化学原理就是：即使钢筋周围的混凝土有的已经碳化或含有大量氯离子，或者混凝土保护层薄而透水透气，或钢筋表面具有锈层，不让钢筋表面任何地方放出自由电子，使其电位等于或低于平衡电位，就可以使钢筋不再进行阳极反应，即钢筋锈蚀。该方法是通过引入一个外加牺牲阳极或直流电源来抑制钢筋电化学腐蚀反应过程从而延长海工混凝土的使用寿命。但是，由于阴极保护系统的制造、安装和维护费用过于昂贵且稳定性不高，目前在海工钢筋混凝土结构中很少应用。

    海水耐蚀剂

 

    海水耐蚀剂是用矿渣、硬石膏、天然火山灰、活性激发组分等无机材料磨粉而成。

    物理作用：海水耐蚀剂的比表面积，其微粉填充效应提高了水泥浆体与骨科之间的黏结强度，从而提高了混凝土的密实度。

    化学作用：①海水耐蚀剂中的高活性微粉、活性二氧化硅不断与水化出来的 CaOH 2 发生化学反应，生成更多的 C-S-H 凝胶，加快水泥水化速度，提高混凝土的强度②火同灰的抗硫酸盐、抗海水侵蚀效果决定于火山灰中的二氧化硅的含量，二氧化硅含量高可以提高混凝土的耐久性，更重要的是在易被侵蚀的铝酸盐化合物上覆盖了一层C-S-H 凝胶的保护膜。

    混凝土表层处理

 

    为了防止水、氯化物、二氧化碳等侵蚀介质渗入混凝土中，以延缓钢筋锈蚀，对于修补过的或新并行筑的混凝土结构，涂覆混凝土干作为第一道防线，往往是一种比较简便、经济和有效的辅助性能保护措施。镶面板是另一种混凝土表层处理方式。

    定期检测

 

    对混凝土结构也应做定期检查，尽早发现问题，制定合理维修方案，对延长工程寿命也有显著效果。

    改善海洋工程结构混凝土耐久性策略

 

    改善混凝土和钢筋混凝土结构耐久性需采取根本措施和补充措施。根本措施是从材质本身的性能出发，提高混凝土材料本身的耐久性能，即采用高性能混凝土；再找出破坏作用的主次先后 ,对主因和导因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外的补充措施。而二者的有机结合就是综合防腐措施。大量研究实践表明，采用高性能混凝土是在恶劣的海洋环境下提高结构耐久性的基本措施，然后根据不同构件和部位，经可能提高钢筋保护层厚度（一般不小于 50mm），某些部位还可复合采用保护涂层或阻锈剂等辅助措施，形成以高性能海工混凝土为基础的综合防护策略，有效提高大桥混凝土结构的使用寿命。

    因此，对海洋工程跨海大桥混凝土结构的耐久性方案的设计遵循的基本方案是：首先，混凝土结构耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同时，依据混凝土构件所处结构部位及使用环境条件，采用必要的补充防腐措施，如内掺钢筋阻锈剂、混凝土外保护涂层等。在保证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的耐久性将可以达到设计要求。

    对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况——如原材料的可及性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性。也就是说应该采取有针对性的，因地制宜的综合防腐方案。

    高性能混凝土的质量保证措施

 

    高性能海工混凝土工程耐久性是一项系统工程。为保证整个设计的系统性、完整性、规范性、科学性和可行性，必然需要一个完善的整体思路和框架。因此，在建设过程中要遵循了一个以预先质量控制与评估，耐久性方案设计和质量控制与评估的思想。为确保混凝土结构耐久性的目标，须从三大环节进行控制 , 即 :

    （1）预先质量控制与评估：是在了解工程背景、使用环境以及混凝土材料在海洋环境中的性能特点的基础上，通过对材料性能的试验研究，建立混凝土结构耐久性设计的数据和依据，并预测混凝土结构的实际使用性能

 

    （2）耐久性方案设计：充分考虑各种可变因素对钢筋混凝土结构使用寿命的影响，如环境温度、混凝土内应力、裂缝等，以建立使用寿命预测系统，为耐久性方案的设计提供指导和依据。再以使用寿命预测系统为基础，制定有针对性的耐久性解决方案。

    （3）质量控制与评估：是指在方案的实施过程中如何控制各方面的质量以及如何对已完成部分的质量进行评估的过程。在质量控制与评估环节中，主要需要确立各种质量控制措施和实施标准，建立各种性能试验的评价体系，保证混凝土性能符合方案设计要求。

