馬德群 莫燁強(qiáng)

1.廣東能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 廣東 廣州 510000

2.廣東建科創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司 廣東 中山 528403

現(xiàn)代建設(shè)工程仍以鋼筋混凝土材料為主，由于此類材料中含有堿性物質(zhì)（如硅酸二鈣、硅酸三鈣），澆筑后內(nèi)部環(huán)境pH值會(huì)達(dá)到12到13，并通過形成的鈍化膜保護(hù)鋼筋表面。然而，受應(yīng)力腐蝕、氫離子侵入、混凝土碳化、內(nèi)部堿集料反應(yīng)等因素影響，易造成鋼筋腐蝕并破壞混凝土結(jié)構(gòu)。尤其是鋼筋混凝土腐蝕破壞未修復(fù)前始終處于循環(huán)狀態(tài)，混凝土與水泥沙漿等水工結(jié)構(gòu)物在耦合作用下會(huì)誘發(fā)腐蝕，導(dǎo)致其表面惡化、無粘結(jié)性、顆粒剝落、產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步通過強(qiáng)度衰減加強(qiáng)腐蝕并對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成循環(huán)性破壞。目前，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目混凝土中鋼筋腐蝕破壞分析，為其修復(fù)提供依據(jù)[1]。

1 項(xiàng)目概況

以某電力企業(yè)輸煤碼頭為例，長(zhǎng)度與寬度分別為255m、27m，碼頭面與前沿泥面標(biāo)高分別為+7m、-12m，靠泊能力5萬噸，設(shè)計(jì)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，部分基梁選擇預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方樁，規(guī)格為550mm×550mm。該碼頭正式投運(yùn)于2003年，目前已運(yùn)行20年之久，受當(dāng)時(shí)施工材料、施工技術(shù)、施工工藝等綜合因素影響，當(dāng)前該碼頭的混凝土中鋼筋發(fā)生了腐蝕并且對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了一定程度的破壞，部分構(gòu)件相對(duì)嚴(yán)重，亟需對(duì)其進(jìn)行調(diào)查、確認(rèn)與修復(fù)。

調(diào)查范圍涉及該碼頭的40跨41個(gè)排架，調(diào)查時(shí)在上部構(gòu)件中抽取具有代表性的16跨17個(gè)排架，排架方樁抽取數(shù)量6個(gè)。主要通過經(jīng)驗(yàn)檢查和技術(shù)檢測(cè)對(duì)碼頭的腐蝕與破壞情況進(jìn)行調(diào)查。首先對(duì)構(gòu)件鋼筋裂縫、脫空、露筋、銹斑、表面缺陷等破壞情況進(jìn)行了檢查。其次，重點(diǎn)檢測(cè)了33、34、35排架內(nèi)兩跨上部構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度、鋼筋表面活化狀態(tài)、混凝土電阻率和氯離子滲透情況等，并依據(jù)調(diào)查結(jié)果制定了經(jīng)濟(jì)合理的修復(fù)對(duì)策。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)驗(yàn)檢查結(jié)果

根據(jù)上部構(gòu)件破壞類型，對(duì)其裂縫、脫空、脫落露筋、銹斑等進(jìn)行了細(xì)致檢查，記錄了軌道梁、橫梁、樁帽、縱梁、面板等破壞情況并統(tǒng)計(jì)了其破損率。結(jié)果顯示，上部構(gòu)件破壞位置相對(duì)集中且比較嚴(yán)重，其中軌道梁與橫梁破損率達(dá)到了100%且集中在梁底面以上約30cm位置，兩側(cè)面存在明顯腐蝕破壞現(xiàn)象，集中于梁肩的脫空破損率和樁帽破損率分別達(dá)到74.4%、90%以上。碼頭上部構(gòu)件檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 碼頭上部構(gòu)件檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2 技術(shù)檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 鋼筋銹蝕

