海洋环境对混凝土的腐蚀

    各地海水的成分几乎都是一样的。表 2-1 给出了全世界 77 个海水样品中的盐类组成,其中含量最多的是氯化物,几乎占总盐分的 90%。但海水表层的盐度各地有差别,即使在同一地区也会随季节的变化而有差异。表 2-2 给出了中国各海域的海水盐度值分布。

    海洋环境中的氯离子可以从混凝土表面迁移到混凝土内部,当到达钢筋表面的氯离子积累到一定浓度(临界浓度)后,就可能引发钢筋锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀程度要比一般环境下单纯由碳化引起的锈蚀严重,是耐久性研究的重点问题。
    海洋环境一般分为海岸环境和海风环境两大类。
    1.海岸环境
    海岸环境统指海洋竖向环境,包括水下区、潮汐区和浪溅区(水位变动区)及海上大气区。水下区的氯离子源主要来自海水;潮汐区和浪溅区的氯离子源来自波浪或喷沫,随着波浪而周期性变化;海洋大气区的氯离子源主要是海洋上空气中的盐雾,海水的含盐浓度越高,盐雾中的盐分也越高。从长期来看,对于海洋环境中的混凝土结构,无论是水下区水位变动区、浪溅区还是大气区的氯离子源浓度,可以认为取决于海水中的氯离子浓度，主要是海水表层的氯离子浓度。

    《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)和《水工混凝结构设计规范》(SL191-2008)均对海水环境混凝土部位划分做了规定,分别如表 2-3 和表 2-4 所示但需要注意的是,对于各个区域只能给出环境条件和氯离子侵蚀机理上的描述,还不能简单地从海拔高度上对各个区域加以区分。

    2.海风环境
    海风环境指近海大气环境。影响近海大气中盐雾含量的因素是多方面的,除了海水的盐度,主要有气候条件(风向、风速、湿度等)和自然环境(海岸线地貌、离海距离等)两个方面因素的影响,而这两方面因素中,离海距离最为主要,且与风速的大小有很大关系[1o.J。中国的季节风是春夏季多东南风,秋冬季多西北风,若风向是由海洋吹向陆地的,则有利于大陆上空含盐量的增加;海面上的风速越大,大气中的含盐量也就越多,在离海较远的地方,平时空气中盐雾含量较低,在暴风时,其值可能增大 10倍;当风速一定时空气中的盐分含量会随湿度的增加而减少。内陆环境中，一般大气环境中的盐雾含量很小,不过在盐碱地、内陆盐湖上空空气中的盐雾浓度则很高,甚至有的地方比海边陆地的高得多。

    中国广州电器科学研究所曾经在 20世纪 60 年代和 80年代对我国部分沿海地区空气中盐雾的含量做过多次测量,结果最大值在 0.024~1.375mg/m,与离海距离有关1994 年徐国葆[分析认为空气中盐雾含量与离海距离的关系呈指数规律降低,30000m外盐雾含量已接近正常环境,见图 2-2.