    对于实际施工过程中，质量控制与评估将是重中之重。相对普通混凝土的质量控制而言，高性能混凝土施工质量控制主要涉及原材料质量、配合比、拌和、施工、保护层厚度、养护等方面，其重点和难点在于保护层厚度和养护等方面。

    高性能混凝土的养护

 

    顶面混凝土由于阳光直射温度较高产生温差过大的现象，同时由于风速较大也容易造成混凝土表面失水过快，混凝土表面收缩较大而导致混凝土开裂。

    因此，在实际施工过程中，箱梁混凝土浇注完毕后即在顶面加盖塑料薄膜顶棚以保温保湿。对于预制箱梁等大型预制构件，由于预制场地的限制和施工进度要求，采用低温蒸养的方式。

    对于现浇混凝土，混凝土成型抹面结硬后立即覆盖土工布，砼初凝后立即进行浇水养护，养护用水为外运淡水，拆模前 12 小时拧松加固螺栓，让水从侧面自然流下养护，侧面拆模不小于 48 小时。

 

    结语

 

    根据分析，影响我国现阶段跨海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl - 渗透速度。针对这一具体情况，并考虑各地的实际情况——如原材料的可及性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性，跨海大桥工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案。通过符合现阶段工程实际情况和技术水平的施工措施和质量保证措施，确保了高性能混凝土的质量符合耐久性设计的要求。

 

    6 形状记忆合金在混凝土中的应用

 

    混凝土作为重要的建筑材料之一，因其原材料丰富、成本小、生产简便等优点而被广泛地用于各项工程建设中。随着建筑行业的逐渐发展，人们也对混凝土的性能进行不断的研究与改善，以便其能更好的适应建筑行业的市场要求。但混凝土自身还是存在着很多的问题。在混凝土的水化硬化过程中，其内部不可避免地会出现很多微细孔、微裂缝以及孔洞等，而裂缝的存在会加速混凝土所包裹钢筋的腐蚀，严重影响着结构整体的承载能力、耐久性能等等，对建筑的外观及寿命会产生非常不利的影响。长期的研究与实践都表明裂缝在混凝土中是不可能完全避免的，只能采取一定的措施尽可能地减少与预防，另外，虽然混凝土具有较高的抗压强度，但自身脆性大，如果遇到外力冲击时，如地震、台风等灾害，就会因变形过大与钢筋屈服等等，使建筑受到不可逆转的破坏，对人身财产安全造成极大的损失。因此，如何更好地改善混凝土的自身缺陷，使之更好地服务于社会，是我们正在探索也是亟待解决的问题。

    形状记忆合金简介

 

    所谓形状记忆合金，是指拥有“记忆”效应的合金，它可以记忆原有形状。目前，大多数 SMA 是通过马氏体相变实现其形状记忆功能的。当 SMA 在高温下形成一定的形状，合金就将这个形状“记忆”下来，在低温下发生一定的变形后，当温度升高后它可自行消除之前所发生的形变，达到原来高温下所呈现的形状。这是由于在升温过程中 SMA内部出现了特殊的相变过程——热弹性马氏体相变，SMA 在从低温向高温的转变过程中其内部固相由马氏体向奥氏体转变，而在奥氏体状态下的合金拥有比普通金属大几十倍的恢复应力，从而使其自身形状得以恢复。

    由于 SMA 具有形状恢复的性质，所以被广泛应用于各个领域。从牙箍、眼镜框到各种热敏元件再到人造骨骼、航空航天飞行器、人造卫星等都有 SMA的应用。SMA 在水泥混凝土中的研究与应用也较为广泛，并取得不错的效果。

    SMA 在预应力混凝土中的研究与应用

 

    在 19 世纪 80 年代，英国、美国等已经开始对预应力混凝土的研究，到第二次世界大战之后，由于很多建筑被破坏需要修复，预应力混凝土得到了极大的发展。现阶段，预应力混凝土已被广泛地应用于铁路、桥梁等各种项目工程中。目前，预应力混凝土中大多采用热处理的钢筋作为施加预应力的主体，SMA 在预应力混凝土中的研究与应用还处于起步阶段。美国学者 SreenathKotamala 将 SMA 置于混凝土中，利用SMA 相变中产生的驱动，能对梁结构提供很好的纵向预应力，也能在一定程度上达到构件损伤与裂缝的自修复作用。金江等人则将 SMA 与复合材料共同用于预应力混凝土中，制作出了性能良好的自适应梁结构。虽然 SMA 在预应力混凝土中的应用并不多，但很多研究与实践都表明，SMA 预应力技术是完全可行的，且 SMA 预应力混凝土较钢筋预应力混凝土的生产工艺更加简单、成本更加低廉。

