達波, 余紅發(fā), 麻海燕, 張亞棟, 朱海威, 余強, 葉海民, 景顯雙

(1.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210073；

?

南海島礁普通混凝土結構耐久性的調查研究

達波1, 余紅發(fā)1, 麻海燕1, 張亞棟2, 朱海威1, 余強3, 葉海民4, 景顯雙4

(1.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210073；

3.海軍海防工程研究中心，北京 100070；4.中國人民解放軍92003部隊，廣東湛江 524003)

為了探究熱帶海洋環(huán)境下混凝土結構的耐久性，通過對我國南海島礁普通混凝土結構的現(xiàn)場調研與測試，研究了普通混凝土的破壞現(xiàn)狀、碳化深度、自由氯離子含量(Cf)和總氯離子含量(Ct),并計算了氯離子結合能力(R)、表面自由氯離子含量(Cs)、表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)和自由氯離子擴散系數(shù)(Df)。結果表明：在南海島礁工程中，普通混凝土結構的主要破壞特征為混凝土保護層脹裂、剝落、垮塌、露筋、鋼筋銹蝕等；其碳化服役壽命不足25a；海風是加速氯離子擴散滲透的主要因素之一；普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國東海等近海環(huán)境，大致高1～2個數(shù)量級。

熱帶海洋環(huán)境；普通混凝土；混凝土結構; 耐久性; 碳化深度；氯離子結合能力；表面自由氯離子含量；氯離子擴散系數(shù)

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160624.1127.004.html

南海海洋環(huán)境對混凝土結構具有很強的腐蝕破壞作用，氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用、微生物腐蝕以及干濕交替的頻繁作用和風暴引起的海浪沖刷磨損等是導致海洋混凝土腐蝕破壞的主要原因[1-2]。其中，氯離子侵蝕導致海洋混凝土腐蝕破壞尤為突出，嚴重危害著海洋混凝土結構工程的安全性和耐久性[3]。因此，對我國南海島礁海洋環(huán)境中混凝土結構的耐久性進行調查研究是一項十分重要工作。

Antonio C等[4]對葡萄牙海洋環(huán)境下的碼頭、橋梁等建筑物進行調查發(fā)現(xiàn)：由于氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕非常嚴重，使得混凝土結構服役較短時間就發(fā)生嚴重損傷。Normand R[5]對英國海邊700座普通混凝土結構進行調查，發(fā)現(xiàn)其耐久性的破壞主要與浪濺區(qū)的鋼筋嚴重腐蝕有關。近十年來對我國沿海建筑物調查表明，因氯化物侵蝕導致混凝土結構破壞的現(xiàn)象遍及我國沿海所有碼頭、閘涵和海濱電廠。趙國藩等[6]對華南、華東地區(qū)進行了三次沿海港口工程混凝土結構耐久性現(xiàn)狀的調查，結果發(fā)現(xiàn)混凝土鋼筋銹蝕破壞的時間有的僅5～10 a。

而我國沿?；炷两Y構耐久性調研主要針對渤海灣、華東與華南沿海，對南海島礁海洋環(huán)境的耐久性調研則未見相關報道。本文重點觀測我國南海島礁環(huán)境的普通混凝土結構工程的耐久性狀態(tài)，系統(tǒng)測試混凝土保護層厚度、碳化深度和氯離子含量的深度分布規(guī)律，并運用修正的Fick擴散定律[7]研究不同混凝土的氯離子耐久性參數(shù)，為研究熱帶海洋島礁環(huán)境混凝土結構的耐久性和實際工程壽命問題提供數(shù)據(jù)支持。

1　現(xiàn)場調查與試驗方法

1.1工程結構信息、現(xiàn)場調查與測試方法

現(xiàn)場調查主要參照《港口工程質量檢驗評定標準》[8]進行。采用表面觀測、鑿開觀測、現(xiàn)場測試、取樣測試和數(shù)碼相機記錄等辦法，重點檢查了我國南海海域某島礁的普通混凝土結構的破壞現(xiàn)狀(具體見表1)，包括開裂，剝落、鋼筋裸露及其附屬設施損壞等，對于重點考察的部位分別測定保護層厚度和用質量分數(shù)1%的酚酞酒精溶液測定碳化深度等。必要時采取不同深度的混凝土粉末樣品，用于室內分析測試。