    根据近海环境空气中盐雾含量随离海距离增加而降低的规律,不少国家也制定了相应的区划标准及相应的混凝土结构建设指标与规定:欧洲标准 EN 206-1/2000 和德国工业标准DIN 1045-2/2000 规定海岸边的混凝构件最低强度等级为 C40 且水胶比不大于0.5,但没有明确离岸的距离范围;日本公路协会的手册规定离岸 100m 内为防腐蚀一级设防区,100m 外为二级设防区;日本建筑学会颁布的高耐久性混凝土设计与施工建议规定:紧接海岸(0m)为中盐害区,50m 内为盐害区,200m 为准盐害区,超过 200m 为不考虑盐害区,认为超过 200m 的混凝土表面不会有氯离子的明显积累。中国《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)中,以离涨潮海岸线 50m 为界划分盐雾区,重度盐雾作用区为离涨潮岸线 50m的陆上环境;轻度盐雾作用区为离涨潮岸线 50500m 的陆上环境。我国《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)中规定轻度盐雾区为距涨潮岸线100~300m 的陆上室外环境;重度盐雾区为离涨潮岸线 100m 以内的陆上室外环境。我国王冰等[采用 Fick 第二定律对盐雾分区进行了研究，认为离海 100m 内属于重度盐雾区。
      综上可见,从外部环境因素的角度,海洋环境中的结构表面氯离子浓度随海水盐度增区,100~300m属于轻度盐雾区。加而增大,而近海陆地上结构表面的氯离子浓度则随着海水表层氯离子浓度和风速增大而增大，随离海岸距离的增加而减小。
      影响海洋环境下氯离子侵蚀的环境因素包括三个。
1) 环境氯离子浓度
氯离子的扩散是由氯离子的浓度差引起的,表面浓度越高,内外部氯离子浓度差越大,扩散至混凝土内部的氯离子会越多。结构表面的氯离子浓度主要与环境氯离子浓度有关,此外还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。温度对混凝土的耐久性有双重影响:一方面,温度升高使水分蒸发加快,造成表面的孔隙率增大,渗透性增加;另一方面,温度升高可以使内部混凝土的水化速率加快，混凝+致密性增加，渗透性降低。
2)环境温度
3) 环境相对湿度与降水量环境相对湿度在氯离子侵蚀中也起着不可忽视的作用。因为混凝土的湿度是影响扩散系数的一个重要因素,构件表面氯离子通过吸收、扩散、渗透等途径向混凝土内部传输的过程都需要孔隙水作为载体。实际上在暴露环境中,混凝土的水分饱和度还要在很大程度上受到降水的影响,在寿命预测模型中具体地表述相对湿度还比较困难。但在近海和海洋环境中,大气的相对湿度由于受海洋气候影响,差异并不显著。
2.1.3 冻融环境混凝土的冻融破坏是指在负温和正温的交替循环作用下,混凝土从表层开始发生剥落、结构疏松、强度降低,直到破坏的一种现象。冻融循环直接作用于混凝土,但由于混凝上和钢筋之间黏结的破坏和混凝土保护层的剥落，钢筋也因此间接受到影响。国外寒冷地区如北欧北美、苏联早在 20 世纪 40 年代就已重视抗冻性,采取了引气技术,但混凝路桥的破坏仍然很严重,主要原因是除冰盐和冻融的作用。在中国,北方地区造成混凝士结构过早破坏的主要原因也是冻融和盐冻。
冻融循环对混凝土结构的损伤分为两类[13,14]第一类是内部损伤,是由于混凝土内部水结冰产生约 9%的体积膨胀造成的,混凝土产生开裂甚至剥落,通常发生在混凝土内部的水含量超过某个临界值的情况。损伤主要表现为混凝土抗压与抗拉强度、与钢筋的黏结强度以及弹性模量的降低,从而导致构件抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗扭能力全面下降。尤其是弹性模量的损失,可引起预应力混凝士结构承载能力的显著降低。混凝土受冻时,粗孔中的水先结冰,在水结冰膨胀的推动下.孔中未结冰的水向周围迁移,形成静水压力。当静水压力超过混凝土强度能承受的程度时,就会损害混凝土。混凝土的饱水度越高,结冰速率越快,混凝土的静水压力和破坏力国《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)中规定轻度盐雾区为距涨潮岸线100~300m 的陆上室外环境;重度盐雾区为离涨潮岸线 100m 以内的陆上室外环境。我国王冰等[采用 Fick 第二定律对盐雾分区进行了研究，认为离海 100m 内属于重度盐雾区。
综上可见,从外部环境因素的角度,海洋环境中的结构表面氯离子浓度随海水盐度增区,100~300m属于轻度盐雾区。加而增大,而近海陆地上结构表面的氯离子浓度则随着海水表层氯离子浓度和风速增大而增大，随离海岸距离的增加而减小。
影响海洋环境下氯离子侵蚀的环境因素包括三个。
1) 环境氯离子浓度
氯离子的扩散是由氯离子的浓度差引起的,表面浓度越高,内外部氯离子浓度差越大,扩散至混凝土内部的氯离子会越多。结构表面的氯离子浓度主要与环境氯离子浓度有关,此外还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。

2)环境温度

温度对混凝土的耐久性有双重影响:一方面,温度升高使水分蒸发加快,造成表面的孔隙率增大,渗透性增加;另一方面,温度升高可以使内部混凝土的水化速率加快，混凝+致密性增加，渗透性降低。

3) 环境相对湿度与降水量

环境相对湿度在氯离子侵蚀中也起着不可忽视的作用。因为混凝土的湿度是影响扩散系数的一个重要因素,构件表面氯离子通过吸收、扩散、渗透等途径向混凝土内部传输的过程都需要孔隙水作为载体。实际上在暴露环境中,混凝土的水分饱和度还要在很大程度上受到降水的影响,在寿命预测模型中具体地表述相对湿度还比较困难。但在近海和海洋环境中,大气的相对湿度由于受海洋气候影响,差异并不显著。