    SMA 在混凝土结构振动控制中的研究与应用

 

    现阶段，SMA 对于结构振动控制的实现方式主要有主动控制与被动控制两种。主动控制的研究内容主要是 SMA作为振动控制元件以及如何增加 SMA的使用频率。而被动控制则是将 SMA用作智能阻尼器与振动隔离装置。

    美国学者 Rogers 首次将 SMA 设计成具有主动振动控制功能的结构，其研究表明，SMA 的驱动力能提升混凝土结构的等效刚度，使混凝土构件的共振频率发生变化，从而起到对振动的主动控制作用。王吉军等人将 SMA 作为感知驱动元件置于梁结构中，发现 SMA 可灵敏地感知并抑制振动的发生。Baz 则指出在 SMA 应用于振动控制器时，还需关注其恢复速度的快慢，防止恢复速度过大而导致的过控制现象。欧洲的几个国家共同参与的 MANSIDE 项目中，详尽地研究了 SMA 作为阻尼器使用的力学性能、阻尼性能以及结构设计等，表明 SMA 在结构振动控制中具有非常优良的效果。

    SMA 在混凝土裂缝控制中的研究与应用

 

    SMA 不但具有形状记忆功能，当其形状恢复时还能产生非常大的相变弹性，从而产生很强的恢复应力与应变，而将其应用于混凝土结构中就能很好的控制混凝土的变形与裂缝。SMA 的电阻率大小还随着其应变与应力的变化而改变。根据这一特性固建鸿等人将 SMA进行一定的预应变处理，再把处理后的SMA 绕在梁柱结构上，如果混凝土产生裂缝，处在裂缝处的 SMA 就会发生形变且受到一定的应力作用，其电阻率就会发生变化，通过安装在外部的测量装置就可以得到其电阻率变化值，当裂缝增长到需要抑制的数值时，控制装置就会对 SMA 通电，使其发热产生应变。在SMA 的恢复应力作用下，可非常有效的降低梁柱的受力情况，增加其抗冲击能力，减少裂缝的产生。不过在这个过程中，要对 SMA 进行循环的加热与冷却，这会出现一定的延迟性，很大程度上影响了 SMA 对混凝土结构裂缝的控制性能。因此，还需进一步的对其产生应变与应力的频率加以改善，使之能更为有效的控制混凝土结构裂缝的产生。

 

 

    SMA 在水泥混凝土中的其他研究与应用SMA

 

    在水泥混凝土中的应用很广泛，除了以上几方面以外，其还应用在智能自修复混凝土、水泥基智能堵漏材料等领域。南京航空航天大学在 1997年研制出了 SMA 智能自修复混凝土，他们将 SMA 与液芯光纤置入混凝土中，当混凝土发生损害时，液芯光纤所形成的自诊断系统就会对损害处的 SMA 产生一定的激励作用，使 SMA 发生形变，在局部产生应力使液芯光纤破裂，破裂后其所携带的修复液就流出到裂缝处完成裂缝的修复工作。而 SMA 受到激励还会产生一定的热量，这会对修复液的固化非常有利，进一步提升修复质量。济南大学的王琦教授首次将 SMA 应用于水泥基智能堵漏材料中，把 SMA、吸水树脂、水泥等材料采用特殊的制作工艺成型，制成具有高效堵漏性能的材料，SMA 在进入油井下方井漏区域时，由于井下温度的影响而产生形变，同时其产生的应力将所携带的水泥材料分散开来，之后再与吸水树脂共同形成桥接，迅速、高效地完成整个堵漏过程，其堵漏效果明显优越于同类其他堵漏材料。

 

    结语

 

    SMA 以其独有的特点与优越的性能被广泛应用于各个领域中，其在水泥混凝土中的研究与应用也得到了不断的推广与进步。不过，还是要注意到 SMA应用于水泥混凝土中所存在的一些问题，如其形变滞后性、相应过程延迟性、成本较高等，这在一定程度上制约了SMA 更进一步的推广与使用。不过随着对 SMA 研究的不断深入，SMA 应用于水泥混凝土的技术也在不断的提升，应用效果也逐渐改善。相信以后随着 SMA研究的逐渐成熟，其必将为水泥混凝土行业带来全新的发展。

 

