港口工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的影響因素

劉學(xué)勇，楊國平

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007）

近幾年，為實現(xiàn)港口工程使用期內(nèi)成本最優(yōu)和整體提高服役質(zhì)量的目標(biāo)，我國在港口工程領(lǐng)域陸續(xù)開展了全壽命設(shè)計理論的有關(guān)研究，并取得了一定成果[1-2]。港口工程結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律及設(shè)計準(zhǔn)則研究是港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計理論的關(guān)鍵和核心內(nèi)容。影響港口工程性能退化的因素多而復(fù)雜，影響因素的確定是開展性能退化規(guī)律研究的前提和基礎(chǔ)。本文通過分析調(diào)研資料、總結(jié)已有研究成果并結(jié)合對港口工程結(jié)構(gòu)特點的分析，對港工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化主要影響因素進行了識別，為進一步研究港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律提供了依據(jù)。

1 港口工程結(jié)構(gòu)性能退化調(diào)研資料分析

交通運輸部有關(guān)單位分別于1963、1965、1980、1996年針對我國海港工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況先后組織過4次調(diào)查[3]。調(diào)查結(jié)果顯示：80%以上的碼頭都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重的鋼筋銹蝕破壞，有的僅5~10 a就出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞。隨后對華東、北方地區(qū)沿海碼頭的調(diào)查也得出了類似結(jié)論。

我國華東和華南地區(qū)的港口均屬于不凍港，因氯鹽腐蝕而引起腐蝕破壞已是不爭的事實。調(diào)查結(jié)果[4]表明，雖然北方地區(qū)高樁碼頭受凍融破壞是一個較嚴(yán)重的問題（主要是20世紀(jì)六七十年代前修建的碼頭），但銹蝕破壞也普遍存在。在調(diào)查的66個碼頭泊位中，都普遍存在不同程度的銹蝕破壞或損壞。20世紀(jì)70年代以后，由于北方地區(qū)普遍采用了摻引氣劑的抗凍措施，從業(yè)主和工程實踐中得知，銹蝕破壞也是北方地區(qū)高樁碼頭的主要破壞形式，相對來說，凍融破壞已不顯得非常突出。通過調(diào)研資料并結(jié)合工程實踐表明，港口工程結(jié)構(gòu)具有以下宏觀破壞特點。

1）高樁梁板碼頭與沉箱碼頭破壞特點不同

以高樁梁板碼頭為典型代表的透空式結(jié)構(gòu)，主要以鋼筋銹蝕為主要破壞特征，銹蝕破壞部位主要發(fā)生在浪濺區(qū)的樁、樁帽、縱橫梁和面板，尤以縱橫梁破壞最普遍和嚴(yán)重，北方地區(qū)的高樁梁板碼頭同時遭受凍融破壞，但與鋼筋銹蝕相比，凍融破壞特征已不是非常突出；以沉箱碼頭為代表的重力式碼頭，基本上不會發(fā)生銹蝕破壞，采取抗凍措施前，北方地區(qū)呈現(xiàn)凍融破壞，采取抗凍措施后，已基本無凍融破壞，耐久性較好。

2）氯離子侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因

氯離子侵蝕和混凝土碳化是造成鋼筋銹蝕的兩個最主要原因。碳化引起的鋼筋銹蝕是形成較為均勻的腐蝕表面，而氯離子引起的銹蝕則是更多地在鋼筋表面形成點腐蝕或者坑腐蝕。調(diào)研結(jié)果表明，無論南北方，港口工程因氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕破壞現(xiàn)象是非常嚴(yán)重和普遍的。對于海洋環(huán)境中的港口工程混凝土結(jié)構(gòu)來說，氯離子侵蝕誘發(fā)的鋼筋銹蝕最為顯著，遠大于碳化引起的鋼筋銹蝕。氯離子侵蝕引起的銹蝕破壞見圖1、圖 2。

圖1 氯離子侵蝕引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞Fig.1 Reinforced concrete structure damage caused by thechlorideion erosion

圖2 氯離子侵蝕造成的預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷裂Fig.2 Prestressed steel strand broken caused by the chlorideion erosion

