摘 要：分析高樁梁板式碼頭受腐蝕機(jī)理，從混凝土耐久性問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理角度對(duì)高樁碼頭進(jìn)行研究，并從設(shè)計(jì)、施工角度提出相應(yīng)的修復(fù)措施。

關(guān)鍵詞：高樁梁板式碼頭 耐久性 氯離子 氰凝

自建國(guó)以來(lái)，混凝土高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)在我國(guó)淤泥質(zhì)海岸及河口地區(qū)被普遍推廣。該結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)實(shí)踐，體現(xiàn)出技術(shù)成熟、受力明確、預(yù)制裝配化程度高、施工方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，特別適用于沿海軟土地基，在業(yè)內(nèi)已深受青睞。但是設(shè)計(jì)施工方便成熟的同時(shí)，生產(chǎn)實(shí)踐中也曝露出這一結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題。因此，碼頭修復(fù)課題在港口建設(shè)發(fā)展中仍然占有這十分重要的作用。

高樁碼頭結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題機(jī)理

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，保持其自身工作能力的性能。由混凝土耐久性引起的結(jié)構(gòu)工作性能的改變包括混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力降低，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。通常情況下，鋼筋表面的混凝土層對(duì)鋼筋有物理和機(jī)械保護(hù)作用，同時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣飽和溶液為鋼筋提供的是一個(gè)高堿度的環(huán)境（pH>12.5），能使鋼筋表面沉積一層致密的、難熔的氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鐵薄膜，稱為鈍化膜，使鋼筋即使在有空氣和水存在的情況下也不被銹蝕破壞。當(dāng)堿性環(huán)境降低時(shí)，鈍化膜逐步被破壞，鋼筋逐漸開(kāi)始銹蝕。當(dāng)pH<12時(shí)，銹蝕速度明顯增大?；炷两Y(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕受許多因素影響，包括：鋼筋直徑，水泥品種，混凝土實(shí)密度，保護(hù)層的完好性以及外部環(huán)境等。本文重點(diǎn)討論海洋腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕。

1、氯離子侵入混凝土

海洋中的氯離子以海水、海霧等形式滲入混凝土中，影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命，以往的海港碼頭等工程多數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命要求，氯化物算是最危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，應(yīng)引起高度重視。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機(jī)理為：①破壞鈍化膜。氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可使該處的pH值迅速降低，甚至可以達(dá)到酸性程度，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜；②形成腐蝕電池。實(shí)際工程中的混凝土是不均質(zhì)的，鋼筋表面鈍化膜的雖然局部發(fā)生了破壞，但是這些部分露出的鐵基體和完好的鈍化膜區(qū)域卻形成了電位差。鐵基體作為陽(yáng)極受到腐蝕，大面積鈍化膜作為陰極，腐蝕電池作用的結(jié)果使得鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑。同時(shí)，由于大陰極對(duì)應(yīng)于小陽(yáng)極，蝕坑的發(fā)展會(huì)十分迅速；③去極化作用。氯離子在上述的化學(xué)反應(yīng)中是不被消耗的，它的搬運(yùn)作用使得陽(yáng)極過(guò)程加速進(jìn)行，即加速了腐蝕電池的作用。一旦氯離子進(jìn)入混凝土，便不停得起到破壞作用，危害巨大；④導(dǎo)電作用?；炷林新入x子的存在，強(qiáng)化了離子通路，降低了兩極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過(guò)程，鋼筋加速銹蝕。

陽(yáng)極： Fe→Fe2++2e，

陰極：O2+2H2O+4e→4OH- ，

陽(yáng)極表面二次化學(xué)過(guò)程：

Fe2++2 OH- ？坂Fe（OH）2，

4 Fe（OH）2+O2+2H2O？坂4 Fe（OH）3.

通常氯離子的侵入方式是以幾種侵入方式的組合而作用的。在許多情況下，擴(kuò)散被認(rèn)為是一種主要的傳輸方式之一。對(duì)于現(xiàn)有的沒(méi)有開(kāi)裂且水灰比不太低的結(jié)構(gòu)，大量的檢測(cè)結(jié)果表明氯離子的濃度可以認(rèn)為是一個(gè)線性的擴(kuò)散過(guò)程，這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程一般滿足Fick第二定律，即：

， C為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度（kg/m）， t為擴(kuò)散時(shí)間（s）， x為距離（m）。D為溶質(zhì)的擴(kuò)散系統(tǒng)，通常看為常數(shù)。也可整理為：