    7 微生物修复混凝土技术的研究现状与进展

 

    微生物诱导修复的研究现状

 

    微生物诱导碳酸钙沉淀的形成一般由两种方法：（1）一种是厌氧微生物的酶化反应，即厌氧微生物新陈代谢活动能够产生一种尿素酶，通过外界不断的提供营养液（尿素和钙离子），这种催化酶能够将尿素水解为氨和二氧化碳，随着生成物的不断增加，溶液中的 pH 值会不断的升高，当碳酸根离子遇到钙离子时，就可以引起钙离子以碳酸钙的形式沉积。同时微生物细胞附近也为下一步碳酸钙的沉积提供成核的地点；（2）另一种是好氧微生物的呼吸作用自我修复，即通过将微生物、营养液、水泥浆等同时搅拌成混凝土结构，在混凝土裂缝没有形成以前，微生物处于休眠状态。一旦裂缝形成，混凝土结构中进入水和空气后，微生物就会进行有氧呼吸作用，将氧气转化为二氧化碳，二氧化碳与混凝土结构的钙离子结合，最后生成碳酸钙沉积物。

 

    厌氧微生物诱导沉淀的研究现状

 

    （1）诱导沉淀的成分及性能的研究。Ramakrishnan 等通过对厌氧微生物诱导后的产物进行（SEM）电镜扫描和 X 射线衍射（XRD）分析得出沉积物为方解石。同时对修复后的试件进行抗酸、抗碱、冻融循环和干缩循环试验，得出的数据显示试件的耐久性得到了显著的加强。

    黄琰等将巴斯德芽孢杆菌培养基与无菌培养基的进行对比试验来处理石英砂，通过 X- 射线衍射分析和扫描电镜分析得出，通过有菌培养液处理后的石英砂表面有方解石晶体生成，同时在方解石晶体表面附着有巴斯德芽孢杆菌。

    （2）温度、PH、溶液浓度、缓冲溶液等对微生物诱导沉积物的影响。

    Tittelboom KV 等通过对混凝土结构抗渗的研究，得出了缓冲溶液硅胶对微生物在混凝土结构中的存活起着关键作用，缓冲溶液硅胶的存在可以使得微生物适应高碱性环境，从而可以有效的提高修复材料的耐久性能。通过超声检测得出，微生物修复后的混凝土结构超声检测的声时明显低于无微生物混凝土结构检测声时。热量分析也证实了缓冲溶剂硅胶的存在对微生物的存活起着重要作用。

    Navneet Chahal等的室内研究表明，细菌改性硅灰混凝土抗压强度的提高是因为活性细菌催化作用下产生的沉淀，进入了混凝土的裂纹和空洞里。通过不同浓度有菌试验和无菌试验，5% 硅灰含量和 10% 硅灰含量对比试验及耦合试验得出，28 天标准养护的抗压强度，10% 硅灰 +105 cells/ml 菌体浓度的抗压强度提高最多 38.1Mpa（无菌试验 5% 硅灰含量混凝土抗压强度为28Mpa）。通过 X 射线分析和扫描电镜观察，添加硅灰的含菌体混凝土抗渗透性效果显著。

    黄琰等通过单因素影响的试验方法分别通过钙离子浓度、温度和外添加剂镍离子含量对诱导产物的产量作了研究。单因素试验分别得出当钙离子浓度为 0.0252mol/L、温度为 30℃时，方解石产量最高。同时，镍离子含量的多少与方解石产量成反比。

    好氧微生物诱导沉淀的研究现状

 

    对好氧微生物自修复研究比较全面的荷兰代尔夫特大学的 Henk M. Jonkers对微生物的存活率、强度增长进行了研究。

    Jonkers 等从碱性土壤中提取球形芽孢杆菌（耐碱菌种），将培养过的菌种与乳酸钙营养液和混凝土共同浇注，通过 MPN 观察，该菌种在浇筑完成第 9天细菌存活量为 1.6×106/cm 3 、第 22天细菌存活量为 0.35×106/cm 3 、第 42天细菌存活量为 0.25×106/cm 3 、四个月后细菌存活量为 0.5×103/cm 3 。通过与无菌构件比较，混凝土构件的抗压强度下降了 10%，通过 MIP 分析可以得出在调整细菌用量的基础上，裂缝产生7 天后，微生物能对混凝土裂缝进行修复，而 28 天后随着微生物数量的减少，产生的碳酸钙的量也逐渐减少，再次产生裂缝后，修复效果不理想。

