徐永驍

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

隨著國內(nèi)基建水平持續(xù)提升，各地區(qū)跨海大橋、隧道及沿海堤壩等工程投入持續(xù)增加。但由于沿海復(fù)雜鹽類腐蝕環(huán)境中存在大量的侵蝕性離子，極易對(duì)跨海橋隧工程、沿海建筑等造成極大的破壞；特別是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于電解反應(yīng)等情況極易被海水、海風(fēng)侵蝕破壞，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低、鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)可靠性降低。此外，海洋環(huán)境下的混凝土還受到海浪沖擊、磨蝕，寒冷海洋區(qū)域的凍融循環(huán)，以及海風(fēng)、氣旋、含鹽大氣的共同破壞作用等都會(huì)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。為了提高海洋工程混凝土標(biāo)號(hào)及耐久性，工程設(shè)計(jì)的努力不得不建立在施工成本的增加上，另外，后期還存在維護(hù)難度大、費(fèi)用高的問題[1]。

因此，研究海洋生物附著耐侵蝕混凝土具有非常巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。研究海洋生物的附著特性及其在水泥基材料上附著時(shí)對(duì)基材的影響不僅對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的意義，還可以推動(dòng)解決沿海工程實(shí)體耐久性等相關(guān)問題，進(jìn)一步推動(dòng)基建及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

本試驗(yàn)的原材料包括：水泥（P·O 42.5,比表面積340m2/㎏）；粉煤灰（F類Ⅰ級(jí)，燒失量2.8%）；細(xì)骨料（選用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8）、粗骨料（選用兩級(jí)配5～20mm碎石，其含泥量：0.4%，針片狀含量：8%)；外加劑（選用山東正珩聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%，28d抗壓強(qiáng)度比131%）；海鹽（煙臺(tái)地區(qū)海鹽，成分與海水成分相同）、海洋附著生物（藤壺、扇貝、牡蠣等）。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）參考青島周邊沿海項(xiàng)目C35墩身配合比，按照GB/T 50081制備混凝土試件并養(yǎng)護(hù)，試件包括：抗壓試件、抗凍試件、電通量試件等，養(yǎng)護(hù)濕度＞95%，溫度20±2℃；

（2）根據(jù)規(guī)范GB/T 50082測試海洋生物附著后與未附著區(qū)域抗凍性能對(duì)比，質(zhì)量損失、動(dòng)彈模等[2-3]；

（3）測試試件在同海水環(huán)境中，離子滲透深度相同時(shí)所需時(shí)間變化以及電通量指標(biāo)[4]。

2 海洋生物附著對(duì)混凝土耐久性的影響研究

2.1 海洋生物附著情況

貝殼類海洋生物（藤壺、扇貝、牡蠣等）繁殖期主要集中于夏季，需8周左右發(fā)育至成年，再次生長過程中分泌膠液，待其固化后方可穩(wěn)固吸附在混凝土表面，膠質(zhì)的固化所形成的保護(hù)層能夠有效地阻止海水對(duì)混凝土實(shí)體的侵蝕[5-7]，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探究海洋生物附著情況，見表1、圖1、圖2。截止2021年2月混凝土表面生物數(shù)量為附著能力檢測的第一階段；2022年2月混凝土表面生物數(shù)量為附著能力檢測的第二階段。

圖2 第二階段生料附著情況

表1 生物附著數(shù)量（單位：只/m2）

圖1 第一階段生物附著情況

通過混凝土試件投放以及對(duì)墩身實(shí)體構(gòu)筑物表面情況的研究，可以發(fā)現(xiàn)，海洋生物發(fā)育從第一階段的118只/m2增長至第二階段的453只/m2。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，海洋生物繁殖能力極強(qiáng)，在實(shí)際投放2年內(nèi)就可以有效地形成生物防護(hù)層，有效地阻止海水、海風(fēng)等對(duì)混凝土實(shí)體的侵蝕[8-11]。