，其中，Ci為混凝土中原始氯離子含量，Cs為混凝土表面氯離子含量， 為誤差函數(shù)，x為距離混凝土表面的深度，D為混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)。模型可以從定性的角度對(duì)氯離子擴(kuò)散給出合理的解釋，但是一些參數(shù)很難確定，定量計(jì)算的準(zhǔn)確度還有待觀察。

2、海水中的硫酸鹽的侵蝕

海水中的硫酸鹽（鎂鹽、鈉鹽）與混凝土的氫氧化鈣反應(yīng)生成CaSO4 之后又迅速與水泥石中的CaO·Al2O3·12H2O 作用生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。生成鈣礬石后，固相體積是原來(lái)的1.5倍以上，在混凝土內(nèi)形成膨脹應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)物的破壞。特別在氯離子侵蝕后，這種膨脹對(duì)混凝土的破壞作用是加倍的。

此外，混凝土的堿-集料反應(yīng)和北方地區(qū)混凝土凍融破壞，在建筑行業(yè)中具有普遍性，本文不做重點(diǎn)介紹。

3、人為原因

建造原因，主要是指在施工環(huán)節(jié)上面達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。比如：混凝土保護(hù)層的厚度控制不當(dāng)，導(dǎo)致厚度不足；還有水灰比偏大、混凝土振搗不均以及施工單位急于趕工期，“重澆筑，輕養(yǎng)護(hù)”，人為縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間，提前拆除模版；甚至混凝土表面產(chǎn)生裂縫，使得有害物質(zhì)直接通過(guò)裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部。

管理使用原因，即港口單位對(duì)碼頭的超負(fù)荷運(yùn)用。對(duì)于船公司等運(yùn)輸企業(yè)來(lái)講，“多拉快跑”產(chǎn)生效益，他們派出專業(yè)的疏港人員會(huì)去不斷地給港口單位施壓，同時(shí)我國(guó)各港口間競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了攬住客戶，各港口單位普遍存在超負(fù)荷使用碼頭的情況。例如，專家審批會(huì)過(guò)后的大型船靠泊，還有堆場(chǎng)的超載使用。這無(wú)疑縮短了高樁梁板碼頭的使用壽命。

修復(fù)措施

1、從設(shè)計(jì)建造角度，權(quán)衡好造價(jià)與碼頭的使用壽命

耐久性的提高伴隨著造價(jià)成本的提升。施工方面，宏觀地講，要嚴(yán)格監(jiān)管，切實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

控制好水灰比。較大的水灰比使混凝土的孔徑和孔隙率增大，這樣氯離子等有害物質(zhì)更容易通過(guò)孔隙滲透到鋼筋表面，從而加快了鋼筋的銹蝕，在JTJ228-1987《海港鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定浪濺區(qū)水灰比最大值為0.45。

確保最低水泥用量。最小水泥用量主要從造價(jià)角度考慮，可保證混凝土的和易性和密實(shí)性，JTJ 228-1987《海港鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》規(guī)定海水環(huán)境浪濺區(qū)混凝土的最低水泥用量不得少于400 kg/m3。

確保足夠的保護(hù)層厚度。我們知道，鋼筋的銹蝕時(shí)間近似與保護(hù)層厚度的平方成正比。適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度，可以延長(zhǎng)氯離子等有害物質(zhì)滲透到鋼筋周圍并且破壞鋼筋鈍化膜的時(shí)間。檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的眾多裂縫、銹斑銹跡等腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的保護(hù)層均明顯偏小，即可證明早期高樁梁板碼頭重視造價(jià)和強(qiáng)度，耐久性方面，保護(hù)層的厚度不夠。

鋼筋防銹。鋼筋材料自身的改進(jìn)，如采用鍍鋅鋼筋和不銹鋼鋼筋等，不過(guò)造價(jià)很高；或者在鋼筋表面做涂層防護(hù)，如環(huán)氧涂層鋼筋等， 但需處理涂層鋼筋與混凝土的粘和問(wèn)題。

采用結(jié)構(gòu)表面噴涂防腐防滲涂層。一個(gè)好的防腐涂層可以阻斷有害物質(zhì)對(duì)混凝土和鋼筋的侵入路徑， 國(guó)外上世紀(jì)60年代提出“聚合物浸漬混凝土”概念，日本上世紀(jì)90年代采用一種新型環(huán)氧硅烷噴涂材料，噴涂后溶液可滲透到混凝土2.5-12.5mm深度，起到抑制氧氣、水以及氯化物對(duì)混凝土的滲入。因此我們要大力開(kāi)發(fā)新的涂層材料并探索涂層工藝。