    培养基、微生物、缓冲溶液等和水泥基的兼容性

 

    微生物含量的多少直接影响裂缝的修复效果。很多研究表明，微生物含量过多会影响混凝土结构性能，而微生物过少，在需要修复的部位不存在微生物或者微生物含量过少，就会最终影响裂缝的修复。同理，如果在需要修复的部位营养液不足，也会对裂缝修复产生影响。缓冲溶液可以有效的控制微生物作用环境的 PH，因此缓冲溶液的多少对微生物的存活量等有较大的影响。

    微生物混合溶液对混凝土耐久性的进一步研究

 

    厌氧微生物作用下混凝土的耐久性主要是以矿物沉积为研究方向，这方面所做的试验工作比较多。好氧微生物作用下混凝土的耐久性研究较少，好氧微生物通过呼吸作用产生二氧化碳，会与混凝土中的 Ca（OH） 2 结合，因而降低了混凝土中的碱性，这对钢筋的保护作用是不利的，但微生物在混凝土结构内部的呼吸作用又可以消耗内部的氧气和部分水分，这对保护钢筋又是有利的，这就需要对好氧自修复混凝土的耐久性，特别是对钢筋的保护作用作进一步的研究，已达到对钢筋保护的最佳方案。

 

    微生物修复技术应用的展望

 

    大量的实验研究表明，微生物诱导碳酸钙沉积物可以成功的应用在修复混凝土表面裂纹上。大量的矿物沉积是由于微生物的诱导后产生的，因此与传统意义上的高分子补漏相比能够更有益于环境的保护。厌氧微生物修复技术实验室研究阶段技术已经比较成熟，应用到工程上不仅要确定成分的最优比，而且还要考虑经济效益。混凝土结构需要有较长的使用年限，在混凝土服役期间，如果好氧微生物的自修复技术能够成功的应用到工程上，这对混凝土结构修复技术有着重要的意义，因为这不仅可以实现旧建筑物的自我修复，又可以实现新建建筑物的智能修复，因此好氧微生物的自修复的应用有着广阔的应用前景。

 

    8 高速铁路耐久性混凝土的配制与施工要点

 

    通过对高性能混凝土的试验结果，并结合京津城际铁路客运专线混凝土材料的选择、配合比的设计以及施工工艺的控制，系统的对高性能混凝土配合比设计要点及注意事项进行了阐述，对施工中混凝土质量缺陷的消除，希望对同类工程具有参考价值。

    发达国家处于对混凝土的结构耐久性进行设计，发现了新概念混凝土，相比于传统的混凝土，高性能混凝土在结构耐久性方面有一套成熟的标准，对于混凝土材料硬化前的性能进行改善，以提高混凝土结构的耐久性和可靠性。高性能的混凝土在密实性能上具有抗冻性和耐侵蚀性，适宜于在耐久的建筑中使用，美国、日本、欧洲等发达国家对其应用最多，我国研究的高性能混凝土使用年限能达到一百年。

 

    高性能混凝土的配制

 

    对其进行配制，除了使用水泥、砂、石、水泥之外还需要一些化学添加剂和矿物细掺料。在选材上就要求和水泥有一定的相容性，配制要合理，配制的标准要符合黄金比例，选材更具有复杂性。为了达到耐久和高强的要求，用水量要低对胶凝材料总量要控制好。不仅具有耐久性、施工性、尺寸稳定性等力学性能，在经济和适用方面也具有一定的优势。第一是水泥，水泥在混凝土中扮演着非常重要的作用，水泥的细度和矿物组成及碱含量都是提高混凝土质量的重要因素。如果在水泥中含有太多的碱，会和活性骨料发生二次反应，因为不断的膨胀容易造成混凝土开裂，会给混凝土结构物带来影响。第二是高效减水剂，其是现代高性能混凝土中非常重要的一个因素，会使混凝土的水胶比降降低，打破水的表面张力，把物料颗粒中的游离水进行释放，得到一定的吸附和润滑作用，保证混凝土的坍落度不变的情况下单位用水量减少。和水泥汇总的游离氧化物进行凝胶，防止外界水进入孔隙。第三是矿物活性掺和料，其主要是粉煤灰、硅灰等。第四是骨料，主要有硅质河砂、石灰岩碎石等。