2 已有研究成果分析

影響港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的因素眾多，且各種因素間相互聯(lián)系、錯綜復(fù)雜。根據(jù)其性質(zhì)可分為內(nèi)在因素和外在因素兩方面。內(nèi)在因素是指因結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和施工不足導(dǎo)致的混凝土自身所存在的缺陷，如混凝土水灰比、膠凝材料組成設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在氣泡和毛細管孔隙，為氯離子、水和氧氣向混凝土內(nèi)部擴散提供了通道。外在因素主要是環(huán)境因素和荷載。環(huán)境因素主要包括環(huán)境溫度、濕度和腐蝕介質(zhì)。荷載能誘導(dǎo)微裂紋擴展、聚合、連通，裂紋的擴展使得環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)更易進入到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加劇結(jié)構(gòu)的性能退化。在眾多影響因素中，內(nèi)在因素可通過對混凝土的組成和施工過程控制而加以避免，對結(jié)構(gòu)性能的影響（如堿骨料反應(yīng)）是可控的，可不作為主要影響因素。另外，由調(diào)研資料分析可知，環(huán)境因素中，氯離子是造成港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因。因此，本文主要對氯離子和荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能退化進行研究總結(jié)。

2.1 氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕

氯離子不僅能穿透鈍化膜使鋼筋銹蝕，還能增強腐蝕電流，加速鋼筋銹蝕速度。而且氯離子可反復(fù)地侵蝕鋼筋表面但自身卻并不消耗。氯離子誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的機理主要有以下四個方面：1） 破壞鈍化膜；2） 形成腐蝕電池；3） 氯離子陽極去極化作用；4）氯離子的導(dǎo)電作用。

2.2 裂縫寬度的影響

對混凝土中鋼筋銹蝕與裂縫寬度關(guān)系的一般認(rèn)識是，當(dāng)裂縫寬度不超過0.2 mm時，不會發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，銹蝕速度隨時間增長而減慢，裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度之間無明顯的相關(guān)性；當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時，裂縫寬度的影響會變得明顯。

2.3 應(yīng)力和氯離子聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)性能退化

圖3 荷載作用下混凝土內(nèi)的氯離子分布規(guī)律Fig.3 Distribution rule of the chlorideion in concrete under theeffect of load

結(jié)構(gòu)的使用荷載和使用環(huán)境是共存的，無荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的性能研究成果并不能合理反映結(jié)構(gòu)所處的實際狀態(tài)。對此，國內(nèi)外學(xué)者對荷載作用下氯離子在混凝土中的擴散進行了有關(guān)研究。Konin 等人[5]、Chun Qing Li[6]、Sanchun Yoon等人[7]、水金鋒[8]和何世欽[9]的研究表明，荷載水平對氯離子擴散影響顯著，不利荷載作用可以加速氯離子的擴散速度，且荷載水平越高，產(chǎn)生的腐蝕越大。邢鋒等人[10]的研究表明，拉應(yīng)力會加快氯離子在混凝土中的擴散速度，壓應(yīng)力會降低氯離子在混凝土內(nèi)的擴散。Francois[11]采用鋼筋拉應(yīng)力作為保護層微損區(qū)氯離子擴散加速的基本參數(shù)，通過實驗建立了描述鋼筋彎曲拉應(yīng)力與混凝土微損區(qū)域氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系。從以上研究成果中可以得出，混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)對氯離子擴散影響顯著：與處于無應(yīng)力狀態(tài)下時相比，壓應(yīng)力減小了混凝土中的氯離子擴散系數(shù)，而拉應(yīng)力加快了氯離子在混凝土內(nèi)的擴散；拉應(yīng)力狀態(tài)下，氯離子的擴散深度隨荷載水平的增大而增加。荷載作用下混凝土內(nèi)氯離子分布規(guī)律[9]見圖3。

上述應(yīng)力對氯離子擴散影響的研究成果主要集中于現(xiàn)象的描述，對退化模型研究較少，少數(shù)研究者建立了荷載作用下混凝土氯離子擴散系數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系，但在工程實用方面還有一定距離。由于對應(yīng)力與氯離子聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)性能退化認(rèn)識尚不明確，我國水運行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)設(shè)計和檢測標(biāo)準(zhǔn)中也未體現(xiàn)應(yīng)力的影響。因此深入研究荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化規(guī)律，為設(shè)計控制措施提供可靠的成果更具有現(xiàn)實意義。