對(duì)33、34、35排架內(nèi)兩跨上部構(gòu)件中裂縫與銹蝕嚴(yán)重部件，先用榔頭與鏨子鑿開混凝土保護(hù)層，使用打磨機(jī)磨去銹皮并測(cè)量鋼筋直徑。然后計(jì)算軌道梁和橫梁下邊角鋼筋截面損失率，確定其范圍分別為0.9～4.9%、3.3～7.4%。箍筋截面損失率范圍在23.2～78.5%之間，如圖1所示，銹蝕比較嚴(yán)重，但是主筋輕微銹蝕[2]。

圖1 鋼筋銹蝕情況示意圖

2.2.2 混凝土強(qiáng)度與碳化深度

采用回彈法對(duì)軌道梁、橫梁、樁帽進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度范圍分別為44.1～52MPa、38.2～55MPa、41.5～55MPa，與設(shè)計(jì)強(qiáng)度相比均大于C30強(qiáng)度要求。為進(jìn)一步確認(rèn)檢測(cè)可靠性，使用超聲波檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行聲速法、PSD法、波幅判斷法分析相關(guān)數(shù)據(jù)并確認(rèn)上述檢測(cè)結(jié)果完全可靠。如圖2所示，對(duì)碼頭部分橫梁碳化深度、軌道碳化深度、樁帽碳化深度、預(yù)應(yīng)力方樁碳化深度檢測(cè)，結(jié)果顯示除軌道梁范圍在0～4mm外，其余均在0～1mm范圍內(nèi)，與保護(hù)層厚度相比碳化深度相對(duì)較小，說明造成鋼筋銹蝕的主要原因來自碳化因素影響。

圖2 混凝土碳化檢測(cè)示意圖

2.2.3 鋼筋保護(hù)層厚度

對(duì)軌道梁底面鋼筋保護(hù)層厚度和橫梁、樁帽、縱梁保護(hù)層厚度全部進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)范圍分別為59～69mm、52～72mm、51～61mm、50mm，與上述構(gòu)件類型的設(shè)計(jì)厚度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軌道梁未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度90mm要求，但是其側(cè)面滿足設(shè)計(jì)厚度50mm標(biāo)準(zhǔn)。其余構(gòu)件類型均達(dá)到設(shè)計(jì)厚度不小于50mm要求[3]。

2.2.4 鋼筋表面活化狀態(tài)

鋼筋半電池電位與銹蝕狀態(tài)關(guān)系十分密切，測(cè)量設(shè)計(jì)高水位附近約+4.75m左右鋼筋半電池電位數(shù)據(jù)為-350mV，按照ASTM C 876-2015《混凝土中無涂層鋼筋腐蝕電位的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、JTJ302-2006《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》及建標(biāo)[2002] 273號(hào)《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文（水運(yùn)工程部分）》確認(rèn)本樁帽、橫梁、軌道梁鋼筋發(fā)生銹蝕的概率均大于90%。

2.2.5 混凝土電阻率

測(cè)量得多數(shù)構(gòu)件電阻率數(shù)據(jù)為10～30kΩ·cm，根據(jù)（GB/T 50344-2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）中關(guān)于混凝土電阻率與鋼筋銹蝕狀態(tài)間的關(guān)系判別，確認(rèn)在此混凝土電阻率范圍內(nèi)處于活化狀態(tài)的鋼筋銹蝕速率達(dá)到中高級(jí)別。部分構(gòu)件下部位置的混凝土電阻率為10kΩ·cm以下，此處的混凝土可判定為銹蝕非可控狀態(tài)。將鋼筋表面活化狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與混凝土電阻率檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行分析，表明混凝土內(nèi)部鋼筋腐蝕速率處于中高范圍，亟需對(duì)其腐蝕進(jìn)行有效控制。

2.2.6 氯離子滲透情況

當(dāng)混凝土中的氯離子滲透到鋼筋表面時(shí)，首先會(huì)在鋼筋表明聚集并對(duì)鋼筋鈍化膜造成破壞，其次氯離子會(huì)作為一種參與腐蝕反應(yīng)的催化劑加快鋼筋的銹蝕速度。反應(yīng)過程如下：

