摘要
我国拥有漫长的海岸线，港口与海岸道路长期暴露于高氯盐、高湿度、干湿循环及海浪冲蚀的严酷海洋环境中，对材料的耐久性提出极高要求。本文系统研究了石灰基材料在模拟及真实海洋环境下的性能劣化规律与防护机理。针对氯离子侵蚀、盐类结晶破坏、生物附着腐蚀等关键问题，通过材料复合改性、结构优化设计及表面防护技术，研发了适用于海洋环境的特种石灰基道路材料。研究成果应用于多个港口工程，显著提升了海岸道路的服役寿命与可靠性。
一、海洋环境特征与材料失效模式
海洋环境是道路工程最严苛的服役环境之一，其主要特征包括：
高浓度氯盐：海水中氯离子（Cl⁻）浓度可达19000 mg/L，是侵蚀性最强的离子。
干湿循环频繁：潮汐涨落及海浪飞溅导致结构表面处于干湿交替状态，加速盐分结晶-溶解循环。
高湿度与富氧：为电化学腐蚀提供了持续电解质环境。
海浪物理冲蚀：波浪携带砂石对结构表面造成磨蚀。
海洋生物附着：藤壶、藻类等生物附着分泌酸性物质，破坏材料表层。
主要失效模式表现为：钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂剥落；盐类在孔隙中反复结晶膨胀导致表层粉化；硫酸盐侵蚀生成膨胀性产物；生物附着加速局部腐蚀。
二、海洋环境下石灰基材料的侵蚀机理
通过长期浸泡试验、干湿循环试验及电化学测试，揭示了侵蚀机理：
氯离子传输与固化机制：Cl⁻通过毛细吸附、扩散及渗透进入材料内部。在石灰提供的高碱环境中（pH>12.5），部分Cl⁻与铝相反应生成Friedel's盐（3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O）被化学固定，但固定容量有限。大部分游离Cl⁻破坏钢筋钝化膜，诱发锈蚀。
硫酸镁双重侵蚀：海水中的Mg²⁺与SO₄²⁻产生协同破坏。Mg²⁺可置换C-S-H中的Ca²⁺，生成无胶凝性的M-S-H，使浆体软化；SO₄²⁻与铝相生成钙矾石导致膨胀。
碳化与氯盐侵蚀耦合：表面碳化降低pH值，不仅减弱了Cl⁻的化学固定能力，还会促使已固定的Friedel's盐分解重新释放Cl⁻，形成“碳化诱导的氯离子再活化”现象，加剧腐蚀风险。
三、高抗蚀性石灰基复合材料设计
针对海洋环境，设计了以“高密实、高耐蚀、智能防护”为目标的复合材料体系：
基体增强体系：
胶凝体系：采用“石灰-偏高岭土-硅灰”三元复合。石灰提供碱性，偏高岭土和硅灰（掺量8-12%）提供高活性硅铝源，生成低钙硅比、高耐蚀性的C-S-H凝胶，并细化孔隙。
密实化技术：掺加纳米CaCO₃（1-2%）作为结晶核心，优化水化产物形貌；使用聚羧酸减水剂实现低水胶比（<0.35）。
氯离子固化增强技术：
铝源补充：掺加煅烧高岭土或铝酸盐水泥（3-5%），提供更多活性Al₂O₃以生成Friedel's盐，提高Cl⁻化学固定容量。
物理吸附增强：掺加改性海泡石或沸石粉（2-4%），利用其微孔结构物理吸附Cl⁻。
防腐功能组分：
迁移型阻锈剂（MCI）：将氨基醇类MCI（掺量0.5-1%）直接掺入拌合水中，其分子可迁移至钢筋表面形成保护膜。
钢筋涂层：在钢筋表面涂覆环氧树脂或锌基涂层，作为额外防线。
四、表层防护与结构一体化设计
高性能防护面层：在道路面层与基层之间设置防腐功能层。推荐采用聚合物改性防水砂浆（厚度2-3cm）或喷涂渗透结晶型防水涂料，切断氯离子和水分的主要下渗通道。
排水与防溅设计：优化道路横坡（≥2.5%）与排水系统，快速排走海水；在临海侧设置防浪墙或排水沟，减少海浪直接溅射。
牺牲阳极保护：对于重点结构，在混凝土中埋设锌基或镁基牺牲阳极，与钢筋电连接，提供主动阴极保护。
五、加速试验方法与长期性能预测
开发了模拟海洋环境的综合加速试验箱，可同步控制温度、湿度、盐雾喷射及紫外线辐照。采用通电加速氯离子迁移法（RCM法）快速评估氯离子扩散系数。基于Fick第二定律，建立了考虑温度、湿度及碳化影响的氯离子时变扩散模型，用于预测钢筋起锈时间与结构服役寿命。模型预测与青岛某码头实体工程10年暴露数据吻合良好，预测误差在15%以内。
六、工程应用案例与效果评估
案例：宁波舟山港某集装箱堆场道路
该堆场道路原采用普通水泥混凝土，3年后出现严重钢筋锈蚀与面层剥落。大修时应用了本研究成果：
材料：采用石灰-偏高岭土-硅灰复合稳定碎石作为基层，掺加MCI阻锈剂；面层为掺有聚丙烯纤维和防腐剂的高性能混凝土。
结构：设置聚合物防水粘结层和加强型排水系统。
效果：修复后5年的跟踪监测显示，钻芯取样测得的氯离子渗透深度仅为原结构的1/3，电位检测表明钢筋处于钝化状态，路面状况良好，预估使用寿命可从原来的8-10年延长至20年以上。
七、全生命周期经济性与维护策略
虽然海洋专用材料初期成本比普通材料高30-40%，但其全生命周期成本显著降低。以30年周期计算，预计可减少大修次数2-3次，节约维护成本50-60%，并避免因维修导致的港口作业中断损失。建议采用“监测-预警-精准维护”策略，通过埋设腐蚀传感器监测Cl⁻浓度与钢筋电位，实现预测性维护。
八、结论与展望
海洋环境下港口与海岸道路的耐久性提升是一个系统工程。本研究通过揭示侵蚀机理、研发高抗蚀复合材料、优化防护结构，形成了一套有效的技术解决方案。未来研究应关注：极端海洋气候（台风、海啸）下的动力冲击损伤与修复；低能耗、自修复防护涂层的开发；基于大数据与人工智能的海洋工程结构全寿命智能健康监测与管理系统的构建。随着海洋强国战略的推进，高耐久海岸工程材料与技术将发挥越来越重要的作用。
