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中国耗时最长的实验,将钢筋混凝土放进海水30年,究竟有何意义?

中国耗时最长的实验,将钢筋混凝土放进海水30年

1981年,四航研究院牵头对华南沿海的18座海港码头进行了详细的码头腐蚀情况调研;调查结果显示,80%以上的码头都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏,大部分码头使用寿命不足20年,且当时海港工程的建设标准中几乎没有相关的耐久性技术指标。

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在海洋工程里,对工程质量造成最大的、最长期的影响因素,就是氯盐。

钢筋的锈蚀是一个电化学过程, 由于碳化和氯盐的侵蚀造成了钢筋表面钝化膜的破坏, 露出铁基。氯离子是极强的去钝化剂, 氯离子作为去钝化剂, 破坏钢筋表面的 保护性钝化膜; 在钢筋表面形成腐蚀电池, 造成局部坑蚀或均匀 腐蚀; 与阳极反应产物生成可溶性物质的去极化作用, 加速腐蚀 程度; 形成离子通路, 降低阴阳极间的欧姆电阻, 提高腐蚀效率。

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一般认为, Cl – 渗入混凝土中主要有 3 种方式, 即扩散、毛细 孔吸收和渗透。氯离子在混凝土中有 3 种存在形式, 即水泥水化 产物不可逆的物理吸附所吸附; 与水泥中的 C3A 反应生成 3CaO·Al2O3·CaCl2·0H2O; 以游离 Cl – 存在于混凝土的孔溶液中。只有 游离 Cl – 达到一定的阙值才会造成钢筋的锈蚀。

1987年,为了测试氯盐对桥墩材质的腐蚀程度,工程师开展了暴露试验站实验,对混凝土结构耐久性进行研究,他们将钢筋混凝土试件放在海边,测试海水的腐蚀程度。工程师每天会提取提取样本,统计数据。最长的一块钢筋混凝土试件在海水里放置了近30年。

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1996年,研究院对“混凝土”的耐久性问题已有了深刻的理解,制定的《水运工程混凝土质量控制标准》正式颁布实施,并在全国水运系统首先开展大掺量粉煤灰高性能混凝土的研究。团队将粉煤灰掺量从最初常用的大约10%增加到30%甚至40%,大大提升了混凝土的抗海水腐蚀性能,这就是“高性能混凝土”的雏形。

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在经过近三十年的科学实验中,工程师们研究深入,团队进一步将磨细矿渣粉、硅粉等工业废渣废料掺入混凝土中,逐渐形成了国内至今仍在普遍采用的海工高性能混凝土技术,在抵抗氯离子能力方面,比普通混凝土高出了数倍。

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研发出的新型高性能混凝土,很好地保障了海洋工程抵御氯盐的侵蚀,在港珠澳大桥等一系列海洋工程中得到了应用。

港珠澳大桥总长约55公里,作为集桥、岛、隧于一体的世界最长的跨海大桥,也是综合建设难度最大、最具挑战性的超级工程:在风大浪急的外海搭建使用寿命120年的钢铁巨桥、在海底40多米深处建造最长的沉管隧道、穿越30万吨级航道和白海豚保护区的施工现场……可以说,每一项挑战都前所未有。

尤其是120年的设计使用寿命,大桥位于珠三角伶仃洋和珠江流域的交汇口,这是一个洋流、航道、海床、气候等自然条件极其复杂的海域,高温高湿多盐的海洋环境对大桥根基混凝土的抗海水渗透性、耐腐蚀性提出了更高的要求。

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四航研究承担并组织实施了“港珠澳大桥混凝土结构120年使用寿命保障关键技术”系列研究,技术团队针对港珠澳大桥的服役环境,从7300多组暴露试验数据、1400多个实体工程样品入手,对近30年暴露试验站的历史数据进行有效筛选和科学分析,终于建立了基于概率理论的“港珠澳模型”,并为世纪工程编制了专用的《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》,将港珠澳大桥120年的使用寿命由设想变成现实。

高抗渗性、高抗冻性性、高抗腐性的新型高性能混凝土保障了港珠澳大桥的顺利建成,除此之外,它更是国家公路、铁路、大桥等基建工程必不可少的骨架结构。

中国耗时最长的实验,将钢筋混凝土放进海水30年,究竟有何意义?

可以说,这项混凝土海水实验对于中国海洋工程建设具有重要的意义。

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