陳娜 臧家偉 葉碩 林雅靜 潘崇根 * 何靜姿 虞曉磊

（1. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢 430000；2. 浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100；3. 浙江亞廈裝飾股份有限公司，浙江杭州 310008）

1 引言

鋼筋混凝土是世界上使用最廣泛的材料之一，其中混凝土可以保護被包裹的鋼材，使其免受堿性環(huán)境的侵蝕，并能在惡劣的環(huán)境下承受時間和壓力的影響，但暴露在濱海環(huán)境中，它會變得格外脆弱［1-2］。氯離子滲透和碳化是誘導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)性能下降的原因，前者占主要部分［3］。再加上海洋中氧氣、微生物、重金屬等因素的影響，導(dǎo)致在易受海水浸泡或飛濺的區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕更為嚴重［4-5］。由此，歐洲在濱海相的腐蝕環(huán)境中規(guī)范并細分了4 個微環(huán)境暴露等級［6］：XS1，結(jié)構(gòu)暴露在含鹽量高的空氣中，但不與海水直接接觸；XS2，結(jié)構(gòu)永久淹沒；XS2/3，結(jié)構(gòu)經(jīng)常潮濕（例如中、低潮帶和回填地層）；XS3，結(jié)構(gòu)偶爾濕潤（例如潮汐上升、飛濺/噴射、水下建筑物的“干燥”內(nèi)表面）。

隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，中國的碼頭、涵洞、跨海大橋等濱?；炷两Y(jié)構(gòu)工程大量增加，而海洋多變的復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致濱海混凝土結(jié)構(gòu)服役時間難以滿足設(shè)計使用年限要求。建筑腐蝕同樣是一個世界性難題，全球范圍內(nèi)，每年因腐蝕造成的損失高達2.2萬億美元，約占當(dāng)年生產(chǎn)總值的3%［7］。其中，建筑腐蝕降低混凝土結(jié)構(gòu)的性能和可靠性，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用壽命縮短［8］。且不同腐蝕狀況下所產(chǎn)生的修復(fù)費用以新建混凝土結(jié)構(gòu)所花費用為基數(shù)以5 的冪次逐級增加［9］。美國混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)銹蝕占每年各種腐蝕損失的50%（約280 億美元）［10］。中國沿海地區(qū)使用7～25 年的橋梁，約有89%出現(xiàn)鋼筋銹蝕問題［11］。以浙江省為例，2019 年就累計修復(fù)受腐危橋247座，建成養(yǎng)護公路安防工程2 500 km。此外，濱海環(huán)境會與其他因素協(xié)同造成更大破壞。例如，濱海地區(qū)港口貨物吞吐量大，卡車、貨車等重型車輛需求量大，大幅度增加的交通量造成道路長期疲勞，加劇路面結(jié)構(gòu)耐久性問題的產(chǎn)生［12］。

總體上，濱?；炷两Y(jié)構(gòu)依據(jù)不同的濱海腐蝕微環(huán)境具體表現(xiàn)為混凝土保護層龜裂、剝落、分層、出現(xiàn)縱向裂縫和鋼筋裸露；路面結(jié)構(gòu)沉陷及重車轍且病害程度重等。而混凝土裂縫缺陷若不及時修復(fù)，外界水和腐蝕性介質(zhì)將不斷滲入，將進一步加深鋼筋混凝土耐久性問題［13］。因此，從機理角度分析濱?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫形成的原因，并采取有效的措施進行修復(fù)，延遲結(jié)構(gòu)的使用年限具有重要的意義。

2 濱海環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)裂縫作用因素及形成過程

濱海地區(qū)結(jié)構(gòu)開裂的環(huán)境復(fù)雜，要求工程設(shè)計人員考慮的因素更多，比如鹽類腐蝕、空氣濕度、土質(zhì)等［14］，難以準確模擬出濱海的特定現(xiàn)實條件也是一大設(shè)計難點。由于天氣或潮汐等作用，海平面、地下水位、土壤濕度、承載力、鹽離子含量等因素不斷變化，復(fù)雜的濱海條件加速了鋼筋的銹蝕。