表1　南海海域某島礁調查的普通混凝土結構工程信息

1.2試驗室分析方法

1.2.1自由氯離子含量、結合氯離子含量和總氯離子含量

采用Z1A型便攜式鉆機，合金鉆頭直徑為6 mm，現(xiàn)場采集0～5、5～15、15～25、25～35、35～55、55～65、65～75、75～85和85～95 mm等不同深度的混凝土粉末試樣，并用孔徑為0.15 mm的篩子過篩，以除去粗顆粒。參照國家交通部標準JTJ270-98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》[9]和文獻[10〗，采用水溶和酸溶萃取法分別測定自由氯離子含量(Cf)、總氯離子含量(Ct)和結合氯離子含量(Cb)由下式計算：

(1)

式中：Ct為混凝土的總氯離子含量(%)；Cf為混凝土的自由氯離子含量(%)；Cb為混凝土的結合氯離子含量(%)。

1.2.2氯離子結合能力

根據(jù)Nilsson等[11]定義了混凝土的氯離子結合能力(R)：

(2)

式中R是混凝土的氯離子結合能力。海洋混凝土結構的Ct和Cf之間符合線性關系[12]：

Ct=KCf

(3)

式中：K是試驗常數(shù)。將式(1)、(3)代入式(2)，得到

(4)

1.2.3表面自由氯離子含量和氯離子擴散系數(shù)

根據(jù)實驗得到不同平均深度的Cf，利用Excel數(shù)學分析軟件和和混凝土氯離子的擴散模型[13]得到混凝土的Cs值和表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)。Da計算公式如下：

一維

(5)

二維

(6)

三維

(7)

式中：Cf為距混凝土表面x處的自由氯離子含量(%),Cs為混凝土表面的自由氯離子含量(%),C0為混凝土內部的初始自由氯離子含量(%),Da為混凝土的表觀氯離子擴散系數(shù),L1、L2和L3分別為沿x、y和z方向的厚度,erf 為誤差函數(shù)：

根據(jù)Maage M等[14]研究，混凝土的自由氯離子擴散系數(shù)(Df)與表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)之間具有如下關系：

(8)

式中R為混凝土的氯離子結合能力。

2　現(xiàn)場調查結果與分析

2.1普通混凝土結構破壞現(xiàn)狀

圖1為南海島礁環(huán)境不同普通混凝土結構的耐久性破壞現(xiàn)狀。圖1(a)、圖1(b)、圖1(f)和圖1(h)分別為廢棄車庫、廢棄車庫頂板、某建筑物A和某構筑物A，其測試齡期分別為25、25、22和15 a。由此可見，在南海島礁環(huán)境中，由于氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用、干濕交替和海風的頻繁作用等導致混凝土結構損壞嚴重以及鋼筋銹蝕，嚴重危害著島礁混凝土結構工程的安全性和耐久性。圖1(c)、圖1(e)和圖1(g)分別為預制電纜標記碑、碼頭和某建筑物B的耐久性破壞現(xiàn)狀，可見在復雜惡劣的海洋環(huán)境中，多風、高溫的氣候使得混凝土開裂，砂漿逐層剝落，集料暴露，必然影響混凝土的強度和耐久性。圖1(d)所示的預制混凝土電桿破壞與臺風有關。

圖1　南海島礁環(huán)境普通混凝土結構的破壞現(xiàn)狀Fig.1　Destruction of ordinary concrete structures in the South China Sea

2.2普通混凝土保護層厚度和碳化深度

圖2為南海島礁的不同混凝土結構，表2為該混凝土結構的保護層厚度和碳化深度。圖2(a)所示的廢棄車庫混凝土結構已經嚴重破壞，混凝土保護層剝落、鋼筋銹蝕、骨料外露。外觀檢查和碳化深度檢測結果表明，此熱帶海島由于長期受西南季風的影響，車庫3號混凝土柱25 a后的迎風面碳化深度高達35～40 mm，背風面碳化深度僅有迎風面的50%左右，遠大于寧波海工碼頭大氣區(qū)的23 a碳化深度(2.4 mm)[15；圖2(b)為某建筑物A，其22 a碳化深度為10 mm；圖2(c)為某建筑物B，其18 a碳化深度為30 mm；圖2(d)為預制鋼絲網水泥砂漿結構，其40 a碳化深度為5 mm。這充分表明，南海島礁普通混凝土結構的碳化服役壽命不足25 a。

2.3普通混凝土的氯離子含量分布

圖3為南海島礁海域普通混凝土廢棄車庫立柱、某建筑物A(DB)和預制鋼絲網水泥砂漿結構(QZ)的自由氯離子含量(Cf)和總氯離子含量(Ct)分布，其測試齡期分別為25、22和40 a。結果表明，在南海島礁海洋環(huán)境下，海風和鹽霧中的氯鹽，會加速擴散滲透進入島上建筑物或者構筑物，車庫3號柱西面(3#W)與南面(3#S)的氯離子含量遠高于東面(3#E)和北面(3#N)的氯離子含量?？梢?，海風是加速氯離子擴散滲透的主要因素之一。