    为了保证高性能混凝土的耐久性，需要对抗碳化性、抗冻性、抗化学侵蚀性等进行考虑，保证其坍落度、泌水率和含气量等符合要求。在配合比方面要注意以下几点。第一，水灰比法则，其决定了混凝土硬化后的强度，也能影响其耐久性。水灰比越低，混凝土强度越大，并保证低水胶比、低用水量、高密实度。第二，最大密实度法则，保证将各种材料对混凝土中可能产生的空隙进行填空，保证混凝土密实度最大。要对砂率进行确定，其主要取决于骨料的级配和颗粒形状、水泥浆的六边形，砂率应该在骨料的总体积的百分之三十到四十之内，确定配合比中的浆集比和砂率，促进混凝土的强度和耐久性。第三，最小单位用水量法则，混凝土的用水量要少，要保证在和易性允许的前提下，对坍落度和高效减水剂效果和矿物掺和料的关系进行考虑。对配合比进行设计可以分为三个步骤，先对空白混凝土的初步配合比进行计算，并确定外加剂和细掺料的掺量，对强度和耐久性进行试验，确定理论配合比，把含水量进行换算，确定其施工的配合比。要注意三个关键技术，第一是对外加剂进行合理使用，第二是对掺和料的技术进行合理使用，第三是混凝土的开裂和防裂进行控制。对混凝土中加入粉煤灰的量要进行合理选择，通过混凝土的性能来控制不同矿物掺和料的掺料，矿物掺和料的掺料不要小于胶凝材料总量的 20%。

 

    高性能混凝土配合比设计要有一定的步骤，第一是确定适配的强度，其试配强度要超过设计中的强度标准。第二是水胶比，高性能的混凝土在配制过程中，要求水胶比要较低，对密实度进行保证，抵制腐蚀性气体的损害从而提高耐久性。第三是单位用水量，在和易性允许的情况下，要保证混凝土的单位用水量要尽可能小，并对高效减水剂的质量和用量及掺和料的关系进行考虑。除了这三种情况还要对单位胶凝材料用量、初步砂率、胶浆量、初算骨料用量等进行计算。

 

    高性能混凝土施工

 

    为了保证混凝土的高性能，应该保证其密实度要高、在抗渗和抗冻、抗腐蚀方面具有一定的性能。这就需要对混凝土施工的整个工艺进行控制，不仅包括对模板的选用和支立、各种原材料品质、配制量拌合、灌注、捣固、养生等进行控制。

    第一是模板，要保证其平整光滑，最好选用钢制材料，并采用一定的加固系统涂胶板，在模板支撑系统内对荷载进行计算，对受力程序进行验算，保证其强度、整体刚度和稳定性，在安装的过程中于鏊保证严丝合缝，不出现漏浆的情况。对于模板隔离剂的选择，可以采用工业油类等，目前应用最广的隔离剂主要有乳化机油类隔离剂和甲基硅树脂类隔离剂，前者在涂刷方面非常方便，后者在虽然效果好，但是价格高，如果对模板进行人工拆模，很容易损坏板面。一般对隔离剂均采用现场配置，将机油和柴油进行均匀搅拌，将模板进行清洁，用布蘸涂。

    第二，是混凝土施工配料的拌合，注意配料和拌合两个工序，按照相关标准。

    第三，混凝土的灌注和捣固，包括灌注、捣固、养护和拆模四个工序，就灌注来说，要保证搅拌站和灌注地点的距离尽可能的近，灌注布料要均匀，厚度每三十厘米进行一次捣固。就捣固来说，应采用模内插入式振捣器，控制振动的时间和振捣器拔出速度。就养护来说，要在浇筑初凝之后覆盖保湿，保持其养护时间不超过二十一天。用养护剂或者包裹塑料布也是一个不错的选择。就拆模来说，一定要对拆模时间进行控制，保证混凝土达到拆模强度。

    混凝土施工中可能出现的现象、原因及注意避免

 

    第一，混凝土出现泌水的原因，拌合好的混凝土在组分和气泡方面都分布均匀，如果出现骨料沉底、浆体上浮或者浆体沉底、骨料上浮就可能导致混凝土不均匀。如果组分的密度不同导致的沉降和上浮会导致混凝土拌合物泌水。如果混凝土内部泌水到表面，形成了一定的混凝土通道，不仅降低了混凝土的抗渗透能力，而且还影响了混凝土的抗腐蚀能力。水泥、粉煤灰、配合比、含气量、减水剂都可能对混凝土泌水造成影响。可以通过增加胶凝材料用量提高混凝土砂率，对混凝土适当引气，减少单位用水量。对掺和料、引气剂和骨料的应用一定要符合标准，对于减水剂的使用，要使用泌水较小的减水剂，对振捣实践进行控制，防止过振。

