八所港礦砂碼頭混凝土腐蝕現狀分析

陳 環，齊中華，房靖超，汪峻峰

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228;2.海南八所港務有限責任公司，海南 東方 572601)

在海洋近海環境中，由于海水中氯離子腐蝕、海風鹽霧侵蝕、雨水洗刷等，加上混凝土結構本身材料的組成、養護條件等因素的影響，容易引發不同程度的破壞，進而直接影響到臨海建筑物、構筑物的安全使用壽命。在中東的沙特阿拉伯等海灣地區，因受海洋惡劣環境的影響，74%的混凝土結構都有嚴重的鋼筋腐蝕破壞［1］;日本沿海的眾多高速公路鋼筋混凝土橋梁也因海水、海風侵蝕，一般使用10 ～20年后都得不斷進行維修［2］。鋼筋混凝土腐蝕這一問題早已引起了國際上的廣泛關注。

針對上述嚴重問題，國內外專家和一些科研機構對此已做了大量的現場調查和研究［3－7］。研究結果表明，海洋近海環境中氯離子滲透是引發港口混凝土結構破損的主要因素，氯離子滲透至一定濃度后鋼筋銹蝕，導致體積膨脹，當膨脹到一定程度后，會導致保護層混凝土脹裂，甚至大塊混凝土剝落。早在20 世紀80年代，我國交通運輸部各科研機構就針對華南、華東及連云港以北等多個碼頭進行了廣泛調查［8］。方璟等［9］對20 世紀80 至90年代碼頭混凝土破壞狀況結果進行了分析，認為影響海港鋼筋混凝土建筑物鋼筋銹蝕的因素是多方面的。這里將對海南八所港礦砂碼頭混凝土梁、柱、甬道等結構的腐蝕現狀進行調查分析，主要針對氯離子侵蝕引發的混凝土腐蝕破壞進行研究，同時探究混凝土局部環境與混凝土腐蝕的相關性。

1 八所港碼頭基本概況

1.1 港口地理環境和氣候條件

八所港位于海南島西海岸中部，原系日本軍國主義者為掠奪石碌鐵礦于1943年修筑的出口港，北黎灣西南角上，面臨北部灣東部海面，近岸多為淺海［10］。港口屬不規則全日潮港口，季候風區，大潮升1.6 m，小潮升1.3 m，平均海面1.5 m，回歸潮高潮潮高2.7 m，低潮潮高0.5 m，潮差2.2 m，港口受東北及西南季節強風影響。每年1 ～3月早上或傍晚有霧，一般持續1 ～2 小時，海水含鹽量平均為3.34%，最高3.5%，最低3.08%(根據統計資料)，附近沒有大型污染源，水質清潔。

1.2 碼頭修建和擴建改造情況

八所港礦砂碼頭，位于海南島八所港港池東側，東棧橋長約40 m，西棧橋長約70 m。碼頭的東北端與第一號防波提弧形相對。1942年5月，八所港大規模的建港工程開始建造，并于1984年對其礦砂碼頭進行技術改造和擴建，其梁、柱結構至今已使用近30 余年。而東面甬道只做了局部的混凝土表面保護層翻修處理。

2 礦砂碼頭混凝土腐蝕現狀

2.1 碼頭梁、柱、甬道分布情況

礦砂碼頭主體結構分為西棧橋、東棧橋和甬道，棧橋柱截面尺寸為50 cm×40 cm，間距10 m，梁長2 m，實驗中已對混凝土柱進行了簡單編號，詳細示意如圖1 所示。整個礦砂碼頭因年代久遠，加上所處海洋環境惡劣，其混凝土結構已出現不同程度的腐蝕破壞。碼頭甬道中主要由素混凝土建造，內部無鋼筋結構。

圖1 礦砂碼頭主體分布示意Fig.1 Schematic diagram of the port

2.2 混凝土腐蝕現場調查

鋼筋混凝土腐蝕現狀主要以港口使用30年的梁柱作為調查對象。其混凝土柱東西方向平行于海岸線，北部迎海。主要針對混凝土構件外觀腐蝕情況進行分析。調查發現其混凝土結構腐蝕特別嚴重，混凝土柱和梁都出現不同程度的損傷。

混凝土破損狀態呈現多種表現形式:隨著鋼筋銹蝕的進行，混凝土表面形成與混凝土內部鋼筋基本平行的順筋裂縫(見圖2(a));或者因鋼筋生銹引起保護層起鼓、層裂(見圖2(b));部分構件上混凝土出現嚴重開裂、剝落，甚至出現鋼筋外露和銹斷等現象。

