海洋环境下腐蚀混凝土力学性能研究进展

程定波 王乾峰

（1.湖北交投产城控股集团有限公司，湖北 武汉 430000；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

0 前言

随着我国经济实力的快速发展，我国的综合竞争力也有了巨大的提升，为了进一步寻求发展空间，国家的发展眼光已经从原来的中东部地区，逐渐扩展至我国东南地区广大的海洋之中。但是，相较于陆地，海洋的自然环境更加恶劣，氯盐和硫酸盐等介质对钢筋混凝土结构的侵蚀性更为显著，导致其工程结构更加不稳定。从目前来看，钢筋混凝土结构是当前主流的建筑结构形式，主要用于厂房建设、桥梁、港口码头与各种水上结构之中。随着这一建筑结构形式的应用规模日渐扩大，其受到自然环境的腐蚀侵蚀效应也愈发普遍，钢筋混凝土的耐久性和安全性受到影响，成为当前工程界颇为关注的问题。

据当前相关机构的调查数据，钢筋混凝土在海洋环境下，仅使用约15 年左右，便出现大范围的锈蚀、开裂等问题。专家认为，海水中的氯离子、硫酸根离子等腐蚀性物质侵入钢筋混凝土内部，与水泥化产物发生化学作用，继而产生膨胀性的物质，致使钢筋混凝土内部空隙增加，出现裂纹、开裂、剥落等问题，这是海洋环境中最为主要的化学性侵蚀。由此来看，如何攻克氯盐和硫酸盐等侵蚀介质影响混凝土力学性能的难题，是解决这一问题的主要手段。

基于此，本文拟总结海洋环境中氯盐、硫酸盐侵蚀下的混凝土材料的劣化机理，介绍侵蚀介质下混凝土力学性能试验的现状，并对当前腐蚀混凝土研究中存在的问题，及未来发展的方向兼做探讨。

1 混凝土的劣化机理

首先，就混凝土材料本身来说，微孔和微裂纹是混凝土材料不可避免的现实问题。而在氯盐环境中，氯离子可以穿透混凝土，一方面，它与Ca（OH）2相互作用生成CaCl2，这使混凝土的内部结构松弛；此外，氯离子与水泥的水合产物容易出现化学反应，并进行物理结晶，生成较原始材料数倍膨胀的物质，而伴随着氯离子等侵蚀介质发生作用的时间增加，膨胀产物的数量也会逐渐增加，一旦混凝土孔隙内的膨胀应力大于其本身的抗张强度时，新的微裂纹就会出现，从而降低混凝土材料的耐久性和力学性能。

2 海洋环境下混凝土力学性能问题简述

在海洋环境中，钢筋混凝土结构会受到来自海水和海洋大气的物理化学双重作用，以及来自波浪和飘浮固体的冲击和磨损。这其中，最突出的是钢筋受到氯化物的影响出现腐蚀。这样来看，处在海洋环境中的钢筋混凝土结构处在与普通大气环境中迥然不同的腐蚀机理之中，其受到腐蚀的程度大大加深，对此，需要进一步具体参考海洋环境加以研究。

一般来说，海洋的腐蚀环境分为五个区域，它们分别是：海洋大气带，海水喷溅带，潮汐带，海水浸没带和海底泥浆带。这其中，海水喷溅带由于处于与大气接触的位置，供养充足，潮汐区域由于潮汐波动以及交替变化的干、湿度，对混凝土结构的腐蚀最严重。对于海洋环境中的钢筋混凝土结构，可以通过长期的自然环境暴露测试或通过实验室加速分析以及海洋自然环境的长期暴露测试结果来研究其力学性能衰减模型，并且以之提供该结构剩余使用寿命的预测。

因此，就上述分析来看，海洋腐蚀环境下钢筋混凝土结构的力学性能研究应当包括以下方面：

（1）锈蚀部件的抗弯曲性：部件的弯曲能力随腐蚀程度和时间而变化，包括部件在海洋腐蚀环境中的损坏方式，钢筋腐蚀后的机械性能变化等等。

（2）锈蚀构件的抗剪强度：通常，混凝土零件的箍筋在竖筋的外部，其保护层的厚度小于竖筋的厚度，因此箍筋总是首先腐蚀。箍筋腐蚀不仅直接影响混凝土零件的抗剪强度，而且不能有效地控制混凝土，这也间接影响承压构件的承载能力和延展性。

（3）钢筋与混凝土之间的粘结性能：钢筋混凝土的腐蚀并非均匀腐蚀，而是呈现局部严重、局部轻微的表现形态，这就导致钢和混凝土之间的粘结强度不同于均匀腐蚀下的粘结强度，对此人们无法凭直觉判断它是好是坏，有必要通过实验研究它。

（4）结构动力性能研究：包括在海洋腐蚀环境中部件疲劳性能和抗震性能的变化。腐蚀改变了钢筋的表面条件、横截面尺寸以及钢筋与混凝土之间的结合力。特别腐蚀加剧了应力集中现象，并且加剧了对钢筋混凝土结构动力性能的不利影响。

3 混凝土力学性能试验现状

为了深入明确海洋环境中氯盐侵蚀介质下对混凝土力学性能的影响，有必要开展精细的试验工作。但是，就目前来看，这一类试验受到各种因素的影响，试验数量还很不足。此外，受制于不同专家学者在试验环境、材料、侵蚀手段等方面的差异，仅有的一些试验因为未实现标准的一致性，致使其得到的试验结果亦多有出入，很难从这些复杂的数据基础上总结出相对完善的试验体系。

虽然存在着上述问题，但目前可见的试验，还是提供了一些参考。据这些试验数据，研究人员发现，随着氯盐侵蚀介质作用混凝土时间越长，混凝土的力学性能经历了一个先增大、后衰减的过程。

总体而言，我们目前现有的试验手段，还未能实现从根本上解释清楚海洋环境下腐蚀混凝土力学性能衰减的内在理路。而为了进一步探究这一问题，找寻腐蚀混凝土力学性能的本质规律，还需要使用多种不同方法对其进行更为科学细致的研究。

4 现有问题与未来的展望

近一段时间以来，关于海洋环境下腐蚀混凝土力学性能的研究大量出现，取得了较为突出的成果，但是这些研究往往停留在试验阶段，怎样更为真实地解释提供混凝土受腐蚀过程与力学性能变化之间的联系，为实际工程领域提供理论支持，是未来需要进一步大力着手的工作。对此，笔者认为可以从以下三个角度加以考虑：

（1）为了进一步减少混凝土受到腐蚀的时间，加快混凝土的损伤劣化效率，在试验中往往采用加大侵蚀介质浓度的方法，以加快试验进程。但是，这种措施很容易对混凝土自身的劣化机理产生干扰，造成数据的错误。因此，除了这种试验方式外，科研人员还需要进行大量的非加速试验的成果作为数据支撑。

（2）处在海洋环境中的混凝土，会同时受多种离子的耦合影响，因此需要探讨多种离子同时作用混凝土时的侵蚀性问题。

（3）最后，在海洋环境中混凝土力学性能受侵蚀介质影响而降低，其本身即物理—化学—力学耦合的复杂过程。对此，科研人员要将腐蚀试验与力学试验相结合，并在其后构建起一个本构模型，并使用多角度的手段进行混凝土材料的力学性能研究，以解释不同程度下混凝土材料受侵蚀影响的结果。