2.1 高鹽離子環(huán)境作用

海水中富含具有侵蝕性能的鹽類（MgSO4，K2SO4，MgCl2，NaCl 等）［15］，這些鹽類通過混凝土外表裂縫以及內(nèi)部細孔的毛細作用進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。鋼筋表面的氧化膜與侵入的Cl-發(fā)生反應(yīng)，進而形成腐蝕電池，反應(yīng)速度將非常迅速［16］。在濱海高Cl－條件下，Cl－通過混凝土毛細管作用、滲透和擴散作用及電化學(xué)遷移等方式進入混凝土內(nèi)部產(chǎn)生鹽狀結(jié)晶，改變混凝土內(nèi)部理化特性。在此過程中，Cl-參與反應(yīng)的方程式如式（1）、（2）所示?？梢奀l-會在銹蝕反應(yīng)過程中起到催化劑的作用，且會逐漸積累［17］。

另一方面，混凝土內(nèi)部是高堿性的環(huán)境，其內(nèi)部的鋼筋應(yīng)處于被保護的鈍化狀態(tài)下，但是SO42－會和混凝土內(nèi)的Ca2＋，Mg2+和Na+反應(yīng)生成CaSO4，MgSO4，Na2SO4等難溶性物質(zhì)，硫化物與硫酸鹽也會與固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，反應(yīng)式見式（3）～（5）。在這個過程中結(jié)晶體體積膨脹4～5 倍而產(chǎn)生膨脹壓力，進而導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，引起抗拉、壓強度的性能劣化［18］。

濱海的高濕度環(huán)境使鋼筋的銹蝕更加容易發(fā)生。寧波市北倉區(qū)沿海地帶服役30 年的4 座橋梁，T形梁局部損失率達13.1%～51.0%，且越靠近橋墩，破損更嚴重［19］。山東日照沿海地區(qū)長期服役的濱海大橋邊梁側(cè)面混凝土表面上有大面積層裂、空鼓破損，80%的護欄產(chǎn)生順筋脹裂，基本上喪失原有作用［20］。

2.2 冷熱溫差變化作用

鋼筋混凝土表面散熱能力弱，當(dāng)外部環(huán)境變化引起混凝土表面與中心形成過高的溫度梯度時，表面會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)超過抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫［21］。濱海環(huán)境的高濕度與冷熱循環(huán)致使凍融加劇混凝土的破壞。水泥混凝土受凍后會出現(xiàn)微小裂紋，在外部荷載作用下裂紋繼續(xù)發(fā)展，進而出現(xiàn)開裂、斷板等破壞現(xiàn)象。由于凍融的發(fā)生，部分結(jié)構(gòu)強度下降，當(dāng)所需的疲勞應(yīng)力不能得到滿足便出現(xiàn)破壞現(xiàn)象［22］。

濱海的高Cl－條件也會造成獨有的離子凍融破壞現(xiàn)象，濱海環(huán)境中滲入混凝土結(jié)構(gòu)的NaCl 結(jié)冰后體積膨脹率和滲透性增大，具體表現(xiàn)為飽和后的混凝土表面層嚴重剝落［23］。凍融次數(shù)越多，混凝土中Cl-的擴散系數(shù)越大。濱?；炷列枰谌绱谁h(huán)境下發(fā)揮作用多達數(shù)十年，多次凍融的出現(xiàn)，使得內(nèi)部Cl-含量越來越高，產(chǎn)生不可避免的離子凍融破壞。另外，我國東部和東南部濱海地區(qū)多處于亞熱帶，雨水比較充沛，水分沿著道路表面的孔隙或毛細孔通道向內(nèi)部滲透，在反復(fù)凍融的情況下，結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生裂縫影響使用［24］。溫度裂縫成因示意見圖1。