圖2(a)中是柱Xb2 上一個典型的鋼筋銹蝕引發的縱向裂縫圖。由圖2(a)中可以看出，混凝土柱的東北面出現脹裂，東面右下角混凝土塊早已剝落，鐵銹外露，暴露的鋼筋已基本生銹。縱向裂縫平行鋼筋沿著混凝土破損處逐漸向上延伸，裂縫寬度大于3 mm，可見混凝土構件已出現嚴重破壞。

混凝土柱Xa1 的北面偏東垂直距離地面約為3.5 m 處也出現嚴重破損，如圖2(b)所示。北面正好是迎海面，部分混凝土保護層已剝落，鋼筋暴露，銹蝕非常嚴重。從圖中可以清晰的看出混凝土破損處順著鋼筋出現擴展裂縫，如果不及時修補，將出現更加嚴重的破損。

圖2 混凝土柱鋼筋銹蝕引起的縱向裂縫、保護層剝落Fig.2 Damaged concrete column showing longitudinal cracking and large spalls by corrosion of reinforcement

除此之外，混凝土梁上也出現嚴重破損，暴露的主筋和箍筋部分已經銹斷，如圖3 所示。從圖中仔細觀察，混凝土脹裂基本是沿著銹蝕鋼筋產生，銹蝕主筋底部混凝土保護層早已剝落，還有部分混凝土沿著箍筋處脹裂，可見混凝土脹裂主要是由于鋼筋銹蝕引發。

除此之外，通過宏觀觀察發現，刮除鋼筋表面鐵銹層后，其鋼筋表面出現不同大小的蝕坑，如圖4 所示。主要原因是海港碼頭混凝土內鋼筋遭受氯鹽腐蝕的形態是大陰極、小陽極［11］，其腐蝕狀態屬于局部腐蝕，如果小陽極周圍都是鈍化膜，腐蝕就容易縱向深入，局部腐蝕集中在小區域，造成鋼筋表面呈現坑蝕、孔蝕，混凝土表面裂縫不大時，鋼筋已經腐蝕很嚴重了，若任其發展下去，則銹蝕裂縫的發展相當迅速。

圖3 混凝土梁上保護層脹裂或剝落Fig.3 Damaged concrete beam showing cover cracking or spalling

圖4 刮除鐵銹層之后的鋼筋Fig.4 View of a corroded surface rebar after removing corrosion products

3 樣品采集和測試方法

3.1 樣品采集

針對八所港礦砂碼頭鋼筋混凝土結構受近海環境氯離子侵蝕破損現狀，分別從甬道、柱、橫梁及柱基座中截取混凝土和鐵銹樣品。由于梁柱破損過于嚴重，為了防止混凝土梁、柱因鉆孔機取粉時振動引發倒塌事故，不便鉆孔和鉆芯，因此在棧橋梁柱上(Xb2 柱、梁L4)截取裸露在空氣中帶銹蝕鋼筋的混凝土剝落塊，并刮下鋼筋表面上的鐵銹裝袋。因基座不容易受海風、海霧侵蝕，在開挖地面基座中采用HZ－15 型混凝土取芯機鉆取芯樣，芯樣深度大于8 cm，從芯樣底部(即基座內部)敲取部分混凝土塊測其氯離子含量，用作對比實驗。

另外，采用直徑為22 mm 的沖擊鉆頭鉆孔，從甬道東、西兩側分別按照2 cm 的深度分層取粉，取粉深度最大為10 cm;同時在甬道北側(迎海面)采用HZ －15 型混凝土取芯機鉆取芯樣，并將芯樣沿深度方向以2 cm為單位切塊、研磨，目的是探究甬道東西北三側不同深度處的水溶性氯離子含量。

為了探究氯離子在混凝土塊和鐵銹中的分布，對從柱Xb2 截取的鋼筋混凝土樣品進行分區域取樣。首先，在其鋼筋表面刮取靠近鋼筋表層鐵銹和遠離鋼筋且靠近混凝土的鐵銹，分別命名為S －1 和S －2;其次，在樣品中截取出靠近鐵銹層和遠離鐵銹層的混凝土塊，分別命名為S－3 和S －4，其鋼筋混凝土分區域取樣示意如圖5 所示。

