1  關于混凝土耐久性，你想知道的都在這了

 

    耐久性是材料抵抗自身和自然環境雙重因素長期破壞作用的能力，即保證其經久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用壽命越長。抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性稱為混凝土耐久性。

     3 海工鋼筋混凝土結構防腐蝕技術研究現狀及應用

 

    青島海灣大橋地處膠州灣，是我國北方冰凍海域第一座特大型橋梁集群工程，是青島市交通規劃中東西岸跨海通道的“一路、一橋、一隧”中的一橋，也是國家高速公路網青島至蘭州高速公路的起點段。該工程是我國目前企業投資建設最大規模的交通基礎設施項目。

    該地區氣候環境特點可以概括為熱豐、雨富、光足，大氣中含有大量的鹽分及 SO 2 ，近岸海域污染較為嚴重；降水中主要酸性污染物質是 SO 4 2- 和NO 3- ，污染正在逐年加重，酸雨污染的形勢十分嚴峻。這樣的氣候、環境特點對鋼鐵和鋼筋混凝土結構的腐蝕都是十分嚴重的，對如何進行橋梁長效防護的問題提出了嚴峻的挑戰。

    鋼筋混凝土結構表面防腐蝕的必要性

 

    由于鋼筋混凝土結構的破壞，給各類土木工程造成了重大的安全隱患和經濟損失。美國標準局 1975 年的調查表明，美國全年各種腐蝕損失為 700 億美元，其中混凝土中鋼筋腐蝕損失占40%。據 1984 年報道，美國 5715 萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現鋼筋腐蝕病害；1986 年，美國聯邦高速公路管理局（FHWA）的報告估計維修橋梁的腐蝕損害需要 200 億美元，并以每年 5 億美元的速度增長。

    據調查資料表明，我國鋼筋混凝土結構的腐蝕現象普遍存在，大多數混凝土橋達不到設計使用壽命。如 1981 年調查華南地區 18 座混凝土碼頭中，鋼筋銹蝕破壞或不耐久的占 89%, 使用壽命最短的僅為 7 年，最長的為 25 年。

    據鐵道部 2000 年橋隧秋檢匯總資料統計，全路圬工梁較嚴重裂損等病害共計 6529 孔，占混凝土梁總數的 5.67%。

    以上的數據表明，預防鋼筋混凝土結構的病害和延長它們的使用壽命，已經成為越來越緊迫的任務。

    混凝土結構破壞的主要因素

 

    對鋼筋混凝土結構的破壞，主要分為混凝土自身的破壞以及由于混凝土自身的變化造成增強鋼筋的腐蝕破壞。引起鋼筋混凝土結構破壞的因素主要有：水泥水化產物的中性化、氯離子的侵蝕、硫酸鹽的侵蝕以及氧和水等因素。鋼筋腐蝕產物（鐵銹）的體積約為原先鐵體積的 2.5 ～ 7 倍，所產生的膨脹壓力會造成混凝土的開裂、剝落，裂縫的產生又會招致更多腐蝕介質的進入，引發更嚴重的腐蝕。

    混凝土的中性化（主要是碳化）

 

    混凝土的中性化，是指混凝土中的堿性物質，與酸性物質進行反應，造成混凝土孔隙溶液 pH 值降低的現象。酸性物質主要有：CO 2 、SO 2 、酸雨、酸性水、酸性固體物等。混凝土的碳化，是最主要的中性化作用形式，它是指大氣中的CO 2 與混凝土中的Ca（OH） 2 起化學反應，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 是水泥水化的產物之一，對于普通的硅酸鹽水泥，水化產生的Ca（OH） 2 可達 10% ～ 15%, 高堿度使鋼筋表層鈍化，但穩定性較差，很容易與大氣中的 CO 2 發生中和反應。尤其是在工業區，CO 2 的濃度是普通環境的數倍甚至數十倍。與碳化相關的因素主要有：大氣中的 CO 2 的濃度、空氣中的濕度、溫度等。水泥中性化的結果使混凝土堿度降低，從而使鋼筋失去鈍化層的保護。

    氯離子的侵蝕

 

    氯離子半徑小，穿透能力強，能夠加速鋼筋腐蝕，對混凝土破壞主要表現如下：

    （1）氯離子進入混凝土并到達鋼筋表面，能破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發生局部腐蝕。

    （2）氯離子的電化學作用，Cl - 吸附并破壞鋼筋局部鈍化膜，露出鋼鐵基體，暴露區與周圍鈍化膜形成電化學腐蝕電池，使陽極反應過程發生，Cl - 還強化腐蝕電池的導電性，加速電化學腐蝕過程。因此，對于氯離子含量高的區域，尤其是水工和海洋或近海環境，防止氯離子的腐蝕是非常重要的工作。在北方需要使用去冰鹽的環境下，氯離子對混凝土的腐蝕也特別嚴重。對于非游離狀態的氯離子，如在水化作用前，水泥中的水化氯化鋁酸 3CaO、Al 2 O 3 、CaCl 2 、10H 2 O 和 3CaO、Al 2 O 3 、CaCl 2 、3H 2 O 不會對鋼筋起銹蝕作用，但是水泥中性化后，水化氯化鋁酸鹽中的氯離子可以游離出來。

 

    酸鹽的侵蝕

 

    工業生產中排放大量的 SO 2 氣體，從而形成酸雨。我國酸雨覆蓋面積已達國土面積的 30%, 長江以南大部分區域是酸雨區。這使混凝土的防酸雨措施也顯得非常重要。SO 2 和進一步氧化的SO 3 中和掉混凝土中的 Ca（OH） 2 , 使混凝土中性化和酸化，混凝土內的鋼筋喪失堿性保護而發生腐蝕。同時，SO 2 、SO 3溶于水所包含的 SO 2 2- 、SO 4 2- 可直接促進鋼筋的電化學腐蝕。根據 1998 年的統計數據，環境水中的硫酸根離子進入混凝土內部，與水泥的固相發生化學反應，生成難溶的鹽礦物類——鈣礬石和二水石膏，然后吸收大量的水而體積膨脹，造成混凝土的破壞。

    當溶液中硫酸根離子濃度較低時，應產物水化硫鋁酸鈣含有較多結晶水，體積比水化鋁酸鈣增加 2.5 倍以上。當溶液中硫酸根離子濃度較高時，二水石膏體積增大 1.24 倍。當侵蝕溶液中硫酸根離子濃度在 1000mg/L 時，產生的是硫鋁酸鈣型侵蝕，其特征是試樣出現有數條粗大裂紋；當溶液中硫酸根離子大于 1500mg/L 時，產生石膏 - 硫鋁酸鈣復合型侵蝕，石膏侵蝕起主導作用，其特征是試樣發生潰散。

    鋼筋混凝土結構常見表面防護方法

 

    使用優質的混凝土保護層

 

    通常采用抗滲防水混凝土、聚合物混凝土或者摻入鋼筋阻銹劑對鋼筋進行防護。在混凝土拌和物中直接摻入的鋼筋阻銹劑，通過在鋼筋表面形成保護膜來抑制電化學反應，根據抑制作用的不同可分為陽極型（抑制陽極反應）、陰極型（抑制陰極反應）以及混合型（對陽極反應、陰極反應均有抑制作用）三類。

    混凝土表面防腐涂層技術

 

    在混凝土基底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶劑或水分揮發后，各組分之間通過化學反應，在基底表面形成一層具有一定彈性的防水、防潮、防滲的連續薄膜。該涂料可形成質量輕、無接縫的完整防水膜，特別適用于混凝土結構中形狀不規則的復雜表面。混凝土表面涂裝防腐涂層的方法是國內外應用最廣泛的防護方法。

 

    鋼筋防腐涂層技術

 

    混凝土中的鋼筋可采用防腐涂層，但是混凝土中的鋼筋防腐涂層要考慮與鋼筋的黏結力的因素，國外使用較多的是環氧樹脂涂層和聚乙烯縮丁醛涂層。鋼筋涂覆層防蝕的性價比較高，但是在施工時很難保證鋼筋不受機械損傷、在鋼筋涂覆膜不出現遺漏或者涂覆不好的地方，而這將留下巨大的隱患。而且鋼筋涂層使對鋼筋腐蝕情況的無損檢測和腐蝕控制帶來了一些困難，使陰極保護技術的受到限制。

