混凝土防盐腐蚀措施的探讨*

王毅红，贾顺利，周 纲，纳启财

(1.长安大学 建筑工程学院，陕西 西安710061;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安710068;3.青海省共玉指挥部，青海 西宁810000)

0 引 言

中国盐渍土按地理位置可分为滨海盐渍土和内陆盐渍土。滨海盐渍土主要为氯盐盐渍土，含盐量一般不超过10%，而内陆盐渍土种类较多、性质复杂，包括硫酸盐盐渍土、氯盐盐渍土和碳酸盐盐渍土，其含盐量变化幅度较大，一般在20%以上，最高可达95%，盐类腐蚀严重，工程问题较为突出，尤其在中国青海、内蒙、新疆、西藏等地分布着大量富含卤水、盐渍土分布范围广的盐湖［1］。调查显示［2］，在含盐量高、成分复杂、气候条件恶劣的内陆强盐渍土、盐湖地区，桥涵、房屋、管线等地下埋设构造物的腐蚀现象严重而普遍。

中国从60 年代开始，研究了引气混凝土(APC)［3］，通过减少混凝土分子间的空隙和裂缝，以增加混凝土的密实性，防止易溶盐中的Cl-或通过水的渗透作用与混凝土结合成聚合物，对混凝土进行分解、膨胀破坏。70 年代，青藏铁路的预制构件中采用了聚合物浸渍混凝土［4］。2000年以后，针对盐湖地区复杂的环境情况，许多学者和科研机构提出了非引气高性能混凝土(HPC)［5-6］。近年来，盐渍土地区桩基工程中逐渐采用了钢板桩和钢管桩，其受力性能和防腐蚀工艺的研究较多［7-8］，盐湖地区由于富含卤水，对建筑物、构筑物防渗透技术研究也受到重视［9-10］。在新疆、甘肃、青海等省的公路桥梁建设中，采取换填无盐土或砾石、添加外加剂、采用抗硫酸盐水泥或表面涂层防护等防腐蚀技术措施，对盐渍化程度较低或轻盐渍土地区桥涵构造物起到一定的防腐蚀作用，但对强盐渍土及盐湖地区的腐蚀问题仍未完全解决。

针对强盐渍土、盐湖地区建筑物、构筑物以及大型桥梁等地下混凝土结构，如不采取可靠的防腐蚀措施或防腐措施采取不当，在荷载+冻融+盐湖卤水腐蚀以及卤水干湿循环交替的多重因素作用下，混凝土建筑物和构筑物在2 ～3 a 可发生严重腐蚀，严重的3 a 左右开始粉化，远不能满足现行规范对建筑物、构筑物和大型桥梁实际使用寿命的要求，严重影响耐久性和安全使用。所以，对混凝土防盐腐蚀技术的研究，已成为盐渍土地区建筑物、构筑物及大型桥梁在设计和施工时需要重点关注的问题之一［11］。

文中对常用的混凝土防盐腐蚀措施在不同环境下的适用范围进行了探讨，并且通过对土工布袋在实际工程中的应用研究，从理论上分析其防腐机理，对强盐渍土地区大直径袋装混凝土灌注桩中所使用的防腐袋的防腐机理和防盐蚀效果进行分析，并且在混凝土试件中内掺、外涂XYPEX防水材料，经过卤水浸泡、干湿循环后的混凝土防盐蚀效果进行分析，为强盐渍土、盐湖地区新建建筑物、构筑物和大型桥梁采用何种防盐蚀措施提供参考。

1 混凝土防盐腐蚀常用措施

目前，工程中对混凝土防盐腐蚀的方法较多，可以起到一定的防盐蚀效果，但也存在一些问题。

图1 被盐蚀的公路界碑Fig.1 Saline corroded highway boundary tablet

1.1 提高混凝土自身性能

从混凝土自身考虑，通过优化配合比，选用不同级配的砂、石，采用各种适宜的掺合料和外加剂，配制出高性能混凝土［5-6］，以改善混凝土的物理结构，使之密实，达到减弱有害物质的渗透。但该方法多适用于盐渍化程度较轻或海洋环境下，专门针对强盐渍土、盐湖环境下高性能混凝土方面的研究比较少，研究成果相对有限，要达到较高的耐久性要求很难实现。而且由于对材料及配合比要求严格，外掺剂成本较高，使得施工成本增加。