 

    第二，逊强，如果拌合配料中胶凝材料出现太大的误差，水泥受潮，骨料级配变化太大都可能造成逊强。所以要避免对拌合配料计量器进行检查，保证水泥不受潮湿，对砂石等要经常检查。

 

    9 沿海地区钢筋混凝土桥梁容易腐蚀，怎么办？

    钢筋混凝土桥梁一经投入使用，即处于各种复杂的自然和人为环境的包围之中，特别是北方沿海地区，在盐腐蚀、冻害、进出港的重载交通的综合作用下，桥梁会过早劣化，发生各种病害。

    从设计之初，对桥梁进行科学的防腐蚀设计；对存在耐久性缺陷的既有桥梁，在健康状态诊断基础上进行合理的二次防腐蚀设计，是保障桥梁耐久性的必要措施。

    新建桥梁的防水、防腐设计

 

    在很多专业文献中，都详细讲述了沿海环境钢筋与混凝土的劣化模式，诸如冻融、盐结晶、碳化、盐腐蚀、碱集料反应和因此而诱发的钢筋锈蚀等，此处不再赘述，但了解各种破坏的反应机理后，可以看出：水是引起一切破坏的元凶，没有水的存在，一切破坏便都不会发生，做好防水工作，也就做好了防腐蚀。

 

    结构的防水设计

 

    构件外形有利水的排除

 

    结构的外形构造要尽量避免雨水、水气和有害物质在混凝土表面上的积聚。过去的桥梁设计对此考虑的不周，雨水通过栏杆外侧流向边梁，所以边梁外侧病害最严重。从防水角度，要求栏杆等外侧构造圆滑，并有滴水檐。墩台顶面设计成 5% 外向斜面，或斜面向内以便水汇集集中排除。

    墩柱防水设计

 

    桥梁墩柱处于地表吸附区部分环境最为恶劣，承受着盐腐蚀、结晶腐蚀、冻融循环、碳化，因此，防护的重点是防止毛细管吸水。建议考虑硅烷浸渍保护，硅烷（或硅氧烷）特殊的小分子结构，使其沿毛细孔穿透混凝土的表面，与空气及基底中的水分产生化学反应，在毛细孔的内壁生成羟基团，从而在毛细孔壁上形成牢固的憎水屏障，使水分和水分所携带的盐份都难以沿毛细孔上升，大大提高了混凝土的防水性和综合性能。

    上部结构应尽量选用现浇形式

 

    过去的桥梁预制安装的比较多，尤其焊接连接的预制梁之间，在使用过程中容易在连接处发生应力集中，过早出现病害。而现浇结构、先简支后连续结构、简支梁结构梁与梁之间现浇连接的病害相对较轻，应优先选用，如采用现浇的防撞墙，找平层与湿接头混凝土一起浇筑，使预制梁接缝和桥面找平层成为一体，共同参加工作，可以大大提高接缝处的抗拉强度。

    严重腐蚀环境应选用大跨径预应力粱

 

    盐渍土或滨海地区，混凝土的腐蚀主要体现在桥梁的下部结构，大气中的盐分对上部结构的作用相对要弱得多。

    采用预应力技术加大粱体跨径，尽量减少下部桩基、墩台的数量，可在投资规模不变甚至更小的前提下，重点加大下部结构的防护力度。

    增加混凝土保护层厚度

 

    混凝土保护层的主要作用是使梁板内钢筋免遭锈蚀。设计中宜使保护层适当加厚，以延缓因碳化引起的钢筋锈蚀，从而延缓钢筋锈蚀的发生时间，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度，应根据环境类别及混凝土强度来确定。

    桥梁结构细部防水设计

 

    桥面设计良好畅通的排水系统，可保持桥梁结构不受或较少受水蚀。桥面的纵坡、横坡必须符合设计要求，泻水管的布置要合理，使桥面排水通畅，另外在桥面铺装层设计和泻水管的构造上应考虑沥青混凝土层间水的排放。

    将防水层的设计在全桥范围内进行整体考虑。特别是在伸缩缝处、泄水管处、防撞墙与分隔带边缘，等特殊部位做到防水层的连续性，使其防水层的设置更趋于合理。

    重要部位预留阴保护措施

 

    阴极保护是被广泛采用的有效措施，在海工结构中应用比较广泛。桥梁设计中，在一些重要的部位，应预留保护节点，一旦发现锈蚀可以迅速启动保护系统。

    预设钢筋工作状态实时监测系统

 