    電化學防腐蝕技術

 

    由于混凝土中鋼筋腐蝕都是電化學腐蝕，因此可通過電化學的方式來延緩或制止鋼筋的腐蝕。所謂電化學方式，就是根據鋼筋腐蝕的電化學機理，抓住陽極反應（鋼筋腐蝕）必須同時放出自由電子的電化學本質，不讓鋼筋表面任何地方再放出自由電子，使其電位等于或低于腐蝕電位，就可使鋼筋不能再進行陽極反應（腐蝕）。目前電化學保護技術中應用較多的是陰極保護技術，即鋼筋整體成為陰極而被保護。陰極保護對水下區和潮差區的結構物保護效果較好，但對大氣區的保護效果較差。

    總之，預防混凝土中鋼筋腐蝕的措施很多，最為關鍵的就是要結合鋼筋混凝土的使用環境以及潛在的腐蝕源，做到有的放矢，才能達到最佳的防腐效果。

 

    防腐蝕技術在青島海灣大橋中的應用

 

    經過專家多次論證，青島海灣大橋鋼筋混凝土工程在全部采用海工高性能混凝土作為基本技術措施的基礎上，對下部結構（包括墩柱、承臺、擴大基礎）全部使用透水模板（布）技術來提高表面混凝土質量，并在標高 6.0m 以下的海上部分采取表面涂層防腐蝕技術，在主塔及主塔承臺采取外加電流陰極防護技術，在預制箱梁濕接頭處采用硅烷浸漬防腐技術 , 并制定了科學合理的涂層設計施工技術規范，保證各類防腐蝕技術能夠充分發揮效能。

 

     4 淺談風電項目鋼筋混凝土防腐蝕等級劃分、地域劃分及對應措施方法

 

    通常鋼筋混凝土防腐蝕等級劃分為強腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕、微腐蝕 4 個等級。混凝土及鋼筋混凝土材料埋設在各種類型的土壤中 , 都會不同程度地遭受各種侵蝕介質的腐蝕損壞。其腐蝕形態、腐蝕規律、腐蝕機理及主要影響因素與土壤類型、土壤理化性質及微生物的種類和含量有著直接的關系。

    一、我國主要土壤腐蝕性分類

 

    中堿性土壤對混凝土材料的腐蝕

 

    我國中原、華北、東北等地區的土壤一般為中堿性土壤。中堿性土壤對混凝土材料的腐蝕屬于溶出性腐蝕 , 屬于弱腐蝕或中等腐蝕。主要影響因素是土壤含水率、土壤透水性及硫酸鹽等腐蝕介質的含量。

    酸性土壤對混凝土材料的腐蝕

 

    我國南方各省的磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤等土壤屬酸性土壤類別。酸性土壤對混凝土材料的腐蝕屬分解性腐蝕 , 屬中等腐蝕。在酸性土壤中進行項目時 , 對地下部分混凝土結構 , 要配制高強高性能混凝土和必要的外防護措施。特別是在深圳地區更應加強防護。

    內陸鹽土對混凝土材料的腐蝕

 

    我國新疆、青海、甘肅、內蒙等地區的土壤類別屬內陸鹽土。此種土壤對混凝土材料產生極嚴重的膨脹性腐蝕破壞 , 屬強腐蝕或極強腐蝕性土壤。在內陸鹽土地區 , 特別是在鹽化內陸鹽土、鹽漬內陸鹽土地區進行項目時 , 地下部分必須采取防腐措施 , 要配制耐腐蝕高性能混凝土 , 混凝土結構外圍要作防腐蝕隔離層。

    濱海鹽土對混凝土材料的腐蝕

 

    我國沿海地區的土壤屬濱海鹽土。濱海鹽土中的鹽分組成主要是氯化物和硫酸鹽。濱海鹽土對混凝土材料的腐蝕，主要是硫酸鹽對混凝土材料的膨脹性破壞，以及氯化物對混凝土中鋼筋的銹蝕。濱海鹽土中含有大量的氯化物 , 它的存在一方面破壞鋼筋的鈍化膜 , 從而加速鋼筋的銹蝕 ; 另一方面對硫酸鹽的腐蝕具有抑制作用 : 氯離子與硬化水泥石中的水化鋁酸鈣反應生成氯鋁酸鈣 , 從而減少了具有膨脹性破壞作用的水化硫鋁酸鈣 （ 鈣礬石 ） 的生成量。

    抗腐蝕的基本方法概述

 

    混凝土原材料處理

 

    水泥：普通水泥或硅酸鹽水泥因其早期強度高、堿度高、碳化慢、品種穩定而成為首選品種。水泥強度等級按規范要求不低于 C35（ 有抗凍要求的不低于 C45）。注意應避免使用早強水泥 （ 水化速率過快 , 水化熱大 , 混凝土收縮裂縫多 , 且熟料中硅酸二鈣含量比例低 ,后期強度增長緩慢 ）。

    粗細骨料：石子可用花崗石或石灰石類級配碎石 , 但要篩除針狀和片狀顆粒 , 也可用級配河卵石。不得用活性的骨料以免產生堿骨料反應 （ 我省基本無此問題 ）。砂應使用河砂 , 不應使用海砂 （ 因現有施工人員素質和管理水平難以保證海砂沖洗后氯化鈉總含量不得超過干砂質量千分之一的防腐蝕要求 ）。

    外加劑：適量的外加劑可提高混凝土密實性和耐腐蝕能力。常用的外加劑有鋼筋阻銹劑、引氣劑、混凝土減水劑等。要注意的是 , 外加劑化學組成中的氯鹽可能使混凝土結構中的鋼筋鈍化膜破壞而帶來隱患 , 故應事先檢測其氯鹽含量。

    控制混凝土的水灰比和水泥用量

 

    最大水灰比是保證水泥充分水化及混凝土和易性的用水量。理論上硅酸鹽水泥水化結合水僅需水泥質量的 23%左右 , 但為了維持孔隙中供水暢通以保證水化反應 , 同時保證施工時的和易性（ 也可加入減水劑來實現 ） 往往需要達到最大水灰比的用水量。用水量如再多則自由水蒸發加劇 , 混凝土裂縫快速增加 , 不利于防腐蝕。

    嚴格保證混凝土保護層的厚度

 

    強腐蝕：梁、柱等條形構件混凝土保護層厚度不少于 40mm，基礎、外墻、結構底板構件混凝土保護層厚度不少于50mm。

    中、弱腐蝕：梁、柱等條形構件混凝土保護層厚度不少于 35mm，基礎、外墻、結構底板構件混凝土保護層厚度不少于 50mm。

    加強混凝土的養護

 

    為防止混凝土水份蒸發過快造成干縮裂縫以及混凝土水化過程溫差較大造成溫度裂縫，應保證水化過程適宜的溫、濕度。故應加強混凝土成型后養護 , 特別是早期養護。

    鋼筋與混凝土的表面防護

 

    強腐蝕性：1）環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度不少于 500μm。2）聚合物水泥砂漿，厚度不少于 10mm。3）樹脂玻璃鱗片涂層，厚度不少于300μm。

    中腐蝕性：1） 涂 刷 2 遍 瀝 青 冷底子油，瀝青膠泥涂層，厚度不少于500μm。2）聚合物水泥砂漿，厚度不少于 5mm。3）環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度不少 300μm。

    弱腐蝕性：1）表面可不做處理。2）涂刷 2 遍瀝青冷底子油，瀝青膠泥涂層，厚度不少于 300μm。3）涂刷 2 遍聚合物水泥漿。

    混凝土墊層處理措施

 

    強腐蝕性：1）采用瀝青混凝土，墊 層 厚 度 不 少 于 120mm。2） 采 用聚合物水泥混凝土，墊層厚度不少于 120mm。

    中腐蝕性：1）采用瀝青混凝土，墊層厚度不少于 100mm。2）采用碎石灌注瀝青處理，墊層厚度不少于150mm。

 