3 我國港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要影響因素

1）我國港口工程結(jié)構(gòu)性能退化影響因素組合

結(jié)合對調(diào)查和已有研究成果的分析，歸納出影響港工混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要因素如下。對于南方地區(qū)的高樁梁板碼頭，主要影響因素為：氯離子+應(yīng)力；南方地區(qū)的重力式碼頭，未發(fā)現(xiàn)明顯的性能退化特征；對于北方地區(qū)的高樁梁板碼頭，除氯離子和應(yīng)力的主要因素外，冰凍地區(qū)一定程度還受凍融的影響，但20世紀(jì)70年代以來，采取有效抗凍措施后，凍融基本不明顯；北方地區(qū)的重力式碼頭，20世紀(jì)70年代以前，未采取有效抗凍措施，破壞特征以凍融為主；20世紀(jì)70年代后，采取有效抗凍措施后，有效改善了混凝土的抗凍性能，已基本無凍融破壞，應(yīng)力破壞也不明顯，耐久性較好。因此，不論南方地區(qū)還是北方地區(qū)，從結(jié)構(gòu)型式上看，高樁梁板碼頭為重點研究對象；從影響因素看，氯離子與應(yīng)力的聯(lián)合作用為主要影響因素。見表1。

表1 港口工程結(jié)構(gòu)性能退化影響因素Table1 Influence factorsof performance degradation for harbor engineering structures

2）高樁碼頭與重力式碼頭使用年限相差較大的實質(zhì)是構(gòu)件的應(yīng)力水平（大小、持續(xù)時間）不同

工程資料調(diào)研表明，無論南北方，高樁碼頭鋼筋銹蝕破壞嚴(yán)重，使用年限較短，而重力式碼頭基本不發(fā)生銹蝕破壞，耐久性好，使用年限長。從表面現(xiàn)象看，鋼筋銹蝕因碼頭結(jié)構(gòu)形式的不同而異，本質(zhì)上是與構(gòu)件的應(yīng)力水平（大小、持續(xù)時間）有關(guān)。同一地區(qū)不同結(jié)構(gòu)型式的碼頭破壞程度相差較大則更典型地說明了這一問題。

將高樁碼頭結(jié)構(gòu)的面板與沉箱碼頭前墻進行比較：面板通常以自重與使用荷載作為設(shè)計控制組合，在使用期內(nèi)，設(shè)計控制荷載出現(xiàn)概率大，面板長期處于應(yīng)力較高的狀態(tài)；沉箱前墻通常以50 a一遇的波浪力和貯倉壓力作為設(shè)計控制組合，在使用期內(nèi)，設(shè)計控制荷載出現(xiàn)概率小，構(gòu)件長期處于應(yīng)力較低的狀態(tài)。因此，對于設(shè)計控制組合，兩者雖然依據(jù)相同的設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)，但實際發(fā)生的應(yīng)力水平有明顯不同。結(jié)合已有研究結(jié)論[5-11]：拉應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力水平越高，氯離子滲透深度越大，氯離子達到鋼筋表面的時間越短，發(fā)生銹蝕的時間就越早。綜上，應(yīng)力水平的不同導(dǎo)致高樁碼頭結(jié)構(gòu)和沉箱結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕程度不同，是高樁碼頭與沉箱碼頭使用年限相差較大的本質(zhì)原因。

因此，結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的研究應(yīng)體現(xiàn)構(gòu)件應(yīng)力水平的影響。比較合理的方法是首先根據(jù)構(gòu)件的受力特點進行分類，建議按照梁、板、樁進行分類，每類構(gòu)件可再根據(jù)應(yīng)力水平進行細分，以此體現(xiàn)應(yīng)力水平對性能退化規(guī)律的影響。其中應(yīng)力大小的影響可通過配筋富裕程度來體現(xiàn)，配筋富裕程度通過實配鋼筋量/標(biāo)準(zhǔn)配筋量或橫向裂縫相對寬度（允許裂縫寬度限值/實際計算控制裂縫寬度）來表征；應(yīng)力持續(xù)時間的影響可根據(jù)控制組合下的應(yīng)力構(gòu)成情況對構(gòu)件進行分組來體現(xiàn)，建議根據(jù)重現(xiàn)期大于10 a的可變作用產(chǎn)生的效應(yīng)占總作用效應(yīng)的比值劃分為以下3組：第1組為重現(xiàn)期大于10 a的可變作用產(chǎn)生的效應(yīng)占總作用效應(yīng)30%以下的構(gòu)件（典型構(gòu)件為水平布置、豎向承受使用荷載為主的高樁碼頭面板）；第2組指重現(xiàn)期大于10 a的可變荷載產(chǎn)生的效應(yīng)占總荷載效應(yīng)30%~60%的構(gòu)件；第3組為重現(xiàn)期大于10 a的可變荷載產(chǎn)生的效應(yīng)占總荷載效應(yīng)60%以上的構(gòu)件（典型構(gòu)件為豎向布置、水平承受波浪力為主的沉箱前墻）。以上參數(shù)在常規(guī)設(shè)計方法中都較易獲得，用于結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律研究中更具操作性。