圖5 柱Xb2 上鋼筋混凝土分區域取樣示意Fig.5 Schematic diagram of area－sampling on reinforced concrete from column

3.2 測試方法

實驗中混凝土和鐵銹中氯離子含量統一采用NJCL －B 氯離子含量測定儀進行測試。由于只有溶解在混凝土孔隙溶液中的氯離子(自由氯離子)對鋼筋腐蝕起作用［12］，因此測試過程中首先將混凝土塊和鐵銹采用錘子擊碎，剔除明顯可見的砂石，瑪瑙缽研磨成足夠細的粉末，稱取一定質量的粉樣溶于一定體積的去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌30 分鐘以上，從而保證氯離子完全溶于水中，通過測其溶液中氯離子含量可以得到水溶性氯離子含量(按混凝土重量或鐵銹重量的百分數表示)。為了保證數據的準確性，對實驗中每組數據都進行三次以上測試，最后求平均值所得。

4 實驗結果與分析

4.1 氯離子測試結果

實驗在相同的外界環境下進行，對所制備的粉末樣品進行氯離子含量測試。其氯離子測試結果記錄如表1 所示。

表1 礦砂碼頭不同部位混凝土或鐵銹中氯離子含量Tab.1 Chloride content of concrete and rust at different sections in the port

一般情況下，柱基座內部混凝土難以受到外界環境的影響，同時也就不容易受到海風、海霧中氯離子的侵蝕。從表1 中實驗數據可以看出，基座內部混凝土中氯離子含量為0.058%，而其它混凝土樣品中氯離子含量遠大于這一數值，可見礦砂碼頭梁、柱及甬道等暴露于空氣中的混凝土構件都已受氯離子嚴重侵蝕，如果不及時修復，將導致更大的破損。同時，對比服役70年的混凝土和30年混凝土中氯離子含量，可以發現使用年限越長，其氯離子侵蝕越嚴重。

鋼筋銹蝕是鋼筋表面的氯離子達到一定濃度時發生的現象。臨界氯離子濃度一般是指鋼筋去鈍化所需的氯離子濃度。早在20 世紀80年代，Browne 就提出了鋼筋銹蝕的危險性與氯離子百分含量的關系［13］，如表2 所示。這一關系在許多實際工程調查中得到了證實。表2 中顯示臨界氯離子濃度具有一個變化范圍，這是由于氯離子臨界濃度受混凝土質量和環境綜合因素的影響。

表2 鋼筋銹蝕危險性與氯離子百分含量Tab.2 The risk of steel corrosion and chloride ion content

結合表2 可以看出，當混凝土中氯離子含量超過0.18%時，其鋼筋極易被腐蝕，而當氯離子超過0.36%時，鋼筋百分百已經腐蝕。結合表1 中實驗數據可以看出，關于甬道東側、西側及北側混凝土中不同深度氯離子含量，除暴露于空氣中的混凝土表層0 ～2 cm 處含量偏低外，其余深度位置(2 ～8 cm)混凝土中氯離子百分含量都已達到甚至超過0.36%，同時結合現場調查可以分析得出礦砂碼頭混凝土中鋼筋大部分已遭受嚴重腐蝕。

4.2 甬道中氯離子侵蝕規律

圖6 甬道不同深度處氯離子含量分布Fig.6 Chloride content at different depths in tunnel

實驗中針對服役70年的甬道東、西、北(迎海面)三側不同深度處氯離子分布進行了測試分析，其分布對比情況如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，甬道中東、西、北三側的氯離子含量分布呈現相似變化趨勢，混凝土表層0 ～2 cm處氯離子含量較低，不同深度氯離子含量分布整體呈現先增大后減小的變化規律，這一分布規律在其他碼頭混凝土構件中也同樣被觀察到［14］。從氯離子含量分布的整體趨勢來看，其分布主要集中在4 ～6 cm 和6 ～8 cm 深度范圍內，且不同方位其氯離子含量存在一定差異，可見局部環境的不同也會影響到混凝土中氯離子的侵蝕和分布，這可能與港口風向、風速、干濕交替周期、日照、局部降雨速率、空氣中相對濕度等各方面因素有關［7］。而關于混凝土表層0 ～2 cm 處氯離子含量偏低的情況，可能是受碼頭混凝土年代久遠，表面受風化、雨水沖刷等的影響。