    弱腐蝕性：選用混凝土等級不低于C20，墊層厚度不少于 100mm。

    混凝土基礎梁表面處理措施

 

    強腐蝕性：1） 環 氧 瀝 青、 聚 氨酯瀝青貼玻璃布，厚度不少于 1mm。2）樹脂玻璃鱗片涂層，厚度不少于500μm。3）涂刷聚合物水泥砂漿，厚度不少于 15mm。

    中腐蝕性：1）涂刷環氧瀝青或聚氨酯瀝青，厚度不少于 500μm。2）涂刷聚合物水泥砂漿，厚度不少于10mm。3）涂刷樹脂玻璃鱗片涂層，厚度不少于 300μm。

    弱腐蝕性：1）涂刷環氧樹脂瀝青涂層，或聚氨酯瀝青涂層，厚度不少于300μm。2）涂刷聚合物水泥砂漿，厚度不少于 5mm。3）涂刷 2 遍聚合物水泥漿。

    樁基礎抗腐蝕處理措施詳述

 

    樁基礎環境鋼筋混凝土腐蝕通常為硫酸鹽腐蝕、氯離子腐蝕、PH 腐蝕。強腐蝕環境下宜選用預制鋼筋混凝土樁，中、弱腐蝕環境下宜選用混凝土灌注樁。

    預制鋼筋混凝土樁

 

    硫酸鹽腐蝕：1）采用抗硫酸鹽或硅酸鹽水泥施工。2）添加適當抗硫酸鹽外加劑。3）增加樁身混凝土腐蝕量，強腐蝕環境下不少于 30mm，中等環境下不少于 20mm。4）強腐蝕環境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蝕涂層；中等腐蝕環境下涂刷不少于 300μm 防腐蝕涂層。

    氯離子腐蝕：1）加入鋼筋阻銹劑、礦物摻和料。2）強腐蝕環境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蝕涂層；中等腐蝕環境下涂刷不少于 300μm 防腐蝕涂層。

    pH腐蝕：1）增加樁身混凝土腐蝕量，強腐蝕環境下不少于 30mm，中等環境下不少于 20mm）強腐蝕環境下，表面涂刷不少于 500μm 防腐蝕涂層。中等腐蝕環境下涂刷不少于 300μm 防腐蝕涂層。

    鋼筋混凝土灌注樁

 

    硫酸鹽腐蝕：1）采用抗硫酸鹽或硅酸鹽水泥施工。2）摻入礦物摻合料。3）增加樁身混凝土腐蝕量，中等腐蝕環境下不少于 40mm，弱環境下不少于20mm。

    氯離子腐蝕：1）摻入鋼筋阻銹劑。2）摻入礦物摻合料。

    pH腐蝕：1）增加樁身混凝土腐蝕量，中等腐蝕環境下不少于 40mm，弱環境下不少于 20mm。

    升壓站砌體結構抗腐蝕處理措施詳述

 

    腐蝕條件下，升壓站附屬建筑若選擇磚砌體結構，其材料建議選用燒結普通磚、燒結多孔磚，強度等級可選用MU30、MU25、MU20。若選用砌塊砌體結構，其材料建議選用混凝土小型空心砌塊，強度等級可選用 MU15、MU20。但在強、中等腐蝕條件下，基礎不宜選擇磚基礎。砌體墻面用 1 : 2 水泥砂漿抹面處理，后根據防腐等級進行面層防護。

    腐蝕條件砌體結構表面處理措施：

    強腐蝕環境下： 涂 刷 不 少 于160μm 防腐涂層（保護層使用年限10 ～ 15 年）；涂刷不少于 120μm 防腐涂層（保護層使用年限 5 ～ 10 年）；涂刷不少于 80μm 防腐涂層（保護層使用年限 2 ～ 5 年）。

    中腐蝕環境下：涂刷不少于 120μm防腐涂層（保護層使用年限10～15年）；涂刷不少于 80μm 防腐涂層（保護層使用年限5～10年）；聚合物水泥漿2遍（保護層使用年限 2 ～ 5 年）。

    弱腐蝕環境下：涂刷不少于 80μm防腐涂層（保護層使用年限 10 ～ 15年）；聚合物水泥漿 2 遍（保護層使用年限 5 ～ 10 年）；可不做表面防護處理（2 ～ 5 年）。

 

    5 提高海洋工程混凝土結構耐久性的思考

 

 

    跨海大橋是連接港區和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對沿海城市深水港的正常運轉起到不可或缺的支撐保障作用，為保證跨海大橋混凝土結構的耐久性，在國內有些超大型工程甚至采用了100 年設計基準期，工程采取以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性技術方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關技術規范，高性能混凝土的設計、生產、施工技術在工程中的應用方面尚為空白，因此結合工程的具體需要，研究跨海大橋混凝土結構耐久性策略和高性能混凝土的應用技術極為迫切和重要。

    跨海大橋中混凝土的腐蝕主要來自于海洋中的氯離子。海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子，海風、海霧中也含有氯離子，海砂中更含有不等量的氯離子。我國的海岸線很長，大規模的基本建設多集中在沿海地區，尤其是海洋工程如碼頭、護坡和防護堤等由于氯離子引起的鋼筋銹蝕破壞是十分突出的。同時，沿海地區已經出現河砂匱乏的情況，不經技術處理就使用海砂的現象亦日趨嚴重，這也為氯離子引起鋼筋銹蝕破壞創造了條件。國外的工程經驗教訓表明，海水、海風和海霧中的氯離子和不合理的使用海砂，是影響混凝土結構耐久性的主要原因之一。

    混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發，一是海水中 Cl - 侵蝕，二是大氣中的 CO 2 使混凝土中性化。國內外大量工程調查和科學研究結果表明，海洋環境下導致混凝土結構中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是 Cl - 進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產生電化學腐蝕。在跨海大橋周邊沿海碼頭調查中亦證實，海洋環境中混凝土的碳化速度遠遠低于 Cl - 滲透速度，中等質量的混凝土自然碳化速度平均為 3mm/10 年。因此，影響跨海大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混凝土的 Cl - 滲透速度。

    混凝土大橋結構布置和耐久性設計

 

    大橋混凝土結構布置

 

    跨海大橋跨海段通航孔部分預應力連續梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現澆混凝土；非通航孔部分以預制混凝土構件為主，其中 50 ～ 70m 的預應力混凝土箱梁是重量超過 1000 噸的巨型構件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現澆混凝土。混凝土的設計強度根據不同部位在C30 ～ C60 之間。

    跨海大橋附近海域氣象環境

 

    我國跨海大橋多地處北亞熱帶南緣、東北季風盛行區，受季風影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復雜，多年平均氣溫為偏低，海區全年鹽度一般在10.00～32.00‰之間變化，屬強混合型海區，海洋環境特征明顯。

    跨海大橋面臨的耐久性問題

 

    在海洋環境下結構混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環境介質侵蝕引起。主要表現形式有鋼筋銹蝕、凍融循環、鹽類侵蝕、溶蝕、堿 - 集料反應和沖擊磨損等。

    我國跨海大橋多位于典型的亞熱帶地區，嚴重的凍融破環和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應破壞則可以通過控制混凝土成分來避免；這樣鋼筋銹蝕破環就成為最主要的腐蝕荷載。

    氯離子對鋼筋的銹蝕

 

    氯離子侵入混凝土的途徑：Cl - 進入混凝土中通常有兩種途徑：其一是“混入”，如摻用含氯離子外加劑、使用海砂、施工用水含氯離子、在含鹽環境中拌制澆注混凝土等；其二是“滲入”，環境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入到混凝土中，并到達鋼筋表面。 “混入”現象大都是施工管理的問題；而“滲入”現象則是綜合技術的問題，與混凝土材料多孔性、密實性、工程質量，鋼筋表面混凝土層厚度等多種因素有關。

    氯離子對鋼筋銹蝕機理：破壞鈍化膜

 

    水泥水化的高堿性使混凝土內鋼筋表面產生一層致蜜的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環境中才是穩定的，當 pH＜11.5時，就開始不穩定，當pH＜9.88時該鈍化膜生成困難或已經生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl - 是極強的去鈍化劑，Cl - 進入混凝土到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的 pH 值迅速降低，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。