    结合周边环境，在最易出现安全性、耐久性隐患的部位，埋入钢筋混凝土监测系统进行桥梁的健康检测与监测，可及时发现桥梁的某些缺陷，实时跟踪缺陷的发展，适当时候采取必要的技术措施，可在最合适的时间采取经济的方案，以保障桥梁的安全性，同时为后续的桥梁设计提供参考依据。

    材料的防腐蚀设计

 

    普通混凝土的高性能化

 

    以前的设计规范中，主要考虑混凝土的强度。随着耐久性意识的提高，普通混凝土逐步向高性能方向发展。通过加入比水泥颗粒更细小的掺加料如微硅粉、优质粉煤灰、矿渣，并采用高效减水剂使混凝土可以采用较低的水灰比、较小的用水量的手段，混凝土的整体性能得到大幅度提高，在有抗冻要求的环境下还应掺用引气剂，密实度增加，混凝土自身抗渗性提高，大大提高混凝土的耐久性。

    应用钢筋阻锈剂

 

    对于钢筋防护而言，在任何情况下混凝土质量都是最重要的。如果混凝土材料或施工质量不好，或设计有缺陷等都会加速病害的发生和发展速度。在高质量混凝土的基础上掺加钢筋阻锈剂，被认为是长期保护钢筋延缓腐蚀破坏、实现设计寿命的最简单、最经济和有效的技术措施。加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用：一方面推迟了钢筋开始生锈的时间，另一方面，减缓了钢筋腐蚀发展的速度。

    桥面防水层

 

    桥梁因为承受振动荷载，桥面防水层宜采用柔性的涂料与卷材，防水涂料与防水卷材，应根据结构形式、施工环境等综合因素来考虑。设计人员应高度关注国内外新型防水材料和施工工艺的发展，在充分了解防水材料性能的基础上，根据结构受力特性和桥面铺装材料性能及施工特点来确定防水设置方案，在设计图纸上体现细化的防水设计、选材说明，不能由施工人员或业主方确定材料的选用与施工工艺。

    既有桥梁的二次防水、防腐设计

 

    随着时间的推移，桥梁迟早会发生腐蚀、性能退化，适时二次防水防腐设计，可保证桥梁继续健康服役，二次设计包括材料、工艺、维修效果评估，对于维修材料，要与基层粘合强度高，弹性模量与基层基本相同，干缩率小，温变系数与基层基本一致，施工和养护过程发热量低。维修后的效果要达到从安全性、耐久性、适用性以及美学角度等满足要求，维修后的部分要与周围色调一致。

    T型梁接缝处防水处理

 

    由于桥面两片梁纵向接缝处渗水，或雨水沿 T 型梁外侧流淌，渗入混凝土结构内引起钢筋锈蚀，导致混凝土结构开裂、破碎，钢筋外露。开裂后雨水和化冰盐更容易进入结构内，反过来加快了钢筋的锈蚀过程，使得病害更加严重，造成翼板下缘大面积破损。

    T 型梁间接缝处的裂缝应采取防治结合的原则进行治理，根据桥面铺装层破损情况选择修复方法：

    全面修复

 

    全面清理 T 型梁接缝处的铺装层，清洗干净按如下做法修补。

    （1）T 型梁间的缝隙用快硬水泥封堵；

 

    （2）在缝隙上涂刷两道宽度为20cm 柔性优止水（一种聚合物改型的水泥基渗透结晶防水材料），并加设增强纤维网，涂层总厚度应不小于 1.6mm ；

 

    （3）在其它结构层表面按 1.5Kg/m 2 的用量分两遍刚性涂刷优止水并养护24 小时；

 

    （4）在刚性优止水涂层表面按 4m 2 /L 的用量涂刷水盾防水胶底漆（一种改型沥青防水材料）；

 

    按 1m 2 /L 的量分两道涂刷水盾防水胶面漆，然后用细沙作保护层，进行桥面铺装。

    桥面下缝隙修补见下述局部修复

 

    将 T 梁伸缩缝隙处破损的混凝土彻底凿除，露出混凝土新鲜表面。钢筋锈蚀处用钢刷除锈后涂刷两道 FP 阻锈剂。在新鲜的混凝土表面用 UP2000（一种聚合物改型修补水泥）进行修补。

    边梁外侧及梁体破损的修补方法：解决排水以疏通为主，使桥面排水通畅，采取相应的构造修补措施。

（资料来源：知网）