钢筋混凝土结构在海上测风塔基础设计中的应用

混凝土是由硅酸盐水泥、填充骨料（砂和石子）、水和助剂等混合后经水合浇筑而成。混凝土p H值为12.5，高碱性使钢筋表面形成以Fe2O3、Fe3O4和含Si-O键化合物为主的致密钝化膜，这正是混凝土中钢筋在正常情况下不受腐蚀的主要原因[18]。但当钢筋混凝土结构物处在海洋环境中则有可能产生严重的腐蚀。

1.腐蚀机理

对海洋环境钢筋混凝土设施的大量调查分析显示，海洋工程钢筋混凝土破坏的主要因素无外乎外因和内因。外因主要是海洋地区苛刻的腐蚀环境，如海水中高浓度氯离子、盐雾导致混凝土中钢筋锈蚀，海水中的硫酸根离子和镁离子导致混凝土本体损伤，北方地区的冰冻气候导致混凝土的冻融损伤，以及大气区的碳化环境导致混凝土p H值降低从而诱使混凝土中钢筋锈蚀。内因主要是混凝土使用活性骨料且水泥碱含量过大导致了碱骨料破坏，混凝土中使用了海砂等带氯离子原材料导致的钢筋锈蚀等。以下介绍两类主要的腐蚀作用，分别为氯盐腐蚀和碳化作用[1920]。

（1）氯盐腐蚀。海洋环境中的海水、盐雾中存在大量的氯盐，广泛的调研表明，氯离子引起的混凝土中钢筋腐蚀是造成钢筋锈蚀的最主要原因。氯离子会通过扩散作用、毛细管作用、渗透作用和电化学迁移等不同方式侵入混凝土结构。大气区钢筋混凝土被侵蚀的主要因素是风带来细小的盐粒沉积于结构物表面，由于盐吸湿形成液膜，使构筑物受到氯离子污染。水位变动区的饱水部分和处于水下部分构筑物一直接触海水，扩散和渗透起主要作用。浪溅区和水位变动区的非饱水部分，扩散、毛细管和渗透共同作用，风浪强烈冲击可以导致混凝土涂层的严重破坏，氯离子侵入速度加快，这一区域又有充足的氧，使此区域的钢筋腐蚀最严重。

氯离子是极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的p H值迅速降低。当p H值＜11.5时，钝化膜就开始不稳定，当p H值＜9.88时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐被破坏，使钢筋逐步暴露于腐蚀环境中。

氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部（点），使这些部位（点）露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极发生氧的还原反应，从而形成腐蚀电池作用，即

氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速电池作用的过程。如果阳极生成的Fe2+不能及时搬运走而积累于阳极表面，则阳极反应就会因此而受阻；如果生成的Fe2+能及时被搬运走，阳极反应就会顺利进行乃至加速进行。Fe2+和Cl-生成可溶于水的FeCl2，然后向阳极区外扩散，与本体溶液或阴极区的OH-生成俗称“褐锈”的Fe（OH）2，遇孔隙液中的水和氧很快又转化成其他形式的锈。FeCl2生成Fe（OH）2后，同时放出氯离子，新的氯离子又向阳极区迁移，带出更多的Fe2+，从而加速阳极过程。通常把加速阳极的过程，称作阳极去极化作用，氯离子正是发挥了阳极去极化作用的功能，其反应式为

Fe（OH）3若继续失水就形成水化氧化物FeO·OH（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展。

上述过程中氯离子不构成腐蚀产物，在腐蚀中也未被消耗，如此反复对腐蚀起催化作用。可见氯离子对钢筋的腐蚀起着阳极去极化作用，加速钢筋的阳极反应，促进钢筋局部腐蚀，这是氯离子侵蚀钢筋的特点。

（2）碳化作用。对于海洋工程不与海水接触的钢筋混凝土，除了遭受盐雾作用外，空气中的CO2将与混凝土中的Ca（OH）2反应生成CaCO3，导致混凝土的p H值下降，从而导致混凝土中的钢筋脱钝并锈蚀，即发生混凝土的碳化。钢筋混凝土中水泥的水化产物Ca（OH）2是一种高碱性物质，p H值在12.5以上，混凝土中钢筋与该溶液接触可以钝化，对钢筋起到保护作用。这种钝化作用在碱性环境中是很稳定的。当空气中的酸性气体（如CO2，SO2等）通过孔洞形态的混凝土与Ca（OH）2和其他碱性物质发生反应，变成碳酸盐，称之为碳化作用。具体反应为