    形成腐蝕電池

 

    如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕，但是在不均質的混凝土中，常見的是局部腐蝕。腐蝕電池作用的結果是，在鋼筋表面產生蝕坑，由于大陰極對應于小陰極，蝕坑發展十分迅速。

    去極化作用

 

    Cl - 不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。通常把使陽極過程受阻稱作陽極極化作用，而把加速陽極極化作用稱作去極化作用，Cl -正是發揮了陽極去極化作用。〕、導電作用。混凝土中 Cl - 的存在強化了離子道路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕過程。  

 

    結構設計

 

    1、結構選型和細部設計

 

    頻繁地干溫交替會加劇鋼筋銹蝕，所以在結構選型和細部設計時，應晝限制混凝土表面、接縫和密封處積水，加強排水，盡量減少受潮和濺濕的表面積。

    由于環境侵蝕介質在構件棱角或突出部分可以同時從多方面侵入混凝土，而凹入部分易積存侵蝕介質、應力異常，因此從提高混凝土結構耐久性角度出發，混凝土構件選型應力戒單薄、復雜和多棱角。預計腐蝕破壞嚴重的構件應便于檢測、維護和更換。

    2、控制裂縫

 

    不可控制的裂縫包括混凝土塑性收縮、沉降或過載造成的裂縫，常為較寬的裂縫，應針對成因采取措施預防開裂，即使難以預料也應加以引導，使其發生于次要部位或便于處理的位置。可控制裂縫是靠傳統的結構設計知識，按結構幾何尺寸與荷載可以合理預防和控制的裂縫。

 

  

 

    提高海工混凝土耐久性的技術措施

 

    國內外相關科研成果和長期工程實踐調研顯示，當前較為成熟的提高海洋鋼筋混凝土工程耐久性的主要技術措施有：

    高性能海工混凝土

 

    其技術途徑是采用優質混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復合，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實、高耐久的混凝土材料。高性能海工混凝土較高的抗氯離子滲透性為特征 , 其優異的耐久性和性能價格比已受到國際上研究和工程界的認同。

    提高混凝土保護層厚度

 

    這是提高海洋工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經濟有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加。當保護層厚度過厚時，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會導致混凝土保護層出現裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用。

    混凝土保護涂層

 

    完好的混凝土保護涂層具有阻絕腐蝕性介質與混凝土接觸的特點，從而延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。然而大部分涂層本身會在環境的作用下老化，逐漸喪失其功效，一般壽命在 5 ～ 10 年，只能作輔助措施。

    涂層鋼筋、耐腐蝕鋼筋

 

    采用耐腐蝕鋼筋對混入型和滲入型氯離子的防護都是很有效的。因為環氧涂層鋼筋是在嚴格控制的鋼廠流水線上涂覆的，一般可以保證涂層高質量，涂層可以將鋼筋與周圍的混凝土隔開，即使氯離子和氧氣等已經大量侵入混凝土，它還是可以長期保護鋼筋，使鋼筋免遭腐蝕。

    鋼筋表面采用致密材料涂覆，如環氧涂層環氧涂層鋼筋在歐美也有一定的應用，其應用效果評價不一。主要不利方面是，環氧涂層鋼筋與混凝土的握裹力降低 35％，使鋼筋混凝土結構的整體力學性能有所降低；施工過程中對環氧涂層鋼筋的保護要求極其嚴格，加大了施工難度；另外成本的明顯增加也是其推廣應用受到制約。

    鋼筋阻銹劑

 

    鋼筋阻銹劑通過影響鋼筋和電介質之間的電化學反應，通過提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來穩定鋼筋表面的氧化物保護膜，可以有效地阻止鋼筋腐蝕發生，從而延長鋼筋混凝土的使用壽命，因為阻銹劑的作用可以自發地在鋼筋表面上形成，只要有致鈍環境，即使純化膜破壞也可以自行再生，自動維持，這不僅優于任何人為涂層，而且經濟、簡便。但由于其有效用量較大，作為輔助措施較為適宜。最好的辦法是是將電解質的 pH 值提高到 12 左右，使鋼筋表面有一層穩定的鈍化膜使陽極反應難以進行，從而阻止鋼筋的腐蝕。阻銹劑能優先參與并阻止鋼筋這兩種或任何一種界面反應，并能長期保證其穩定狀態，從而有效地阻止了鋼筋的銹蝕。

 

    陰極保護

 

    陰極保護的電化學原理就是：即使鋼筋周圍的混凝土有的已經碳化或含有大量氯離子，或者混凝土保護層薄而透水透氣，或鋼筋表面具有銹層，不讓鋼筋表面任何地方放出自由電子，使其電位等于或低于平衡電位，就可以使鋼筋不再進行陽極反應，即鋼筋銹蝕。該方法是通過引入一個外加犧牲陽極或直流電源來抑制鋼筋電化學腐蝕反應過程從而延長海工混凝土的使用壽命。但是，由于陰極保護系統的制造、安裝和維護費用過于昂貴且穩定性不高，目前在海工鋼筋混凝土結構中很少應用。

    海水耐蝕劑

 

    海水耐蝕劑是用礦渣、硬石膏、天然火山灰、活性激發組分等無機材料磨粉而成。

    物理作用：海水耐蝕劑的比表面積，其微粉填充效應提高了水泥漿體與骨科之間的黏結強度，從而提高了混凝土的密實度。

    化學作用：①海水耐蝕劑中的高活性微粉、活性二氧化硅不斷與水化出來的 CaOH 2 發生化學反應，生成更多的 C-S-H 凝膠，加快水泥水化速度，提高混凝土的強度②火同灰的抗硫酸鹽、抗海水侵蝕效果決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蝕的鋁酸鹽化合物上覆蓋了一層C-S-H 凝膠的保護膜。

    混凝土表層處理

 

    為了防止水、氯化物、二氧化碳等侵蝕介質滲入混凝土中，以延緩鋼筋銹蝕，對于修補過的或新并行筑的混凝土結構，涂覆混凝土干作為第一道防線，往往是一種比較簡便、經濟和有效的輔助性能保護措施。鑲面板是另一種混凝土表層處理方式。

    定期檢測

 

    對混凝土結構也應做定期檢查，盡早發現問題，制定合理維修方案，對延長工程壽命也有顯著效果。

    改善海洋工程結構混凝土耐久性策略

 

    改善混凝土和鋼筋混凝土結構耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施是從材質本身的性能出發，提高混凝土材料本身的耐久性能，即采用高性能混凝土；再找出破壞作用的主次先后 ,對主因和導因對癥施治，并根據具體情況采取除高性能混凝土以外的補充措施。而二者的有機結合就是綜合防腐措施。大量研究實踐表明，采用高性能混凝土是在惡劣的海洋環境下提高結構耐久性的基本措施，然后根據不同構件和部位，經可能提高鋼筋保護層厚度（一般不小于 50mm），某些部位還可復合采用保護涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工混凝土為基礎的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結構的使用壽命。

    因此，對海洋工程跨海大橋混凝土結構的耐久性方案的設計遵循的基本方案是：首先，混凝土結構耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時，依據混凝土構件所處結構部位及使用環境條件，采用必要的補充防腐措施，如內摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護涂層等。在保證施工質量和原材料品質的前提下，混凝土結構的耐久性將可以達到設計要求。

    對于具體工程而言，耐久性方案的設計必須考慮當地的實際情況——如原材料的可及性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性。也就是說應該采取有針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。

    高性能混凝土的質量保證措施

 

    高性能海工混凝土工程耐久性是一項系統工程。為保證整個設計的系統性、完整性、規范性、科學性和可行性，必然需要一個完善的整體思路和框架。因此，在建設過程中要遵循了一個以預先質量控制與評估，耐久性方案設計和質量控制與評估的思想。為確保混凝土結構耐久性的目標，須從三大環節進行控制 , 即 :

    （1）預先質量控制與評估：是在了解工程背景、使用環境以及混凝土材料在海洋環境中的性能特點的基礎上，通過對材料性能的試驗研究，建立混凝土結構耐久性設計的數據和依據，并預測混凝土結構的實際使用性能