圖1 溫度裂縫成因示意

2.3 土體物理性質(zhì)影響

我國濱海地區(qū)土壤的含水率差異性大，土體承載能力相差較大。海岸地帶淺部淤泥含有大量泥炭和有機質(zhì)，大多處于欠固結(jié)狀態(tài)，物理力學(xué)指標變化極具不均勻性。研究表明，經(jīng)長期變形破壞的土體，結(jié)構(gòu)性喪失后其抗剪強度僅為一般抗剪強度的40%～50%［25］。以寧波為例，寧波地區(qū)的軟土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土，含水量高，具有典型的海綿結(jié)構(gòu)和層理結(jié)構(gòu)，很多房屋和路面的沉降明顯。由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降或位移，產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出了結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

3 濱?；炷两Y(jié)構(gòu)防護

腐蝕是加劇結(jié)構(gòu)裂縫的催化劑，各國在建筑物防腐上投入了極大的人力與財力。我國近幾年成立了諸多針對濱海防腐的國家級實驗室，比如“海洋涂料國家重點實驗室”。目前，主要從原料與防腐涂層兩個層面增加鋼筋混凝土耐腐蝕性能。

3.1 混凝土原料優(yōu)化設(shè)計

（1）配合比。在混凝土的配合比設(shè)計上采用高性能混凝土，其拌合料具有高塑性，且在凝結(jié)硬化過程中和硬化后的體積穩(wěn)定［26］。高性能混凝土具有較少的毛細孔，使其具有較高的抗Cl-滲透性能。同時高性能混凝土一般在優(yōu)化了配合比的基礎(chǔ)上，添加了減水劑等外加劑，提高了混凝土的耐久性，從而能夠適應(yīng)更長時間的濱海建筑作業(yè)。多數(shù)高性能混凝土抗腐蝕能力的提高是通過對混凝土內(nèi)部毛細孔道的優(yōu)化來達到的，在實際操作中，要確保孔道壓漿的密實性［27］。

（2）骨料。骨料占混凝土質(zhì)量的70%～80%，其對混凝土的耐酸腐蝕具有重要作用［28］。通過測試，抗腐蝕混凝土的骨料應(yīng)優(yōu)選比表面積更大的鈣質(zhì)骨料，且粗骨料的堅固性指標不得大于8%，最大粒徑不得大于40 mm［29］。

在骨料的選擇時，也需要考慮到混凝土的堿集料反應(yīng)。其中發(fā)生率較高的ASR 的發(fā)生機理是骨料中含有堿活性硅質(zhì)礦物與混凝土孔隙中的鈉、鉀離子反應(yīng)產(chǎn)生凝膠吸水膨脹，而ASR 破壞往往在混凝土澆筑完成的多年后發(fā)生，且一旦發(fā)生，將難以控制，嚴重影響混凝土的耐久性能。鈉離子在海洋中大量存在且海水易通過毛細吸附進入混凝土內(nèi)部，更容易加速ASR 破壞的產(chǎn)生。選擇低堿的鈣質(zhì)骨料能夠在一定程度上提高混凝土耐久性，而為了保證混凝土結(jié)構(gòu)基體的均質(zhì)性，一般不推薦使用粗骨料。

（3）水灰比。水灰比與混凝土強度呈反比，但在抗腐蝕水灰比的選擇中，需要充分考慮環(huán)境溶液的離子濃度，李雙喜等人通過對不同水灰比配件的耐腐蝕研究證明，改變水灰比以達到長期抗腐蝕的目的具有一定局限性，不考慮環(huán)境離子濃度，直接采用優(yōu)化水灰比的高抗腐蝕水泥混凝土可能會留下安全隱患。我國《水運工程混凝土施工規(guī)范》規(guī)定海水水位變動區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)水灰比最大允許值為0.45～0.55［30］。

