海洋生物附着对混凝土性能影响的研究

徐永骁

（铁正检测科技有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

随着国内基建水平持续提升，各地区跨海大桥、隧道及沿海堤坝等工程投入持续增加。但由于沿海复杂盐类腐蚀环境中存在大量的侵蚀性离子，极易对跨海桥隧工程、沿海建筑等造成极大的破坏；特别是钢筋混凝土结构由于电解反应等情况极易被海水、海风侵蚀破坏，导致混凝土强度降低、钢筋锈蚀，结构可靠性降低。此外，海洋环境下的混凝土还受到海浪冲击、磨蚀，寒冷海洋区域的冻融循环，以及海风、气旋、含盐大气的共同破坏作用等都会严重影响混凝土结构的耐久性。为了提高海洋工程混凝土标号及耐久性，工程设计的努力不得不建立在施工成本的增加上，另外，后期还存在维护难度大、费用高的问题[1]。

因此，研究海洋生物附着耐侵蚀混凝土具有非常巨大的经济潜力。研究海洋生物的附着特性及其在水泥基材料上附着时对基材的影响不仅对社会经济发展具有非常重要的意义，还可以推动解决沿海工程实体耐久性等相关问题，进一步推动基建及相关产业发展。

1 试验内容

1.1 原材料

本试验的原材料包括：水泥（P·O 42.5,比表面积340m2/㎏）；粉煤灰（F类Ⅰ级，烧失量2.8%）；细骨料（选用河砂，细度模数为2.8）、粗骨料（选用两级配5～20mm碎石，其含泥量：0.4%，针片状含量：8%)；外加剂（选用山东正珩聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%，28d抗压强度比131%）；海盐（烟台地区海盐，成分与海水成分相同）、海洋附着生物（藤壶、扇贝、牡蛎等）。

1.2 试验方法

（1）参考青岛周边沿海项目C35墩身配合比，按照GB/T 50081制备混凝土试件并养护，试件包括：抗压试件、抗冻试件、电通量试件等，养护湿度＞95%，温度20±2℃；

（2）根据规范GB/T 50082测试海洋生物附着后与未附着区域抗冻性能对比，质量损失、动弹模等[2-3]；

（3）测试试件在同海水环境中，离子渗透深度相同时所需时间变化以及电通量指标[4]。

2 海洋生物附着对混凝土耐久性的影响研究

2.1 海洋生物附着情况

贝壳类海洋生物（藤壶、扇贝、牡蛎等）繁殖期主要集中于夏季，需8周左右发育至成年，再次生长过程中分泌胶液，待其固化后方可稳固吸附在混凝土表面，胶质的固化所形成的保护层能够有效地阻止海水对混凝土实体的侵蚀[5-7]，本实验重点探究海洋生物附着情况，见表1、图1、图2。截止2021年2月混凝土表面生物数量为附着能力检测的第一阶段；2022年2月混凝土表面生物数量为附着能力检测的第二阶段。

图2 第二阶段生料附着情况

表1 生物附着数量（单位：只/m2）

图1 第一阶段生物附着情况

通过混凝土试件投放以及对墩身实体构筑物表面情况的研究，可以发现，海洋生物发育从第一阶段的118只/m2增长至第二阶段的453只/m2。对比发现，海洋生物繁殖能力极强，在实际投放2年内就可以有效地形成生物防护层，有效地阻止海水、海风等对混凝土实体的侵蚀[8-11]。

从图1及图2中对比试件以及墩身实体可以发现：海洋生物附着更适合在干湿交界处，充足的繁殖面积以及水分是海洋生物生长的必要条件，墩身实体其不仅生长面积大，且海水干湿交界处更利于前期海洋生物生长及附着[12]，特别是从图2中可发现，C35墩身在海水干湿交界处藤壶附着数量明显提升。

2.2 对混凝土耐久性的影响

2.2.1 碳化深度影响

从表2中的对比可以发现，海洋生物附着需要通过分泌胶质，硬化后吸附在混凝土实体结构表面，硬化后结构与其本身外壳成分基本相同，主要以钙为主，这层钙质能够有效对附着区域形成防护，降低其与外界环境接触，因此相对碳化深度较低[13]。

表2 C35墩身混凝土碳化深度（单位：mm）

2.2.2 抗压强度影响

通过提高盐类离子浓度，模拟长期在海水环境下侵蚀破坏关系，发现侵蚀时间与混凝土抗压强度的降低呈正比，见图3。其中海洋生物附着的试件经海水侵蚀，7d抗压强度从45.2MPa降低到28d为42.1MPa，56d为36.6MPa；未附着试件经海水侵蚀后，7d、28d、56d的抗压强度分别为43.8MPa、39.1MPa、32.3MPa。从数据中可以看出，随着侵蚀龄期的增加，无海洋生物附着试件的抗压强度下降更明显[14]。

图3 生物附着情况与抗压强度的关系

2.2.3 抗冻性能影响

混凝土抗冻试件试验前首先清除表面凸出海洋生物但保留部分附着保护层，通过冻融交替最终对试件强度、动弹性模量以及质量损失进行检测。通过试验结果可以发现，藤壶附着有效地提高了混凝土试件抗冻性能，减少了直接接触面积，削弱环境变化带来的不良影响，如表3所示，海洋生物附着下的区域质量损失较低，且动弹性模量降低较少。

表3 生物附着对混凝土试件抗冻性能的影响

2.2.4 渗透性能影响

通过对比电通量及同渗透深度所需时间可以发现，海洋生物附着处具有更好的抗离子侵蚀能力，这主要是由于贝壳类生物附着及繁殖所分泌胶液硬化后形成致密的保护层，有效地降低离子渗透能力，如图4所示，生物附着区域渗透时间要比未附着区域延长30%以上，电通量降低近30%，能够有效地降低盐类离子对混凝土实体结构物的侵蚀，提高耐久性[15]。

图4 渗透性能对比

3 结束语

本文通过对比研究海洋生物附着特性以及其对混凝土碳化深度、抗冻性、抗压强度及抗离子渗透能力的影响，得出结论：

（1）海洋生物附着后，混凝土碳化深度降低，对混凝土力学性能产生正向影响；

（2）在对比海水侵蚀后，海洋生物附着形成的保护层能够有效地提高混凝土抗冻、抗离子渗透能力，从而提高混凝土耐久性。

综上所述，海洋生物附着所分泌胶液硬化后形成的保护层能够有效地提高混凝土抗冻、抗离子渗透能力，从而提高混凝土耐久性。因此，海洋生物附着在混凝土以及其他水泥基材料上所形成的保护层，可提升沿海建筑耐久性，极大地促进人与海洋环境和谐相处。充分利用海洋生物附着不仅可以推进基建行业降低生产成本，还可以促进其向节能减排方向的转型，可以极大地降低政府每年对沿海地区治污投入。