 

    （2）耐久性方案設計：充分考慮各種可變因素對鋼筋混凝土結構使用壽命的影響，如環境溫度、混凝土內應力、裂縫等，以建立使用壽命預測系統，為耐久性方案的設計提供指導和依據。再以使用壽命預測系統為基礎，制定有針對性的耐久性解決方案。

    （3）質量控制與評估：是指在方案的實施過程中如何控制各方面的質量以及如何對已完成部分的質量進行評估的過程。在質量控制與評估環節中，主要需要確立各種質量控制措施和實施標準，建立各種性能試驗的評價體系，保證混凝土性能符合方案設計要求。

    對于實際施工過程中，質量控制與評估將是重中之重。相對普通混凝土的質量控制而言，高性能混凝土施工質量控制主要涉及原材料質量、配合比、拌和、施工、保護層厚度、養護等方面，其重點和難點在于保護層厚度和養護等方面。

    高性能混凝土的養護

 

    頂面混凝土由于陽光直射溫度較高產生溫差過大的現象，同時由于風速較大也容易造成混凝土表面失水過快，混凝土表面收縮較大而導致混凝土開裂。

    因此，在實際施工過程中，箱梁混凝土澆注完畢后即在頂面加蓋塑料薄膜頂棚以保溫保濕。對于預制箱梁等大型預制構件，由于預制場地的限制和施工進度要求，采用低溫蒸養的方式。

    對于現澆混凝土，混凝土成型抹面結硬后立即覆蓋土工布，砼初凝后立即進行澆水養護，養護用水為外運淡水，拆模前 12 小時擰松加固螺栓，讓水從側面自然流下養護，側面拆模不小于 48 小時。

 

    結語

 

    根據分析，影響我國現階段跨海大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl - 滲透速度。針對這一具體情況，并考慮各地的實際情況——如原材料的可及性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性，跨海大橋工程采取以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性策略和方案。通過符合現階段工程實際情況和技術水平的施工措施和質量保證措施，確保了高性能混凝土的質量符合耐久性設計的要求。

 

    6 形狀記憶合金在混凝土中的應用

 

    混凝土作為重要的建筑材料之一，因其原材料豐富、成本小、生產簡便等優點而被廣泛地用于各項工程建設中。隨著建筑行業的逐漸發展，人們也對混凝土的性能進行不斷的研究與改善，以便其能更好的適應建筑行業的市場要求。但混凝土自身還是存在著很多的問題。在混凝土的水化硬化過程中，其內部不可避免地會出現很多微細孔、微裂縫以及孔洞等，而裂縫的存在會加速混凝土所包裹鋼筋的腐蝕，嚴重影響著結構整體的承載能力、耐久性能等等，對建筑的外觀及壽命會產生非常不利的影響。長期的研究與實踐都表明裂縫在混凝土中是不可能完全避免的，只能采取一定的措施盡可能地減少與預防，另外，雖然混凝土具有較高的抗壓強度，但自身脆性大，如果遇到外力沖擊時，如地震、臺風等災害，就會因變形過大與鋼筋屈服等等，使建筑受到不可逆轉的破壞，對人身財產安全造成極大的損失。因此，如何更好地改善混凝土的自身缺陷，使之更好地服務于社會，是我們正在探索也是亟待解決的問題。

    形狀記憶合金簡介

 

    所謂形狀記憶合金，是指擁有“記憶”效應的合金，它可以記憶原有形狀。目前，大多數 SMA 是通過馬氏體相變實現其形狀記憶功能的。當 SMA 在高溫下形成一定的形狀，合金就將這個形狀“記憶”下來，在低溫下發生一定的變形后，當溫度升高后它可自行消除之前所發生的形變，達到原來高溫下所呈現的形狀。這是由于在升溫過程中 SMA內部出現了特殊的相變過程——熱彈性馬氏體相變，SMA 在從低溫向高溫的轉變過程中其內部固相由馬氏體向奧氏體轉變，而在奧氏體狀態下的合金擁有比普通金屬大幾十倍的恢復應力，從而使其自身形狀得以恢復。

    由于 SMA 具有形狀恢復的性質，所以被廣泛應用于各個領域。從牙箍、眼鏡框到各種熱敏元件再到人造骨骼、航空航天飛行器、人造衛星等都有 SMA的應用。SMA 在水泥混凝土中的研究與應用也較為廣泛，并取得不錯的效果。

    SMA 在預應力混凝土中的研究與應用

 

    在 19 世紀 80 年代，英國、美國等已經開始對預應力混凝土的研究，到第二次世界大戰之后，由于很多建筑被破壞需要修復，預應力混凝土得到了極大的發展。現階段，預應力混凝土已被廣泛地應用于鐵路、橋梁等各種項目工程中。目前，預應力混凝土中大多采用熱處理的鋼筋作為施加預應力的主體，SMA 在預應力混凝土中的研究與應用還處于起步階段。美國學者 SreenathKotamala 將 SMA 置于混凝土中，利用SMA 相變中產生的驅動，能對梁結構提供很好的縱向預應力，也能在一定程度上達到構件損傷與裂縫的自修復作用。金江等人則將 SMA 與復合材料共同用于預應力混凝土中，制作出了性能良好的自適應梁結構。雖然 SMA 在預應力混凝土中的應用并不多，但很多研究與實踐都表明，SMA 預應力技術是完全可行的，且 SMA 預應力混凝土較鋼筋預應力混凝土的生產工藝更加簡單、成本更加低廉。

    SMA 在混凝土結構振動控制中的研究與應用

 

    現階段，SMA 對于結構振動控制的實現方式主要有主動控制與被動控制兩種。主動控制的研究內容主要是 SMA作為振動控制元件以及如何增加 SMA的使用頻率。而被動控制則是將 SMA用作智能阻尼器與振動隔離裝置。

    美國學者 Rogers 首次將 SMA 設計成具有主動振動控制功能的結構，其研究表明，SMA 的驅動力能提升混凝土結構的等效剛度，使混凝土構件的共振頻率發生變化，從而起到對振動的主動控制作用。王吉軍等人將 SMA 作為感知驅動元件置于梁結構中，發現 SMA 可靈敏地感知并抑制振動的發生。Baz 則指出在 SMA 應用于振動控制器時，還需關注其恢復速度的快慢，防止恢復速度過大而導致的過控制現象。歐洲的幾個國家共同參與的 MANSIDE 項目中，詳盡地研究了 SMA 作為阻尼器使用的力學性能、阻尼性能以及結構設計等，表明 SMA 在結構振動控制中具有非常優良的效果。

    SMA 在混凝土裂縫控制中的研究與應用

 

    SMA 不但具有形狀記憶功能，當其形狀恢復時還能產生非常大的相變彈性，從而產生很強的恢復應力與應變，而將其應用于混凝土結構中就能很好的控制混凝土的變形與裂縫。SMA 的電阻率大小還隨著其應變與應力的變化而改變。根據這一特性固建鴻等人將 SMA進行一定的預應變處理，再把處理后的SMA 繞在梁柱結構上，如果混凝土產生裂縫，處在裂縫處的 SMA 就會發生形變且受到一定的應力作用，其電阻率就會發生變化，通過安裝在外部的測量裝置就可以得到其電阻率變化值，當裂縫增長到需要抑制的數值時，控制裝置就會對 SMA 通電，使其發熱產生應變。在SMA 的恢復應力作用下，可非常有效的降低梁柱的受力情況，增加其抗沖擊能力，減少裂縫的產生。不過在這個過程中，要對 SMA 進行循環的加熱與冷卻，這會出現一定的延遲性，很大程度上影響了 SMA 對混凝土結構裂縫的控制性能。因此，還需進一步的對其產生應變與應力的頻率加以改善，使之能更為有效的控制混凝土結構裂縫的產生。

 

 

    SMA 在水泥混凝土中的其他研究與應用SMA

 