圖2　南海島礁的不同混凝土結構Fig.2　Different concrete structures in the South China Sea

表2　南海島礁上不同混凝土結構的保護層厚度和碳化深度

圖3　南海島礁不同普通混凝土結構的氯離子含量分布Fig.3　Different depth chloride concentration distribution of ordinary concrete in the South China Sea

2.4普通混凝土的氯離子結合能力

圖4為南海島礁普通混凝土廢棄車庫和某建筑物A的Ct和Cf之間的關系，其測試齡期分別為25 a和22 a。由圖可見，南海島礁環(huán)境中普通混凝土的Ct和Cf均符合線性關系，這與一般海洋環(huán)境的規(guī)律一致[12]。表3為島礁普通混凝土Ct和Cf之間的線性回歸關系。

根據(jù)Nilsson等[11]提出的氯離子結合能力定義，計算得到南海島礁普通混凝土廢棄車庫柱3#E、3#S、3#W和3#N和某建筑物A的R值分別為0.202、0.078、0.149、0.048和0.103，比暴露在日本海洋環(huán)境下普通混凝土的R值(0.230)[12]要低12.2%～79.1%。普通混凝土R值越低，表明氯鹽侵蝕對混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用越大，說明在南海島礁環(huán)境，氯鹽侵蝕對混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用明顯高于日本海洋環(huán)境。

圖4　南海島礁普通混凝土結構的Ct和Cf之間的關系Fig.4　Ordinary concrete relationship between Ct and Cf in the South China Sea

表3　南海島礁普通混凝土結構的Ct和Cf之間回歸關系

2.5表面自由氯離子含量和氯離子擴散系數(shù)

2.5.1普通混凝土結構

表4為南海島礁普通混凝土結構的表面自由氯離子含量(Cs)和氯離子擴散系數(shù)。結果表明，在南海島礁環(huán)境經歷25 a的廢棄車庫普通混凝土柱在不同方向的Cs值規(guī)律是：0.130%>0.102%>0.079%>0.064%，即3#W和3#S的Cs值大于3#N和3#E的Cs值而南海海域常年以西南季風為主，可見，風向是影響結構表面氯離子含量的主要因素。車庫混凝土柱不同方向的表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)分別為0.352、0.964、0.461和1.416 cm2/a，自由氯離子擴散系數(shù)(Df)分別為0.404 8、1.040、0.483和1.702 cm2/a，其Da值比寧波海域普通混凝土結構的Da(0.068～0.273 cm2/a)約大4～20倍[15〗。這充分表明，普通混凝土結構在高溫、高濕、高鹽和多風的南海島礁環(huán)境的耐久性問題異常嚴峻。

表4　南海島礁普通混凝土結構的表面自由氯離子含量和氯離子擴散系數(shù)

2.5.2不同海域暴露區(qū)域的影響

圖5示出了南海島礁不同混凝土結構的表觀氯離子擴散系數(shù)與暴露時間的關系。圖中，同時列出了美國西太平洋Bikini環(huán)礁的珊瑚混凝土結構[16〗、我國東海[15〗、和北歐[17〗和加拿大蒙特利爾海港碼頭(非引氣混凝土，存在凍融剝落現(xiàn)象)[18〗、Bamforth P.B[19〗匯總30多項國際文獻發(fā)表以及他調研的歐洲與北美76組普通水泥混凝土(不摻礦物摻合料，無明顯腐蝕破壞)、65組粉煤灰混凝土和54組礦渣混凝土等近?；炷两Y構的表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)。其中，對我國東海、美國西太平洋Bikini環(huán)礁的珊瑚混凝土結構和加拿大蒙特利爾海港碼頭(非引氣混凝土，存在凍融剝落現(xiàn)象)文獻中的Da

值進行重新計算。由圖可見，在一般海洋近海工程中，混凝土結構的Da值隨著暴露時間的延長而降低，兩者之間呈典型的冪函數(shù)關系。當暴露時間相近時，在南海島礁與太平洋等熱帶海洋環(huán)境下普通混凝土的Da值，明顯位于一般海洋近海工程的Da與暴露時間之關系區(qū)域的上方，即普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國東海等近海環(huán)境，大致高1～2個數(shù)量級。此外，南海島礁環(huán)境下珊瑚混凝土結構的Da值大于普通混凝土Da值，在海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)和水下區(qū)的珊瑚混凝土最大Da值是普通混凝土大氣區(qū)最大Da值的2.1倍、2.8倍和5.9倍，該結果與日本學者[20]研究環(huán)太平洋地區(qū)的珊瑚混凝土完全相符。