通過采集碼頭迎海側(cè)軌道梁、34-36排架樁帽的混凝土樣品，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，測(cè)得距離鋼筋位置約5～7cm處氯離子含量為0.113%，且沿混凝土層表面方向逐漸增加，表層氯離子含量明顯高于內(nèi)部含量；在同一類構(gòu)件中，隨著取樣位置的升高氯離子含量逐漸減少，說明混凝土的氯離子主要來源于碼頭所處區(qū)域的海水之中。按照碼頭建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于混凝土中氯離子含量的要求（小于0.107%），樣品測(cè)定值明顯大于標(biāo)準(zhǔn)值，表明氯離子滲透嚴(yán)重，是鋼筋腐蝕的主要原因。

綜合檢測(cè)結(jié)果分析表明：碼頭預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層碳化度較低，混凝土碳化深度較淺并沒有達(dá)到鋼筋表面；鋼筋處于活化狀態(tài)，且混凝土電阻率較低，鋼筋處于中高度銹蝕的概率達(dá)90%以上；混凝土中氯離子主要來源海水之中，測(cè)得距離鋼筋5～7cm處氯離子濃度明顯大于標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上可確認(rèn)造成預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)局部破壞的主要原因?yàn)槁入x子滲透引起鋼筋腐蝕，其次為建設(shè)期間局部施工中存在缺陷，部分鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不足[4]。

3 修復(fù)對(duì)策

混凝土中鋼筋腐蝕破修復(fù)技術(shù)主要包括局部修復(fù)法、涂覆修復(fù)法、轉(zhuǎn)換保護(hù)層修復(fù)法、陰極保護(hù)修復(fù)法、粘鋼修復(fù)法、粘碳纖維布修復(fù)法、電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)和電化學(xué)再堿化技術(shù)等。在實(shí)際工程應(yīng)用中往往進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用來達(dá)到預(yù)期修復(fù)目標(biāo)。

針對(duì)軌道梁、橫梁、樁帽等腐蝕破壞較嚴(yán)重部位，選擇采用電化學(xué)脫鹽加涂覆修復(fù)方案進(jìn)行處理。首先，人工鑿去腐蝕破壞部位的混凝土層，如圖3所示，清理雜物后按照常規(guī)修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行除銹。

圖3 除銹處理示意圖

其次，將活化鈦板網(wǎng)材料作為臨時(shí)陽極，鋼筋為陰極，選擇飽和石灰水作為電解質(zhì)，在10V～40V電壓和1A/m2電流密度下脫除鋼筋周圍的氯離子。然后對(duì)除銹后的鋼筋進(jìn)行防腐涂覆處理，涂覆材料根據(jù)涂覆厚度可選用聚合物水泥砂漿或環(huán)氧樹脂材料。

針對(duì)腐蝕破壞較輕的縱梁部位、面板部位，先進(jìn)行鑿除處理，再進(jìn)行局部氯離子萃取與涂抹保護(hù)層，最后用與原混凝土相近的聚合物水泥砂漿修復(fù)材料填平[5]。

針對(duì)腐蝕破壞較小的預(yù)應(yīng)力方樁，考慮到如果發(fā)生鋼筋腐蝕破壞對(duì)碼頭整體結(jié)構(gòu)影響較大，選擇增設(shè)鋼筋腐蝕狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示，將監(jiān)測(cè)探頭預(yù)埋到鋼筋附近，后續(xù)若發(fā)生鋼筋腐蝕現(xiàn)象，可以及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，以預(yù)防因方樁鋼筋腐蝕引起的次生危害。

圖4 預(yù)埋型鋼筋腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

綜上所述，在新時(shí)期建設(shè)工程高質(zhì)量建設(shè)與高水準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)之際，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕破壞情況的調(diào)查分析，盡可能利用先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)精準(zhǔn)定位腐蝕位置與破壞程度，進(jìn)而制定一些適配性較高的修復(fù)對(duì)策?？紤]到修復(fù)技術(shù)較多，如果在實(shí)際修復(fù)時(shí)并不能百分之百保障其修復(fù)效果的前提下，應(yīng)進(jìn)一步在技術(shù)要素賦能路徑下實(shí)施實(shí)驗(yàn)室模擬分析，提前預(yù)測(cè)其中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并確認(rèn)最佳修復(fù)技術(shù)及對(duì)策，全面提高修復(fù)技術(shù)應(yīng)用效果。