    在水泥混凝土中的應用很廣泛，除了以上幾方面以外，其還應用在智能自修復混凝土、水泥基智能堵漏材料等領域。南京航空航天大學在 1997年研制出了 SMA 智能自修復混凝土，他們將 SMA 與液芯光纖置入混凝土中，當混凝土發生損害時，液芯光纖所形成的自診斷系統就會對損害處的 SMA 產生一定的激勵作用，使 SMA 發生形變，在局部產生應力使液芯光纖破裂，破裂后其所攜帶的修復液就流出到裂縫處完成裂縫的修復工作。而 SMA 受到激勵還會產生一定的熱量，這會對修復液的固化非常有利，進一步提升修復質量。濟南大學的王琦教授首次將 SMA 應用于水泥基智能堵漏材料中，把 SMA、吸水樹脂、水泥等材料采用特殊的制作工藝成型，制成具有高效堵漏性能的材料，SMA 在進入油井下方井漏區域時，由于井下溫度的影響而產生形變，同時其產生的應力將所攜帶的水泥材料分散開來，之后再與吸水樹脂共同形成橋接，迅速、高效地完成整個堵漏過程，其堵漏效果明顯優越于同類其他堵漏材料。

 

    結語

 

    SMA 以其獨有的特點與優越的性能被廣泛應用于各個領域中，其在水泥混凝土中的研究與應用也得到了不斷的推廣與進步。不過，還是要注意到 SMA應用于水泥混凝土中所存在的一些問題，如其形變滯后性、相應過程延遲性、成本較高等，這在一定程度上制約了SMA 更進一步的推廣與使用。不過隨著對 SMA 研究的不斷深入，SMA 應用于水泥混凝土的技術也在不斷的提升，應用效果也逐漸改善。相信以后隨著 SMA研究的逐漸成熟，其必將為水泥混凝土行業帶來全新的發展。

 

    7 微生物修復混凝土技術的研究現狀與進展

 

    微生物誘導修復的研究現狀

 

    微生物誘導碳酸鈣沉淀的形成一般由兩種方法：（1）一種是厭氧微生物的酶化反應，即厭氧微生物新陳代謝活動能夠產生一種尿素酶，通過外界不斷的提供營養液（尿素和鈣離子），這種催化酶能夠將尿素水解為氨和二氧化碳，隨著生成物的不斷增加，溶液中的 pH 值會不斷的升高，當碳酸根離子遇到鈣離子時，就可以引起鈣離子以碳酸鈣的形式沉積。同時微生物細胞附近也為下一步碳酸鈣的沉積提供成核的地點；（2）另一種是好氧微生物的呼吸作用自我修復，即通過將微生物、營養液、水泥漿等同時攪拌成混凝土結構，在混凝土裂縫沒有形成以前，微生物處于休眠狀態。一旦裂縫形成，混凝土結構中進入水和空氣后，微生物就會進行有氧呼吸作用，將氧氣轉化為二氧化碳，二氧化碳與混凝土結構的鈣離子結合，最后生成碳酸鈣沉積物。

 

    厭氧微生物誘導沉淀的研究現狀

 

    （1）誘導沉淀的成分及性能的研究。Ramakrishnan 等通過對厭氧微生物誘導后的產物進行（SEM）電鏡掃描和 X 射線衍射（XRD）分析得出沉積物為方解石。同時對修復后的試件進行抗酸、抗堿、凍融循環和干縮循環試驗，得出的數據顯示試件的耐久性得到了顯著的加強。

    黃琰等將巴斯德芽孢桿菌培養基與無菌培養基的進行對比試驗來處理石英砂，通過 X- 射線衍射分析和掃描電鏡分析得出，通過有菌培養液處理后的石英砂表面有方解石晶體生成，同時在方解石晶體表面附著有巴斯德芽孢桿菌。

    （2）溫度、PH、溶液濃度、緩沖溶液等對微生物誘導沉積物的影響。

    Tittelboom KV 等通過對混凝土結構抗滲的研究，得出了緩沖溶液硅膠對微生物在混凝土結構中的存活起著關鍵作用，緩沖溶液硅膠的存在可以使得微生物適應高堿性環境，從而可以有效的提高修復材料的耐久性能。通過超聲檢測得出，微生物修復后的混凝土結構超聲檢測的聲時明顯低于無微生物混凝土結構檢測聲時。熱量分析也證實了緩沖溶劑硅膠的存在對微生物的存活起著重要作用。

    Navneet Chahal等的室內研究表明，細菌改性硅灰混凝土抗壓強度的提高是因為活性細菌催化作用下產生的沉淀，進入了混凝土的裂紋和空洞里。通過不同濃度有菌試驗和無菌試驗，5% 硅灰含量和 10% 硅灰含量對比試驗及耦合試驗得出，28 天標準養護的抗壓強度，10% 硅灰 +105 cells/ml 菌體濃度的抗壓強度提高最多 38.1Mpa（無菌試驗 5% 硅灰含量混凝土抗壓強度為28Mpa）。通過 X 射線分析和掃描電鏡觀察，添加硅灰的含菌體混凝土抗滲透性效果顯著。

    黃琰等通過單因素影響的試驗方法分別通過鈣離子濃度、溫度和外添加劑鎳離子含量對誘導產物的產量作了研究。單因素試驗分別得出當鈣離子濃度為 0.0252mol/L、溫度為 30℃時，方解石產量最高。同時，鎳離子含量的多少與方解石產量成反比。

    好氧微生物誘導沉淀的研究現狀

 

    對好氧微生物自修復研究比較全面的荷蘭代爾夫特大學的 Henk M. Jonkers對微生物的存活率、強度增長進行了研究。

    Jonkers 等從堿性土壤中提取球形芽孢桿菌（耐堿菌種），將培養過的菌種與乳酸鈣營養液和混凝土共同澆注，通過 MPN 觀察，該菌種在澆筑完成第 9天細菌存活量為 1.6×106/cm 3 、第 22天細菌存活量為 0.35×106/cm 3 、第 42天細菌存活量為 0.25×106/cm 3 、四個月后細菌存活量為 0.5×103/cm 3 。通過與無菌構件比較，混凝土構件的抗壓強度下降了 10%，通過 MIP 分析可以得出在調整細菌用量的基礎上，裂縫產生7 天后，微生物能對混凝土裂縫進行修復，而 28 天后隨著微生物數量的減少，產生的碳酸鈣的量也逐漸減少，再次產生裂縫后，修復效果不理想。

    培養基、微生物、緩沖溶液等和水泥基的兼容性

 

    微生物含量的多少直接影響裂縫的修復效果。很多研究表明，微生物含量過多會影響混凝土結構性能，而微生物過少，在需要修復的部位不存在微生物或者微生物含量過少，就會最終影響裂縫的修復。同理，如果在需要修復的部位營養液不足，也會對裂縫修復產生影響。緩沖溶液可以有效的控制微生物作用環境的 PH，因此緩沖溶液的多少對微生物的存活量等有較大的影響。

    微生物混合溶液對混凝土耐久性的進一步研究

 

    厭氧微生物作用下混凝土的耐久性主要是以礦物沉積為研究方向，這方面所做的試驗工作比較多。好氧微生物作用下混凝土的耐久性研究較少，好氧微生物通過呼吸作用產生二氧化碳，會與混凝土中的 Ca（OH） 2 結合，因而降低了混凝土中的堿性，這對鋼筋的保護作用是不利的，但微生物在混凝土結構內部的呼吸作用又可以消耗內部的氧氣和部分水分，這對保護鋼筋又是有利的，這就需要對好氧自修復混凝土的耐久性，特別是對鋼筋的保護作用作進一步的研究，已達到對鋼筋保護的最佳方案。

 

    微生物修復技術應用的展望

 

    大量的實驗研究表明，微生物誘導碳酸鈣沉積物可以成功的應用在修復混凝土表面裂紋上。大量的礦物沉積是由于微生物的誘導后產生的，因此與傳統意義上的高分子補漏相比能夠更有益于環境的保護。厭氧微生物修復技術實驗室研究階段技術已經比較成熟，應用到工程上不僅要確定成分的最優比，而且還要考慮經濟效益。混凝土結構需要有較長的使用年限，在混凝土服役期間，如果好氧微生物的自修復技術能夠成功的應用到工程上，這對混凝土結構修復技術有著重要的意義，因為這不僅可以實現舊建筑物的自我修復，又可以實現新建建筑物的智能修復，因此好氧微生物的自修復的應用有著廣闊的應用前景。