调查发现，通过察尔汗盐湖地区的G215 沿线的公路界碑虽然采用了高性能混凝土，但其腐蚀依然很严重，水泥浆起皮掉落，与盐渍土接触的底部混凝土出现整体剥落，大颗粒石子裸露可见(见图1)。

中国在1979 年修建青藏铁路盐湖段时使用的聚合物浸渍混凝土［4］，防腐效果较好，但由于需要在工厂预制，远距离运送成本较大，而且时间较长，不便于施工的连续性，没有得到广泛推广。

1.2 加大混凝土构件断面尺寸

该方法适用于在盐渍化程度较低，气候相对较好的环境下，能够提高混凝土结构的耐久性，从而达到防腐蚀的目的。但对于气候条件恶劣，盐渍化程度非常高的盐湖地区，这种方法的效果和实用性就大大降低，因为在盐渍土和温度的双重作用下，混凝土的腐蚀非常严重，腐蚀速度也很快，加大截面、提高混凝土保护层厚度，也受结构物外观的限制，在盐湖地区的防腐蚀措施中仅属于辅助地位。

1.3 加强施工现场防护

由于混凝土的多孔性以及施工易产生裂纹，在施工过程中应避免施工现场因风沙携盐带入混凝土内以及现场钢筋堆放的盐类腐蚀，该方法不能完全隔绝盐类的带入腐蚀，具有较大的局限性，对混凝土防盐腐蚀没有可靠保证。

1.4 包裹隔离法

在混凝土表面包裹耐腐蚀的材料，阻隔盐渍土对混凝土的直接接触，从而提高混凝土防盐腐蚀。常用包裹材料有沥青、玻璃钢纤维、油毡等。青海盐湖钾肥厂一期工程中，就采用了沥青和油毡对混凝土进行隔离保护，但地上覆盖层在紫外线作用下，3 ～5 a 即老化破裂。该方法适用范围受限，包裹材料与混凝土的亲和性较差，2 ～3 a 即与混凝土剥离，对于深基础基本不适用，而且造价高，防腐效果一般。

1.5 表面涂层法

该方法通过提高混凝土表面的密实性，降低混凝土的透水性，达到防盐腐蚀的目的。常用的涂层材料有:树脂类涂料(环氧树脂、丙烯酸聚氨酯)、水性涂料，硅烷浸渍剂等［12］。环氧树脂类涂料在目前应用较广泛，但在盐湖地区强烈紫外线照射作用下，使用寿命只有5 a 左右，操作工艺复杂，施工时需加热而且限制多，耐腐耐久性较差。水性涂料由于防腐能力不强，耐久性不足，不适于盐湖地区。硅烷浸渍剂成本较高，无法在盐湖地区推广。

1.6 改善混凝土外部环境

主要采用阴极保护法，即根据钢筋腐蚀的电化学原理，采取措施使电位等于或低于平衡电位，使钢筋不再进行阳极反应(腐蚀)。杭洲湾跨海大桥南、北航道桥主墩承台、塔座在腐蚀严重的水位变动区和浪溅区部位采用了电流阴极保护法［12］。但其建设及养护成本高，主要适用于在滨海盐渍土或海水环境下的混凝土，内陆干旱、半干旱地区盐渍土尤其是强盐渍土地区的适用性还有待研究。

2 混凝土防盐蚀措施新尝试

2.1 土工布袋防盐腐蚀

依据近年研究成果，外裹土工布袋防盐腐蚀的方法在基础工程中已有应用。

2.1.1 土工布袋在盐渍土地区的应用

1)袋装碎石桩。应用筒状土工布袋，将砂石或粉质粘土等填料装入布袋形成桩体。土工布袋在外力作用下使袋内产生张力，由于土工布袋的约束，桩基承载力增大。土工布对土体形成较大的径向支撑力，从而达到提高复合地基承载力的作用，同时土工布的防水特性起到一定的防水防腐功能。