（4）外加劑。濱海地區(qū)鋼筋混凝土外加劑主要分為礦物外加劑和化學(xué)外加劑兩類，其種類繁多、功效不一，具有緩凝、增加和易性、改善塑性和防腐蝕等功能。以常見的摻入型的含亞硝酸鹽阻銹劑為例，它在鋼筋位置發(fā)生的反應(yīng)見式（6）。

亞硝酸根促進鐵離子生成具有保護作用的鈍化膜（νFeOOH）。當(dāng)結(jié)構(gòu)處在濱海環(huán)境中，Cl-的破壞作用與亞硝酸鈉的成膜修補作用競爭進行，當(dāng)后者作用更大時，鋼筋銹蝕便會停止［31］。

3.2 防腐涂層技術(shù)

在混凝土結(jié)構(gòu)表面或者內(nèi)部鋼筋表面進行涂層防護，能有效提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能?；炷帘砻嫱繉宇愋鸵姳?。

表1 混凝土表面涂層類型及主要特性

國內(nèi)主要使用環(huán)氧樹脂作為濱海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涂層。其適用于處在潮濕環(huán)境或侵蝕性介質(zhì)中的各類結(jié)構(gòu)，有效地延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。但環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物存在交聯(lián)密度高、韌性差、耐紫外線光能力差等弊端，國內(nèi)外也利用有機硅［32］、丙烯酸［33］和聚氨酯［34］等材料對環(huán)氧樹脂進行改性，提升涂層抗?jié)B透性能和防腐性能。

4 濱海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補材料及技術(shù)

裂縫修補技術(shù)主要有傳統(tǒng)的開槽式修補、灌漿式修補、表面式修補。面對復(fù)雜多變的濱海環(huán)境，傳統(tǒng)的修補方法在經(jīng)濟性、技術(shù)性、耐久性、可逆修復(fù)性等方面無法滿足更高的要求。基于此，濱?；炷恋男扪a開始更新傳統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用新型修復(fù)材料。

4.1 灌漿式修補技術(shù)

灌漿技術(shù)又稱為注漿技術(shù)，它是將一定的材料配制成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴散、膠凝或固化，以達到加固地層或防滲堵漏的目的［35］。

目前我國針對不同沿海微環(huán)境情況下的裂縫采用不同的灌漿材料和灌漿手段。在灌漿材料的選擇上，除去傳統(tǒng)的黏土類、水泥－水玻璃類注漿材料外，多選擇柔性灌漿的聚氨酯類（PUR）灌漿材料［36］，其化學(xué)成分為聚氨基甲酸酯類高聚物。聚氨酯類材料的水溶性配比物漿材遇水后體積可膨脹數(shù)倍，且具有良好的滲透性和擴散性，在使用過程中，無顆粒及沉降現(xiàn)象，適合濱海環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)。

4.2 表面修補技術(shù)

濱海地區(qū)的混凝土裂縫表面修補技術(shù)可細分為表面封閉技術(shù)和堵漏技術(shù)。表面封閉技術(shù)是通過在細微裂縫表面涂膜以減少有害介質(zhì)的進入，采用的密封材料通常為聚合物水泥、油漆、瀝青和彈性封縫膠等，適用于濱海地區(qū)路面及房屋結(jié)構(gòu)大面積微裂縫防滲、防漏的處理。如圖2 所示，依據(jù)裂縫的性質(zhì)，區(qū)分是否需要加裝由塑料薄膜或蠟紙制備的隔離層。表面封閉技術(shù)在材料方面取得長足的進展，磷酸鎂水泥［37］、單聚合物復(fù)合砂漿［38］、偏高嶺土地聚合物包裹下的膨脹珍珠巖［39］等材料，均具有良好的抗Cl-腐蝕性能和優(yōu)異的致密性，一定程度上起到防護的作用。

圖2 表面修補技術(shù)