從圖1及圖2中對(duì)比試件以及墩身實(shí)體可以發(fā)現(xiàn)：海洋生物附著更適合在干濕交界處，充足的繁殖面積以及水分是海洋生物生長的必要條件，墩身實(shí)體其不僅生長面積大，且海水干濕交界處更利于前期海洋生物生長及附著[12]，特別是從圖2中可發(fā)現(xiàn)，C35墩身在海水干濕交界處藤壺附著數(shù)量明顯提升。

2.2 對(duì)混凝土耐久性的影響

2.2.1 碳化深度影響

從表2中的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，海洋生物附著需要通過分泌膠質(zhì)，硬化后吸附在混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)表面，硬化后結(jié)構(gòu)與其本身外殼成分基本相同，主要以鈣為主，這層鈣質(zhì)能夠有效對(duì)附著區(qū)域形成防護(hù)，降低其與外界環(huán)境接觸，因此相對(duì)碳化深度較低[13]。

表2 C35墩身混凝土碳化深度（單位：mm）

2.2.2 抗壓強(qiáng)度影響

通過提高鹽類離子濃度，模擬長期在海水環(huán)境下侵蝕破壞關(guān)系，發(fā)現(xiàn)侵蝕時(shí)間與混凝土抗壓強(qiáng)度的降低呈正比，見圖3。其中海洋生物附著的試件經(jīng)海水侵蝕，7d抗壓強(qiáng)度從45.2MPa降低到28d為42.1MPa，56d為36.6MPa；未附著試件經(jīng)海水侵蝕后，7d、28d、56d的抗壓強(qiáng)度分別為43.8MPa、39.1MPa、32.3MPa。從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著侵蝕齡期的增加，無海洋生物附著試件的抗壓強(qiáng)度下降更明顯[14]。

圖3 生物附著情況與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2.3 抗凍性能影響

混凝土抗凍試件試驗(yàn)前首先清除表面凸出海洋生物但保留部分附著保護(hù)層，通過凍融交替最終對(duì)試件強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量以及質(zhì)量損失進(jìn)行檢測。通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，藤壺附著有效地提高了混凝土試件抗凍性能，減少了直接接觸面積，削弱環(huán)境變化帶來的不良影響，如表3所示，海洋生物附著下的區(qū)域質(zhì)量損失較低，且動(dòng)彈性模量降低較少。

表3 生物附著對(duì)混凝土試件抗凍性能的影響

2.2.4 滲透性能影響

通過對(duì)比電通量及同滲透深度所需時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，海洋生物附著處具有更好的抗離子侵蝕能力，這主要是由于貝殼類生物附著及繁殖所分泌膠液硬化后形成致密的保護(hù)層，有效地降低離子滲透能力，如圖4所示，生物附著區(qū)域滲透時(shí)間要比未附著區(qū)域延長30%以上，電通量降低近30%，能夠有效地降低鹽類離子對(duì)混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)物的侵蝕，提高耐久性[15]。

圖4 滲透性能對(duì)比

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)比研究海洋生物附著特性以及其對(duì)混凝土碳化深度、抗凍性、抗壓強(qiáng)度及抗離子滲透能力的影響，得出結(jié)論：

（1）海洋生物附著后，混凝土碳化深度降低，對(duì)混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生正向影響；

（2）在對(duì)比海水侵蝕后，海洋生物附著形成的保護(hù)層能夠有效地提高混凝土抗凍、抗離子滲透能力，從而提高混凝土耐久性。

綜上所述，海洋生物附著所分泌膠液硬化后形成的保護(hù)層能夠有效地提高混凝土抗凍、抗離子滲透能力，從而提高混凝土耐久性。因此，海洋生物附著在混凝土以及其他水泥基材料上所形成的保護(hù)層，可提升沿海建筑耐久性，極大地促進(jìn)人與海洋環(huán)境和諧相處。充分利用海洋生物附著不僅可以推進(jìn)基建行業(yè)降低生產(chǎn)成本，還可以促進(jìn)其向節(jié)能減排方向的轉(zhuǎn)型，可以極大地降低政府每年對(duì)沿海地區(qū)治污投入。