2)袋装混凝土桩。采用“二布一膜”［13］的土工布袋，内部浇筑混凝土，作为一种复合地基提高地基的承载力、满足防腐的设计要求。二布为内、外衬层，即保护层和支持层，起到保护土工膜和支持防腐袋受力的作用，中间为土工膜起到隔水和阻水作用，但其在一定的水压力下容易压破，不易单独使用，须和土工布结合使用，从而达到混凝土桩体防腐蚀作用。

在青海盐湖工业集团综合利用二期工程中，桩基采用袋装混凝土桩，实现了防止盐渍土和卤水等物质对混凝土桩体腐蚀的目标。但这种桩基桩径小、桩长短，仅适用于地基承载力要求较低的情况，对于大型桥梁需要较大承载力的大直径桩基础，无论承载力，还是防腐措施，均不能达到盐渍土环境下的技术要求。

综上所述，现有技术在强盐渍土环境下的防腐蚀效果不够理想、承载力较小，针对大型桥梁、建筑物、构筑物，大直径袋装混凝土灌注桩的成功应用，弥补了土工布袋桩的不足。

2.1.2 大直径袋装混凝土灌注桩

大直径袋装混凝土灌注桩采用注排浆法、现浇裹体工艺，形成直径1.2 ～1.5 m，桩长45 m 的钢筋混凝土桩，该技术目前在工程领域内已有应用，它既能满足大型桥梁所需较大承载力的要求，又可以达到防盐腐蚀的目的。

大直径袋装混凝土灌注桩防盐腐蚀材料主要是防腐袋，该防腐袋是利用土工复合材料具有的防渗、抗老化特点，制成具有防腐蚀、抗渗透、高强度等特点的复合高强防腐型材料，其防腐机理是通过防腐袋将桩体的钢筋混凝土与桩侧盐渍土环境进行完全隔离，从而达到防盐腐蚀的目的。防腐袋采用“三布二膜”［14］复合土工布袋，三布为内、中、外衬层，起到增加防腐袋的强度和阻隔腐蚀物进入桩体作用，中间设置2 层防腐层为土工膜(HDPE 膜)，起到隔水防腐的作用。“三布二膜”与“二布一膜”相比较，由于多了一层土工布和一层土工膜，其耐久性增加，防盐腐蚀性能更加可靠。

防腐袋中土工布采用WJF -1 型聚丙烯(丙纶)长丝机织布，丙纶是一种化纤材料，能耐土中常见化学物质的侵蚀以及盐渍土的腐蚀，其本身就具有防腐蚀性能。土工膜选用高密度聚乙烯热压成型HDPE 膜，具有防渗、耐酸碱、有机溶剂的腐蚀。因此，防腐袋形成双重防腐保证体系。

防腐袋的应用，提高了地下混凝土基础的耐久性，降低了盐渍土环境下地下混凝土结构对混凝土性能的要求，从而一定程度上解决了强盐渍土对桩体材料的腐蚀性破坏。但目前对防腐袋施工中及施工后是否划伤破损以及防腐袋在盐渍土中老化，并没有完整有效的防腐检测方法和防止在盐渍土中老化的有效措施，这些问题还需要不断地深入研究和完善。

2.2 水泥基渗透结晶型防水材料(XYPEX)的防盐腐蚀

2.2.1 XYPEX 材料的防水机理

XYPEX 材料是一种灰色粉末状无机材料，由波特兰水泥、硅砂和多种特殊的活性化学物质组成。其作用机理为XYPEX 材料中特殊的活性化学物质与水相融合，通过混凝土孔隙向混凝土内部渗透，促进未完全水化的水泥与水发生二次水化，形成不溶性的结晶，堵塞混凝土孔隙和裂缝，提高混凝土结构的自密性，从而达到防水的目的［15］。

中国首次使用XYPEX 防水且仅在内墙做一道防水的建筑物是由贝聿铭设计的北京中国银行大厦。之后，XYPEX 材料大量应用于中国大型重要建筑物、铁路桥梁、隧道大坝，如国家大剧院、北京京西宾馆游泳池、“鸟巢”、山西平型关隧道、新疆石门子大坝等。