堵漏技術(shù)指對于應(yīng)力集中或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的開裂段，可以在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布或貼縫帶等來抵抗開裂的拉力?，F(xiàn)階段我國的濱海地區(qū)貼縫帶從上至下分為高粘接材料、高彈性聚脂、高分子彈性材料、抗撕裂進口無紡布或柔性聚乙烯，四部分之間形成止漏且具有良好骨架的整體。

4.3 電化學(xué)沉積修復(fù)技術(shù)

電化學(xué)沉積修復(fù)技術(shù)是一種高效的濱海鋼筋混凝土裂縫修復(fù)方法。其將混凝土裂縫浸入惰性電極的電解質(zhì)溶液中，鋼筋連接外接電源的負極，惰性電極連接正極，形成閉合回路，并通入電流［40］?；炷羶?nèi)部的鋼筋作為陰極，在通電后釋放氫氧根離子［式（7）］，并在電位差的作用下，從陰極穿過混凝土保護層向陽極運動［式（8）］［41］。在裂縫處形成難溶沉淀物［如ZnO，CaCO3和Mg（OH）2等］，愈合混凝土表面裂縫，以Mg（NO3）2電解液為例［式（9）］。電化學(xué)沉積修復(fù)技術(shù)修復(fù)后的混凝土孔徑分布與電流密度、電解液濃度等多因素有關(guān)［42］。

4.4 微生物修復(fù)技術(shù)

海洋中的微生物與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間存在著相互作用的關(guān)系。一方面，其附著在混凝土表面生成的生物膜會促使大型污損生物的附著生成，促進裂縫產(chǎn)生；另一方面，通過將微生物養(yǎng)護在特定的營養(yǎng)環(huán)境下，發(fā)生降解［式（10）］，其可析出碳酸鈣、氧化物及胞外聚合物等沉淀［式（12）］，可對混凝土裂縫進行修復(fù)［43］。微生物在生成脲酶的同時，也為碳酸鈣的沉積提供了成核地點［44］。現(xiàn)階段，對菌種的選擇也更加多樣，巴氏孢桿菌［45］、嗜堿芽孢桿菌［46］和巴氏芽孢八疊球菌［13］等均被應(yīng)用于混凝土裂縫修復(fù)工程中，但總體上由于高成本和操作復(fù)雜性，在濱海環(huán)境下應(yīng)用較少。

5 結(jié)論

本文基于濱海環(huán)境特有的性質(zhì)和特點，分析造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開裂和腐蝕的原因，并總結(jié)混凝土路面結(jié)構(gòu)的防腐、裂縫的傳統(tǒng)修補技術(shù)及新型高效的修補技術(shù)的研究進展。

濱海環(huán)境的復(fù)雜性會加速混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開裂，給工程修補帶來不便。傳統(tǒng)處理方法是開槽時將微裂縫的混凝土去除，再填補修補劑，比如，MPC 等新型水泥作為修補材料的組成進行裂縫的修補，同時可起到一定增強混凝土耐腐蝕的能力。然而目前的裂縫修補技術(shù)大多還停留在有機物灌漿修補的階段，但是有機物成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。無機修補材料的研究還有很大的提高空間，比如MPC 材料等。電化學(xué)沉積修復(fù)技術(shù)具有良好的修復(fù)效果，但通電作用會在一定程度上損傷混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。生物誘導(dǎo)式修補由于成本和技術(shù)的局限性，目前還處在理論和實驗室階段，有待更多的工程驗證。隨著海洋基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)和工程服役環(huán)境的復(fù)雜化，混凝土結(jié)構(gòu)后期的養(yǎng)護和裂縫修補會成為一項亟須解決的工程問題。因此，對于濱海環(huán)境鋼筋混凝土所產(chǎn)生的裂縫要開發(fā)有針對性的長效修補技術(shù)，才可以更大程度地提高工程服役壽命。