圖5　南海島礁不同混凝土結構的表觀氯離子擴散系數(shù)與暴露時間的關系Fig.5　Different concrete structure Da relationship with exposed time in the South China Sea

3　結論

1)南海島礁工程中，多風、高溫的海洋環(huán)境對普通混凝土結構具有很強的腐蝕破壞作用，碳化深度較大，其主要破壞特征為混凝土保護層脹裂、剝落、垮塌、露筋、鋼筋銹蝕、箍筋銹斷等。

2)南海島礁工程中，由于長期受西南季風的影響，普通混凝土柱25a后的迎風面碳化深度高達35～40 mm，背風面碳化深度僅有迎風面的50%左右；且南海島礁普通混凝土結構的碳化服役壽命不足25 a。

3)南海島礁環(huán)境中，海風和鹽霧中的氯鹽，會加速擴散滲透進入島上建筑物或者構筑物，可見，海風是加速氯離子擴散滲透的主要因素之一；南海島礁環(huán)境混凝土結構發(fā)生鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量(Ccr)值應該遠遠低于0.05%，可能接近美國ACI201規(guī)范的規(guī)定，約為0.01%。

4)南海島礁環(huán)境中,普通混凝土的總氯離子含量(Ct)和自由氯離子含量(Cf)均符合線性關系，這與一般海洋環(huán)境的規(guī)律一致,南海島礁環(huán)境中氯離子結合能力(R)比暴露在日本海洋環(huán)境下普通混凝土的R值(0.230)要低12.2%～79.1%，表明在南海島礁環(huán)境下，氯鹽侵蝕對混凝土中鋼筋的銹蝕破壞作用大于日本海洋環(huán)境。

5)南海島礁環(huán)境中，風向是影響混凝土結構表面氯離子含量(Cs)的主要因素，迎風面的Cs值較高；在一般海洋近海工程中，混凝土結構的表觀氯離子擴散系數(shù)(Da)值隨著暴露時間的延長而降低，兩者之間呈典型的冪函數(shù)關系；普通混凝土在南海島礁環(huán)境下的Da值大于北歐、北美及我國東海等近海環(huán)境，大致高1～2個數(shù)量級。

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本文引用格式：

達波, 余紅發(fā), 麻海燕，等.南海島礁普通混凝土結構耐久性的調查研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(8): 1034-1040.

DA Bo, YU Hongfa, MA Haiyan, et al. Investigation of durability of ordinary concrete structures in the South China Sea[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1034-1040.

Investigation of durability of ordinary concrete structures in the South China Sea

DA Bo1, YU Hongfa1, MA Haiyan1, ZHANG Yadong2, ZHU Haiwei1, YU Qiang3,YE Haimin4, JING Xianshuang4

(1. Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautic and Astronautic, Nanjing 20016, China; 2. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 20016, China; 3. Navy Research Center of Coastal Defense Engineering, Beijing 100070, China; 4. The People′s Liberation Army Unit 92003, Zhanjiang 524003, China)

To investigate the durability of concrete structures in the tropical marine environment, in this study, we carried out site investigations in the South China Sea and laboratory experiments to determine the destruction status, carbonization depth, free chloride concentration (Cf), total chloride concentration (Ct), chloride binding capacity(R), surface free chloride concentration (Cs), apparent chloride diffusion coefficients (Da) and free chloride diffusion coefficients (Df) of ordinary concrete. The results show that in the islands engineering of South China Sea, the main failure characteristics in ordinary concrete structures are cover cracks, exfoliation, collapse, steel bar exposure, and steel corrosion. In addition, the carbonation service life of these structures is less than 25 years, and wind is one of the main factors accelerating the chloride diffusion penetration. In the South China Sea environment, the Davalue for ordinary concrete is about 1～2 orders of magnitude higher than that of the Northern Europe, North America, and East China Sea offshore environments.

tropical marine environment; ordinary concrete; concrete structure;durability; carbonation depth; chloride binding capacity; surface free chloride concentration; chloride diffusion coefficient

2015-05-18.網絡出版日期：2016-06-24.

國家自然科學基金項目(51508272)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2015CB655102)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX15-0230).

達波 (1988-)，男，博士研究生;

余紅發(fā)(1964-), 男，教授，博士生導師.

余紅發(fā)，E-mail: yuhongfa@nuaa.edu.cn.

10.11990/jheu.201505051

TU528

A

1006-7043(2016)08-1034-07