4.3 鋼筋混凝土界面區域氯離子侵蝕規律

鋼筋混凝土是由水泥石基體、骨料和鋼筋所組成的建筑材料，混凝土破損往往與鋼筋銹蝕有關，氯離子侵蝕通過鋼筋－混凝土界面區到達鋼筋表面，從而導致鋼筋銹蝕，體積可膨脹到原來的5 ～10 倍，最后引發混凝土脹裂。實驗中對裸露在空氣中的鋼筋混凝土樣塊進行分區域取樣測試，圖5 中已給出取樣示意圖。另外，不同區域氯離子含量分布在表1 中給出，由表1 中數據可知柱Xb2 混凝土中氯離子含量在鋼筋混凝土界面區域呈現規律性變化，其氯離子百分含量從鋼筋表層鐵銹、鐵銹層、靠近銹層混凝土、到遠離銹層混凝土依次是0.026% ＜0.046% ＜0.160% ＜0.226%。且其氯離子含量從混凝土到鋼筋表面呈現跳躍式降低，這一跳躍式變化現象同樣在本實驗的橫梁結構樣品中觀測到，鐵銹中氯離子百分含量明顯低于混凝土中。同時結合圖2 和圖3 鋼筋銹蝕圖片可知，氯離子在鐵銹中盡管含量較低，但其鋼筋依然會發生嚴重銹蝕。

由于近海環境中，海風、海霧中氯離子含量較高，氯鹽對混凝土和鋼筋均有一定的腐蝕作用。當氯離子擴散到鋼筋表面時，氯離子與鋼筋構成腐蝕電池，其中氯離子與鐵離子生成FeCl2，再溶于水，轉換成Fe(OH)2，釋放出氯離子，周而復始，使得鋼筋進一步腐蝕，致使混凝土保護層沿鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落，直至鋼筋完全失去保護。其鋼筋簡單銹蝕原理如圖7 所示［15］，鋼筋表面出現坑蝕。礦砂碼頭實際工程中鋼筋表面出現類似蝕坑現象，已在圖4 中給出。

圖7 鋼筋銹蝕原理示意Fig.7 Schematic diagram of typical corrosion on reinforcement

氯離子對鋼筋的腐蝕起著陽極去極化作用，加速鋼筋的陽極反應，促進鋼筋局部腐蝕，這是氯離子侵蝕鋼筋的特點。同時，氯離子在鋼筋銹蝕過程中具有催化作用，并且氯離子不構成腐蝕產物，在腐蝕中也未被消耗，反復對鋼筋進行腐蝕。因此，鋼筋表面鐵銹中氯離子含量盡管較低，但其對鋼筋的銹蝕可以一直循環往復的進行下去，鐵銹中低濃度的氯離子對鋼筋的銹蝕作用不容忽視。

5 結 語

通過八所港礦砂碼頭腐蝕現狀調研測試分析，初步研究了港口服役70年甬道和30年梁柱混凝土氯離子侵蝕狀況，探索了甬道東西北三側不同深度處的氯離子分布及柱上鋼筋－混凝土界面區域氯離子侵蝕情況，得出以下結論:

1)現場調查了海南八所港礦砂碼頭混凝土破損情況。調查結果表明鋼筋混凝土結構部分已出現嚴重腐蝕，主要表現為內部鋼筋銹蝕、混凝土開裂、剝落等現象。這與海洋近海環境中所處的海霧環境條件惡劣、混凝土構件年代久遠有關。

2)服役70年的甬道混凝土中氯離子百分含量隨取樣深度呈現規律性變化，表層混凝土氯離子百分含量較低，隨著取樣深度的加深，氯離子含量呈現先增大后減小的趨勢，且東、西、北三個不同方位上所取混凝土樣品中氯離子含量存在一定差異，可見局部環境的差異對混凝土中氯離子分布具有一定影響。

3)從裸露在空氣中的鋼筋混凝土樣品測試結果可得，氯離子分布在鋼筋混凝土界面區域也呈規律性變化，氯離子含量從遠離銹層混凝土、靠近銹層混凝土、鐵銹層到鋼筋表層依次遞減，并且從混凝土到鋼筋表面呈現跳躍式降低。

4)在海洋環境中，混凝土使用年限越長，其受氯離子侵蝕越嚴重，且鐵銹中低濃度的氯離子對鋼筋的銹蝕作用不容忽視。針對文中調研的碼頭混凝土腐蝕破損情況，后期將會對其破損位置進行現場維修。

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