2.2.2 XYPEX 材料防盐腐蚀的探讨

XYPEX 材料在实际工程中具有较好的防水特性，但能否利用XYPEX 材料的防水特性用于盐蚀环境中，形成一种新的有效的混凝土防盐腐蚀措施，目前研究成果不多。

美国ASTM C267 -77 进行的“砂浆对化学物质的阻抗试验”［15］，证明XYPEX 不受氯化物、弱酸性、碱性等化学物质的腐蚀。又根据美国ASTM C672 -76 进行的“标定混凝土表面暴露于除冰化学物质的抗剥落能力标准测试法”的试验研究和明尼苏达州运输部“评定混凝土表面涂层的方法”的试验研究，表明XYPEX 不仅起到防水的作用，而且可以防止化学物质、盐类及其它有害物质的渗透［15-21］。

目前该方向领域试验数据较少，文献［16］进行了内掺、外涂XYPEX 的混凝土试件分别在卤水浸泡、卤水干湿循环等条件下的防盐蚀试验，填补了XYPEX 在中国强盐渍土地区试验的空白。

试验时，分别在混凝土试件中内掺XYPEX 材料和外涂XYPEX 材料，并制作未内掺和外涂XYPEX 的试件(后称空白试件)。内掺量为试件水泥用量的2%，外涂XYPEX 浓缩剂和水按照体积比为5∶2配制，按照每遍0.4 kg/m2的用量在试件表面涂刷3 遍，试验结果表明

1)在卤水浸泡条件下，空白试件表面出现数量密集并且明显的窝点，混凝土轻微剥落，内掺XYPEX 试件表面腐蚀程度好于空白试件，表面有数量不多的窝点，外涂XYPEX 试件在盐溶液浸泡后表观无变化，各试件表观情况如图2 所示。

分析得出:内掺的XYPEX 在混凝土内部产生的晶体结构填充混凝土空隙，降低了有害离子的扩散速度，延缓了卤水侵蚀。XYPEX 涂层作为第一道防线，对混凝土起到了良好的防腐效果。

图2 卤水浸泡后的各试件表观情况Fig.2 Apparent situation of specimens after brine immersion

2)在卤水干湿循环条件下，空白、内掺和外涂XYPEX 试件表面均有剥落，混凝土腐蚀严重，但空白试件和内掺XYPEX 试件是水泥浆的剥落，而外涂XYPEX 试件是涂层的剥落。空白试件的损伤量为内掺XYPEX 试件的1.2 倍，外涂XYPEX 试件的1.7 倍。这是由于XYPEX 随水通过裂缝渗入混凝土内部，形成不溶性的晶体填补微裂缝，对混凝土起到一定的保护作用。而XYPEX 涂层能够对卤水起到一定的隔绝作用，有效地延缓对混凝土的损伤。

综上所述，在盐渍土、盐湖地区，混凝土中内掺或外涂XYPEX 防水材料对防盐蚀有一定的效果。

3 结 语

1)现有常用的防盐腐蚀措施中，提高混凝土自身性能和改善混凝土外部环境的方法其施工及养护成本较高;包裹隔离法和表面涂层法的外部材料容易老化，耐久性不足;加大混凝土构件断面尺寸和加强施工现场防护方法仅属于辅助措施，并未完全解决防腐耐久性的问题。这些方法均具有一定的使用局限性，可以考虑作为防腐附加措施。

2)在强盐渍土地区，可以尝试采用土工布袋进行防腐，尤其对地基承载力要求较高的桥涵构造物，可以尝试采用大直径袋装混凝土灌注桩，利用桩基中防腐性能较好的防腐袋进行防腐，但其施工结束后防腐效果的检测方法有待完善。

3)土工膜可以较好起到隔水防腐作用，但由于其在一定的水压力下容易压破，需要与高强土工布相结合，形成“两布一膜”、“三布二膜”等“多布多膜”复合土工布袋，具有较好的发展和推广价值。

4)内掺或外涂XYPEX 试件在卤水浸泡条件下表面基本完好，在卤水干湿循环条件下，尽管试件表面有脱落，但经过XYPEX 的保护，在一定程度起到延缓卤水对混凝土腐蚀的作用，是一种防盐腐蚀的可用措施，在强盐渍土、盐湖地区，可以考虑采用内掺或外涂XYPEX 来防腐。

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