2、對(duì)已有工程結(jié)構(gòu)的破損及時(shí)修補(bǔ)，防微杜漸

在對(duì)高樁梁板式碼頭的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，我們要勤檢查，爭(zhēng)取早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這樣處理起來(lái)不僅方法簡(jiǎn)單，而且可以節(jié)約很大的成本。特別要重視小裂縫，很多業(yè)主單位認(rèn)為通常低于0.2mm的混凝土裂縫可以不做處理，這絕對(duì)不適用于海港高樁碼頭，已有大量教訓(xùn)擺在眼前了。

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)須加強(qiáng)時(shí)，裂縫灌漿修補(bǔ)被公認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)合理的方法。使用該方法進(jìn)行修補(bǔ)以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性，堵塞氯離子的入侵通道，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有成熟技術(shù)對(duì)0.15mm裂縫進(jìn)行灌漿封閉了。水上作業(yè)難度大，受潮汐影響作業(yè)時(shí)間短，對(duì)人員的操作技能要求高，這些復(fù)雜因素造成了在修復(fù)材料的選擇上必須體現(xiàn)出快速固化有效防護(hù)的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)目前較廣應(yīng)用的是環(huán)氧樹(shù)脂類和氰凝材料。

環(huán)氧在強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕方面有很好的性能，并且施工面小，黏結(jié)力好，材料干硬速度快，封閉效果好，對(duì)生產(chǎn)影響相對(duì)較小，但是對(duì)于過(guò)細(xì)過(guò)深的裂縫填塞比較困難，對(duì)潮濕、溫度變化適應(yīng)能力差。氰凝材料是在天津地區(qū)本土研制成功并逐步推廣的，并參與了唐山大地震后港工建筑的修復(fù)工作，經(jīng)受了后期余震和時(shí)間的檢驗(yàn)。氰凝粘度比環(huán)氧低，可灌入性好，并且固結(jié)體強(qiáng)度高， 同時(shí)抗拉、抗壓的韌性優(yōu)越，與鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度理想。因而耐沖撞，耐摩擦，不會(huì)爆裂。尤其是它適用于在潮濕的環(huán)境中反應(yīng)、固結(jié)，適應(yīng)碼頭修復(fù)的作業(yè)環(huán)境。可是，另一方面氰凝材料的固化劑容易吸潮、與水反應(yīng)，海上作業(yè)對(duì)填充物的固化速度有嚴(yán)格要求，施工人員需注意保持材料干燥。為了達(dá)到良好的修復(fù)效果，在施工時(shí)要確保材料的充分混攪、拌合、填充。期間絕對(duì)不能用海水，必須用淡水?dāng)嚢琛?/p>

3、如果檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土的結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，首先需要清除構(gòu)件受損混凝土和鋼筋

常規(guī)的辦法是增加外包的混凝土、在新增混凝土中增加配筋，以提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性。但是此方法工程量大，周期長(zhǎng)。相比之下，外貼高強(qiáng)纖維材料（目前碳纖維應(yīng)用廣泛）同樣可以達(dá)到封閉裂縫和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的作用，但是施工速度快、施工后很快就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4、碼頭運(yùn)營(yíng)維護(hù)

歸根到底碼頭是為海上運(yùn)輸服務(wù)的，為了安全生產(chǎn)、為了使碼頭合理使用，我們要盡力避免泊位的超噸位靠泊，堆場(chǎng)的超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)以及要確保船舶的安全靠離港。否則船舶對(duì)碼頭的碰撞事故以及超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)都將縮短碼頭的使用壽命。

結(jié)語(yǔ)

海洋中的氯離子是造成高樁梁板式碼頭耐久性問(wèn)題的主要原因，它滲透浸入混凝土結(jié)構(gòu)中，破壞鋼筋表面鈍化膜，形成腐蝕電池，而且在反應(yīng)中不被消耗，不停地破壞混凝土結(jié)構(gòu)。在碼頭設(shè)計(jì)階段，就要從造價(jià)預(yù)算等方面給耐久性預(yù)留足夠的空間，重視耐久性要從錢上面重視。施工階段要確保足夠的混凝土保護(hù)層，鋼筋最好能做涂層防護(hù)。碼頭運(yùn)營(yíng)方面要嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)使用規(guī)范，不超載不冒進(jìn)，而且對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)要勤檢查，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)須加強(qiáng)時(shí)，選用氰凝材料進(jìn)行裂縫灌漿修補(bǔ)是經(jīng)濟(jì)合理的方法；如果如要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)做加強(qiáng)修補(bǔ)，選用新型的碳纖維材料相對(duì)外包混凝土的傳統(tǒng)工藝省時(shí)省力。

（作者單位：中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司）