 

    8 高速鐵路耐久性混凝土的配制與施工要點

 

    通過對高性能混凝土的試驗結果，并結合京津城際鐵路客運專線混凝土材料的選擇、配合比的設計以及施工工藝的控制，系統的對高性能混凝土配合比設計要點及注意事項進行了闡述，對施工中混凝土質量缺陷的消除，希望對同類工程具有參考價值。

    發達國家處于對混凝土的結構耐久性進行設計，發現了新概念混凝土，相比于傳統的混凝土，高性能混凝土在結構耐久性方面有一套成熟的標準，對于混凝土材料硬化前的性能進行改善，以提高混凝土結構的耐久性和可靠性。高性能的混凝土在密實性能上具有抗凍性和耐侵蝕性，適宜于在耐久的建筑中使用，美國、日本、歐洲等發達國家對其應用最多，我國研究的高性能混凝土使用年限能達到一百年。

 

    高性能混凝土的配制

 

    對其進行配制，除了使用水泥、砂、石、水泥之外還需要一些化學添加劑和礦物細摻料。在選材上就要求和水泥有一定的相容性，配制要合理，配制的標準要符合黃金比例，選材更具有復雜性。為了達到耐久和高強的要求，用水量要低對膠凝材料總量要控制好。不僅具有耐久性、施工性、尺寸穩定性等力學性能，在經濟和適用方面也具有一定的優勢。第一是水泥，水泥在混凝土中扮演著非常重要的作用，水泥的細度和礦物組成及堿含量都是提高混凝土質量的重要因素。如果在水泥中含有太多的堿，會和活性骨料發生二次反應，因為不斷的膨脹容易造成混凝土開裂，會給混凝土結構物帶來影響。第二是高效減水劑，其是現代高性能混凝土中非常重要的一個因素，會使混凝土的水膠比降降低，打破水的表面張力，把物料顆粒中的游離水進行釋放，得到一定的吸附和潤滑作用，保證混凝土的坍落度不變的情況下單位用水量減少。和水泥匯總的游離氧化物進行凝膠，防止外界水進入孔隙。第三是礦物活性摻和料，其主要是粉煤灰、硅灰等。第四是骨料，主要有硅質河砂、石灰巖碎石等。

    為了保證高性能混凝土的耐久性，需要對抗碳化性、抗凍性、抗化學侵蝕性等進行考慮，保證其坍落度、泌水率和含氣量等符合要求。在配合比方面要注意以下幾點。第一，水灰比法則，其決定了混凝土硬化后的強度，也能影響其耐久性。水灰比越低，混凝土強度越大，并保證低水膠比、低用水量、高密實度。第二，最大密實度法則，保證將各種材料對混凝土中可能產生的空隙進行填空，保證混凝土密實度最大。要對砂率進行確定，其主要取決于骨料的級配和顆粒形狀、水泥漿的六邊形，砂率應該在骨料的總體積的百分之三十到四十之內，確定配合比中的漿集比和砂率，促進混凝土的強度和耐久性。第三，最小單位用水量法則，混凝土的用水量要少，要保證在和易性允許的前提下，對坍落度和高效減水劑效果和礦物摻和料的關系進行考慮。對配合比進行設計可以分為三個步驟，先對空白混凝土的初步配合比進行計算，并確定外加劑和細摻料的摻量，對強度和耐久性進行試驗，確定理論配合比，把含水量進行換算，確定其施工的配合比。要注意三個關鍵技術，第一是對外加劑進行合理使用，第二是對摻和料的技術進行合理使用，第三是混凝土的開裂和防裂進行控制。對混凝土中加入粉煤灰的量要進行合理選擇，通過混凝土的性能來控制不同礦物摻和料的摻料，礦物摻和料的摻料不要小于膠凝材料總量的 20%。

 

    高性能混凝土配合比設計要有一定的步驟，第一是確定適配的強度，其試配強度要超過設計中的強度標準。第二是水膠比，高性能的混凝土在配制過程中，要求水膠比要較低，對密實度進行保證，抵制腐蝕性氣體的損害從而提高耐久性。第三是單位用水量，在和易性允許的情況下，要保證混凝土的單位用水量要盡可能小，并對高效減水劑的質量和用量及摻和料的關系進行考慮。除了這三種情況還要對單位膠凝材料用量、初步砂率、膠漿量、初算骨料用量等進行計算。

 

    高性能混凝土施工

 

    為了保證混凝土的高性能，應該保證其密實度要高、在抗滲和抗凍、抗腐蝕方面具有一定的性能。這就需要對混凝土施工的整個工藝進行控制，不僅包括對模板的選用和支立、各種原材料品質、配制量拌合、灌注、搗固、養生等進行控制。

    第一是模板，要保證其平整光滑，最好選用鋼制材料，并采用一定的加固系統涂膠板，在模板支撐系統內對荷載進行計算，對受力程序進行驗算，保證其強度、整體剛度和穩定性，在安裝的過程中于鏊保證嚴絲合縫，不出現漏漿的情況。對于模板隔離劑的選擇，可以采用工業油類等，目前應用最廣的隔離劑主要有乳化機油類隔離劑和甲基硅樹脂類隔離劑，前者在涂刷方面非常方便，后者在雖然效果好，但是價格高，如果對模板進行人工拆模，很容易損壞板面。一般對隔離劑均采用現場配置，將機油和柴油進行均勻攪拌，將模板進行清潔，用布蘸涂。

    第二，是混凝土施工配料的拌合，注意配料和拌合兩個工序，按照相關標準。

    第三，混凝土的灌注和搗固，包括灌注、搗固、養護和拆模四個工序，就灌注來說，要保證攪拌站和灌注地點的距離盡可能的近，灌注布料要均勻，厚度每三十厘米進行一次搗固。就搗固來說，應采用模內插入式振搗器，控制振動的時間和振搗器拔出速度。就養護來說，要在澆筑初凝之后覆蓋保濕，保持其養護時間不超過二十一天。用養護劑或者包裹塑料布也是一個不錯的選擇。就拆模來說，一定要對拆模時間進行控制，保證混凝土達到拆模強度。

    混凝土施工中可能出現的現象、原因及注意避免

 

    第一，混凝土出現泌水的原因，拌合好的混凝土在組分和氣泡方面都分布均勻，如果出現骨料沉底、漿體上浮或者漿體沉底、骨料上浮就可能導致混凝土不均勻。如果組分的密度不同導致的沉降和上浮會導致混凝土拌合物泌水。如果混凝土內部泌水到表面，形成了一定的混凝土通道，不僅降低了混凝土的抗滲透能力，而且還影響了混凝土的抗腐蝕能力。水泥、粉煤灰、配合比、含氣量、減水劑都可能對混凝土泌水造成影響。可以通過增加膠凝材料用量提高混凝土砂率，對混凝土適當引氣，減少單位用水量。對摻和料、引氣劑和骨料的應用一定要符合標準，對于減水劑的使用，要使用泌水較小的減水劑，對振搗實踐進行控制，防止過振。

 

    第二，遜強，如果拌合配料中膠凝材料出現太大的誤差，水泥受潮，骨料級配變化太大都可能造成遜強。所以要避免對拌合配料計量器進行檢查，保證水泥不受潮濕，對砂石等要經常檢查。

 

    9 沿海地區鋼筋混凝土橋梁容易腐蝕，怎么辦？

    鋼筋混凝土橋梁一經投入使用，即處于各種復雜的自然和人為環境的包圍之中，特別是北方沿海地區，在鹽腐蝕、凍害、進出港的重載交通的綜合作用下，橋梁會過早劣化，發生各種病害。

    從設計之初，對橋梁進行科學的防腐蝕設計；對存在耐久性缺陷的既有橋梁，在健康狀態診斷基礎上進行合理的二次防腐蝕設計，是保障橋梁耐久性的必要措施。

    新建橋梁的防水、防腐設計

 