当大量的碳酸钙形成时，混凝土内部碱性环境被破坏，钝化膜失效，钢筋暴露于腐蚀环境下发生腐蚀氧化还原反应，见式（8-47）和式（8-48）。

2.防护机理(www.xing528.com)

采用钢筋混凝土为基础材料的海上测风塔基础需采取相应的防护措施。由于钢筋混凝土防腐是系统工程，必须在设计、施工、使用等各个阶段进行。

（1）基本防护措施。从设计、施工、制作等方面提高混凝土自身的防护性能是混凝土的基本防护措施。由于混凝土本身具有高碱性，正确设计与施工的优质混凝土保护层本身具有长期防止环境介质渗透的功能，因此，尽可能提高混凝土本身对钢筋的防护功能是最经济、最有效的措施。

1）混凝土结构型式应有利于防腐，如构件截面几何形状应简单、平顺、减少棱角、突变和应力集中；混凝土表面应有利于排水；对处于腐蚀较严重部位和构件，应考虑其易于更换的可能性。适当增加混凝土保护层厚度以延长侵蚀性介质渗透到钢筋周围达到破坏钝化膜临界值的时间[21]。

2）选择优质原材料和优化混凝土配合比设计，提高抗蚀能力。如尽量减小水灰比提高混凝土的密实度。混凝土密实度高，有利于提高抗渗性，对侵蚀性介质的抗蚀能力增强；限制粗骨料的最大粒径，减少粗骨料与水泥砂浆界面的不利影响；规定混凝土拌和物最低水泥用量，确保混凝土具有较高的碱度；有抗冻要求时，加入合适量的引气剂以提高混凝土的抗冻性；不得采用可能发生碱—骨料反应的活性骨料；严格限制砂、石、外加剂、拌和水等原料中的氯离子含量，使符合规定。

3）采用高性能混凝土。高性能混凝土是具有高耐久性、高稳定性、良好工作性及较高强度。高性能混凝土一般抗氯离子渗透性比普通混凝土提高数倍，可显著提高混凝土护筋性能，从根本上提高混凝土的耐久性。

（2）混凝土表面涂覆防护。采用混凝土表面涂覆防护措施有效地将混凝土与周围侵蚀性介质隔离开来或阻止有害介质的侵入，也是一种有效的防护措施。该措施是在混凝土表面涂覆一层涂料，形成一层隔离层制止氯离子、氧、水等介质渗入混凝土，以延缓钢筋腐蚀。涂层防腐保护技术成熟、效果显著，是海工混凝土防腐最经济有效的措施。表面涂覆所用的浸入型涂料是一种黏度很低的有机硅化合物液体，将它涂于风干的混凝土表面并浸入深约数毫米表层中，与孔壁的氢氧化钙反应，使毛细孔憎水化或者填充部分细孔。浸入型涂料能显著降低混凝土的吸水性，使水和氯化物都难以渗入混凝土中，从而显著地提高混凝土的护筋性。防腐涂料可采用环氧树脂涂料、聚氨酯涂料、聚脲弹性体涂料、丙烯酸乳胶漆、氟树脂涂料等。

（3）混凝土中钢筋防护。钢筋防护可采用三大类方式，分别为镀层或涂层钢筋、钢筋阻锈剂和阴极保护。

1）镀层钢筋主要是镀锌钢筋，利用锌的电位比铁低，对钢筋施加阴极保护。涂层钢筋是指在钢筋表面制作涂层，隔离钢筋与腐蚀介质的接触，采用静电喷涂工艺将涂层（较普遍的是环氧涂层）喷涂于表面处理过的预热的钢筋上，形成具有一层坚韧、不渗透、连续绝缘层的钢筋。它可以将钢筋与其周围的混凝土隔开，即使氯离子、氧气等已大量侵入混凝土，它也能长期保护钢筋使其免遭腐蚀[22]。

2）钢筋阻锈剂能够阻止或延缓氯离子对钢筋钝化膜的破坏，拌制混凝土时掺加阻锈剂能够阻止或延缓氯离子对钢筋钝化膜的破坏。钢筋阻锈剂包括复合阻锈剂、有机阻锈剂、迁移型阻锈剂等，钢筋阻锈剂的应用要考虑对混凝土主要性能的不良影响。

3）阴极保护技术是应用电化学原理，通过给被保护钢筋加一负向电流，即使钢筋表面氯离子已达到或超过使钢筋脱钝的临界值，由于电化学腐蚀过程被有效抑制而使钢筋不会发生锈蚀。阴极保护法可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。