3）混凝土保護層厚度對結(jié)構(gòu)性能的影響

如2.2節(jié)所述，當(dāng)裂縫寬度不超過0.2 mm時，裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度之間無明顯的相關(guān)性；當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時，裂縫寬度的影響會變得明顯。我國JTS 151—2011《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，海水環(huán)境中處于大氣區(qū)和浪濺區(qū)的鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度不大于0.2 mm，一方面是為了滿足正常使用極限狀態(tài)要求，另一方面則是考慮耐久性要求以防止裂縫對鋼筋銹蝕造成影響。規(guī)范同時規(guī)定，計算裂縫寬度時，當(dāng)混凝土保護層厚度大于50 mm時，取50 mm。即認(rèn)為混凝土保護層厚度大于50 mm時計算得出的裂縫寬度值對應(yīng)于50 mm處的裂縫寬度，并非混凝土表面處的裂縫寬度。

一般認(rèn)為混凝土中氯離子的擴散服從Fick第二定律。即認(rèn)為混凝土保護層越厚，氯離子通過擴散達到鋼筋表面的時間越長，鋼筋發(fā)生銹蝕的時間越長，耐久性越好。計算分析表明，混凝土保護層厚度對氯離子擴散影響很敏感，增加1 cm的混凝土保護層厚度可導(dǎo)致計算出的氯離子到達鋼筋表面所需時間顯著增加。Fick第二擴散定律的前提是混凝土保護層不開裂或裂縫寬度較小，對擴散影響不大。實際工程中，多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都是帶裂縫工作。裂縫的出現(xiàn)縮短了氯離子達到鋼筋表面的時間，使混凝土保護層不能像Fick第二擴散定律所述那樣充分發(fā)揮阻止氯離子擴散的作用。如果仍采用實際保護層厚度進行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律分析，將片面擴大混凝土保護層的作用，顯然是不合理的。

本文認(rèn)為，對結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的分析應(yīng)根據(jù)構(gòu)件裂縫等級對保護層厚度進行折減，引入有效保護層厚度的概念。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，裂縫控制等級為三級，即允許出現(xiàn)裂縫，當(dāng)混凝土保護層厚度大于50 mm時，由于裂縫的出現(xiàn)，50 mm以外的混凝土保護層厚度沒有完全發(fā)揮阻止氯離子擴散的作用。因此，應(yīng)對這部分混凝土保護層厚度進行折減，采用折減后的混凝土保護層厚度（有效保護層厚度）進行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律分析；對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，裂縫控制等級分為一級和二級兩類，要求構(gòu)件受拉邊緣混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力或不開裂，混凝土保護層能充分發(fā)揮阻止氯離子擴散的作用，因此不考慮折減，采用實際的混凝土保護層厚度進行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律分析。

4 結(jié)語

影響我國港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的因素多而復(fù)雜，確定主要影響因素是進一步研究結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的前提和必要條件。本文通過對港口工程調(diào)研資料分析和已有成果的總結(jié)，結(jié)合港工結(jié)構(gòu)特點，對港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的影響因素進行了分析，得出以下結(jié)論：

1）應(yīng)力和氯離子的聯(lián)合作用是影響港口工程混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要因素。

2）高樁碼頭與沉箱碼頭鋼筋銹蝕破壞程度不同、使用年限相差較大的本質(zhì)是構(gòu)件應(yīng)力作用水平不同。高樁碼頭應(yīng)力水平較高，破壞嚴(yán)重；沉箱碼頭應(yīng)力水平較低，破壞較輕。

3）對結(jié)構(gòu)性能退化模型的研究應(yīng)體現(xiàn)應(yīng)力作用水平（大小和持續(xù)時間）的影響。應(yīng)力大小的影響，通過配筋富裕程度體現(xiàn)；應(yīng)力持續(xù)時間的影響，可根據(jù)控制組合下的應(yīng)力構(gòu)成情況對構(gòu)件進行分組來體現(xiàn)。

4）引入了混凝土有效保護層厚度的概念。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用混凝土有效保護層厚度進行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律分析，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用實際的混凝土保護層厚度進行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律分析。