    在很多專業文獻中，都詳細講述了沿海環境鋼筋與混凝土的劣化模式，諸如凍融、鹽結晶、碳化、鹽腐蝕、堿集料反應和因此而誘發的鋼筋銹蝕等，此處不再贅述，但了解各種破壞的反應機理后，可以看出：水是引起一切破壞的元兇，沒有水的存在，一切破壞便都不會發生，做好防水工作，也就做好了防腐蝕。

 

    結構的防水設計

 

    構件外形有利水的排除

 

    結構的外形構造要盡量避免雨水、水氣和有害物質在混凝土表面上的積聚。過去的橋梁設計對此考慮的不周，雨水通過欄桿外側流向邊梁，所以邊梁外側病害最嚴重。從防水角度，要求欄桿等外側構造圓滑，并有滴水檐。墩臺頂面設計成 5% 外向斜面，或斜面向內以便水匯集集中排除。

    墩柱防水設計

 

    橋梁墩柱處于地表吸附區部分環境最為惡劣，承受著鹽腐蝕、結晶腐蝕、凍融循環、碳化，因此，防護的重點是防止毛細管吸水。建議考慮硅烷浸漬保護，硅烷（或硅氧烷）特殊的小分子結構，使其沿毛細孔穿透混凝土的表面，與空氣及基底中的水分產生化學反應，在毛細孔的內壁生成羥基團，從而在毛細孔壁上形成牢固的憎水屏障，使水分和水分所攜帶的鹽份都難以沿毛細孔上升，大大提高了混凝土的防水性和綜合性能。

    上部結構應盡量選用現澆形式

 

    過去的橋梁預制安裝的比較多，尤其焊接連接的預制梁之間，在使用過程中容易在連接處發生應力集中，過早出現病害。而現澆結構、先簡支后連續結構、簡支梁結構梁與梁之間現澆連接的病害相對較輕，應優先選用，如采用現澆的防撞墻，找平層與濕接頭混凝土一起澆筑，使預制梁接縫和橋面找平層成為一體，共同參加工作，可以大大提高接縫處的抗拉強度。

    嚴重腐蝕環境應選用大跨徑預應力粱

 

    鹽漬土或濱海地區，混凝土的腐蝕主要體現在橋梁的下部結構，大氣中的鹽分對上部結構的作用相對要弱得多。

    采用預應力技術加大粱體跨徑，盡量減少下部樁基、墩臺的數量，可在投資規模不變甚至更小的前提下，重點加大下部結構的防護力度。

    增加混凝土保護層厚度

 

    混凝土保護層的主要作用是使梁板內鋼筋免遭銹蝕。設計中宜使保護層適當加厚，以延緩因碳化引起的鋼筋銹蝕，從而延緩鋼筋銹蝕的發生時間，縱向受力鋼筋的混凝土保護層最小厚度，應根據環境類別及混凝土強度來確定。

    橋梁結構細部防水設計

 

    橋面設計良好暢通的排水系統，可保持橋梁結構不受或較少受水蝕。橋面的縱坡、橫坡必須符合設計要求，瀉水管的布置要合理，使橋面排水通暢，另外在橋面鋪裝層設計和瀉水管的構造上應考慮瀝青混凝土層間水的排放。

    將防水層的設計在全橋范圍內進行整體考慮。特別是在伸縮縫處、泄水管處、防撞墻與分隔帶邊緣，等特殊部位做到防水層的連續性，使其防水層的設置更趨于合理。

    重要部位預留陰保護措施

 

    陰極保護是被廣泛采用的有效措施，在海工結構中應用比較廣泛。橋梁設計中，在一些重要的部位，應預留保護節點，一旦發現銹蝕可以迅速啟動保護系統。

    預設鋼筋工作狀態實時監測系統

 

    結合周邊環境，在最易出現安全性、耐久性隱患的部位，埋入鋼筋混凝土監測系統進行橋梁的健康檢測與監測，可及時發現橋梁的某些缺陷，實時跟蹤缺陷的發展，適當時候采取必要的技術措施，可在最合適的時間采取經濟的方案，以保障橋梁的安全性，同時為后續的橋梁設計提供參考依據。

    材料的防腐蝕設計

 

    普通混凝土的高性能化

 

    以前的設計規范中，主要考慮混凝土的強度。隨著耐久性意識的提高，普通混凝土逐步向高性能方向發展。通過加入比水泥顆粒更細小的摻加料如微硅粉、優質粉煤灰、礦渣，并采用高效減水劑使混凝土可以采用較低的水灰比、較小的用水量的手段，混凝土的整體性能得到大幅度提高，在有抗凍要求的環境下還應摻用引氣劑，密實度增加，混凝土自身抗滲性提高，大大提高混凝土的耐久性。

    應用鋼筋阻銹劑

 

    對于鋼筋防護而言，在任何情況下混凝土質量都是最重要的。如果混凝土材料或施工質量不好，或設計有缺陷等都會加速病害的發生和發展速度。在高質量混凝土的基礎上摻加鋼筋阻銹劑，被認為是長期保護鋼筋延緩腐蝕破壞、實現設計壽命的最簡單、最經濟和有效的技術措施。加入鋼筋阻銹劑能起到兩方面的作用：一方面推遲了鋼筋開始生銹的時間，另一方面，減緩了鋼筋腐蝕發展的速度。

    橋面防水層

 

    橋梁因為承受振動荷載，橋面防水層宜采用柔性的涂料與卷材，防水涂料與防水卷材，應根據結構形式、施工環境等綜合因素來考慮。設計人員應高度關注國內外新型防水材料和施工工藝的發展，在充分了解防水材料性能的基礎上，根據結構受力特性和橋面鋪裝材料性能及施工特點來確定防水設置方案，在設計圖紙上體現細化的防水設計、選材說明，不能由施工人員或業主方確定材料的選用與施工工藝。

    既有橋梁的二次防水、防腐設計

 

    隨著時間的推移，橋梁遲早會發生腐蝕、性能退化，適時二次防水防腐設計，可保證橋梁繼續健康服役，二次設計包括材料、工藝、維修效果評估，對于維修材料，要與基層粘合強度高，彈性模量與基層基本相同，干縮率小，溫變系數與基層基本一致，施工和養護過程發熱量低。維修后的效果要達到從安全性、耐久性、適用性以及美學角度等滿足要求，維修后的部分要與周圍色調一致。

    T型梁接縫處防水處理

 

    由于橋面兩片梁縱向接縫處滲水，或雨水沿 T 型梁外側流淌，滲入混凝土結構內引起鋼筋銹蝕，導致混凝土結構開裂、破碎，鋼筋外露。開裂后雨水和化冰鹽更容易進入結構內，反過來加快了鋼筋的銹蝕過程，使得病害更加嚴重，造成翼板下緣大面積破損。

    T 型梁間接縫處的裂縫應采取防治結合的原則進行治理，根據橋面鋪裝層破損情況選擇修復方法：

    全面修復

 

    全面清理 T 型梁接縫處的鋪裝層，清洗干凈按如下做法修補。

    （1）T 型梁間的縫隙用快硬水泥封堵；

 

    （2）在縫隙上涂刷兩道寬度為20cm 柔性優止水（一種聚合物改型的水泥基滲透結晶防水材料），并加設增強纖維網，涂層總厚度應不小于 1.6mm ；

 

    （3）在其它結構層表面按 1.5Kg/m 2 的用量分兩遍剛性涂刷優止水并養護24 小時；

 

    （4）在剛性優止水涂層表面按 4m 2 /L 的用量涂刷水盾防水膠底漆（一種改型瀝青防水材料）；

 

    按 1m 2 /L 的量分兩道涂刷水盾防水膠面漆，然后用細沙作保護層，進行橋面鋪裝。

    橋面下縫隙修補見下述局部修復

 

    將 T 梁伸縮縫隙處破損的混凝土徹底鑿除，露出混凝土新鮮表面。鋼筋銹蝕處用鋼刷除銹后涂刷兩道 FP 阻銹劑。在新鮮的混凝土表面用 UP2000（一種聚合物改型修補水泥）進行修補。

    邊梁外側及梁體破損的修補方法：解決排水以疏通為主，使橋面排水通暢，采取相應的構造修補措施。

（資料來源：知網）