海港碼頭胸墻混凝土裂縫成因及修補研究

梁光先，廖家艷

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

海港碼頭工程結構混凝土表面開裂不僅破壞了混凝土結構的整體性，還使得其中的鋼筋更容易暴露在外界環境當中而發生銹蝕，導致混凝土結構強度下降，使用耐久性和安全性降低，對海港碼頭正常運營產生極其不利的影響。在工程施工當中，海港碼頭胸墻結構混凝土表面裂縫的修補質量往往難以達到預期的效果，究其原因是裂縫修補的重要性經常被運營管理方所輕視，資金投入少，一方面不能根據實際開裂情況采取相應的修補措施，裂縫修補“治標不治本”，停留在表面化、美觀化的層次；另一方面缺少對裂縫發育的監控，已修補的裂縫繼續開裂，不斷加深、加寬，得不到及時處理，其結果必然是增加了運營管理方的后期維護成本，也增加了碼頭工程的安全隱患。本文旨在研究海港碼頭工程結構混凝土裂縫成因及修補

技術，并對實際工程中存在的問題提出自己的見解。

1 裂縫產生的原因

1.1 溫度及荷載的物理作用

1.1.1 溫度裂縫

碼頭胸墻混凝土由于澆筑體積大，在凝結硬化過程中水泥產生的大量水化熱難以散逸到環境中，混凝土內部溫度比外界環境高，使得混凝土表面拉應力增大，這種現象在炎熱的夏天尤其容易出現；而在養護降溫過程當中，混凝土表面也會有一定的概率產生裂縫，原因是混凝土內部由于基礎強約束作用而出現拉應力，當這些拉應力超過混凝土本身的抗裂強度時，混凝土最薄弱的地方就會發生結構性破壞而產生裂縫。

1.1.2 收縮裂縫

混凝土塑性收縮和干縮是混凝土發生體積變形的誘因，干縮會使得混凝土表面產生拉應力，當拉應力超過極限值，混凝土表面就容易產生裂縫。

1.1.3 結構性裂縫

當碼頭胸墻混凝土結構承載力不足或者由于基礎的約束力分布不均，胸墻混凝土在上部大荷載作用下產生不均勻沉降，會引起結構性裂縫；特別是船舶停靠速度過快，撞擊荷載很大，更加產生結構性裂縫。

1.2 海水的侵蝕作用

1.2.1 鎂鹽的破壞作用

海水中富含MgSO4和MgCl2這兩類鎂鹽，它們都能與混凝土水泥石中的Ca(OH)2發生化學反應：

Ca(OH)2+MgSO4+H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2

反應生成的Mg(OH)2容易被海水的溶解作用帶出混凝土流失到海洋環境中，使得混凝土堿性發生不可逆轉性降低，直接導致水泥石中水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣不能繼續穩定存在，與鎂鹽發生化學反應繼續生成Mg(OH)2：

CaO·Al2O3·6H2O+MgSO4+H2O→(CaSO4·2H2O)+Al(OH)3+Mg(OH)2

CaO·Si2O3·3H2O+MgSO4+H2O→(CaSO4·2H2O)+SiO2·3H2O+Mg(OH)2

CaSO4·2H2O是天然二水石膏的主要成分，其含有大量的結晶水，體積比原來的CaO·Al2O3·6H2O大2.5倍之多，它的生成容易使得混凝土結構體積增大從而產生裂縫。而隨著Mg(OH)2濃度的增大，在混凝土中起到膠結作用的鋁膠(Al(OH)3)和硅膠(SiO2·3H2O)逐漸與之發生化學反應，使得混凝土中鋁膠和硅膠密度緩慢下降，混凝土強度隨之降低。

Al(OH)3+Mg(OH)2→Mg(AlO2)2+H2O

SiO2·3H2O+Mg(OH)2→MgSiO3+H2O

1.2.2 氯離子的侵蝕作用

海水環境中的混凝土按照風浪影響的不同，可以劃分為大氣區、浪濺區、水位變動區以及水下區四個部位。處于水下區混凝土中的鋼筋缺少發生電化學反應的必要條件氧氣，發生銹蝕的速率十分緩慢。在大氣區中，由于水泥水化時會在混凝土中生成大量的堿性物質Ca(OH)2，鋼筋表面會生成一層穩定致密的氧化物鈍化膜(γ-Fe2O3·nH2O)，從而使得陽極鐵溶解被阻止，避免了銹蝕。而對于處于浪濺區和水位變動區的混凝土，在干濕交替作用以及混凝土內外海水濃度差導致的滲透作用下，氯離子往混凝土內部轉移。

當海水滲入混凝土時，其攜帶可溶性鹽類以帶正、負電荷的離子形式對水泥石中的堿(如氫氧化鈣)和鹽(如硫鋁酸鈣)等晶體表面離子產生異性電荷間的吸引作用，使得晶體表面離子間結合力減弱，晶體表面離子脫離晶體結構溶入浸入混凝土的海水中，最后滲出到海洋中。在溶解作用的長時間作用下，干濕交替區海水浸入和滲出頻繁發生，混凝土中的堿和鹽總溶解量不斷增多，混凝土孔隙率逐漸增大，為海水中其它鹽類的活動以及氯離子的侵蝕創造了有利條件。

通過以上途徑，氯離子進入到鋼筋鈍化膜處，當其濃度增大時，該點周圍ph值下降，鈍化膜不能繼續穩定存在，逐漸被破壞，氯離子隨之與鋼筋直接接觸，使得接觸點變成陰極區，而鋼筋中的二價鐵離子成為陽極區，兩者構成腐蝕電池。海水中富含的溶解氧離子此時便起到推波助瀾的作用，使得二價鐵離子與之反應生成氫氧化鐵。

Fe+O2+H2O→Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

根據所處的環境條件，氫氧化鐵與溶解氧發生反應產生不同的化學產物。當溶解氧不足時，氫氧化二鐵會氧化不完全，生成黑銹(Fe2O3)；而當水分不足時，氫氧化三鐵會生成紅銹(FeOOH)。氯離子本身并不構成腐蝕電池產物，但它卻可以不斷地帶出二價鐵離子，源源不斷地消耗二價鐵離子生成鐵銹，直至將鋼筋銹蝕完全。銹蝕后的鋼筋體積增大，鋼筋附近混凝土表面拉應力增大，容易造成混凝土表面鼓包甚至是順筋開裂。

2 裂縫修補技術

2.1 非耐久性修補

2.1.1 封閉法

對于寬度處于0.2～0.3 mm之間的裂縫通常采用封閉法處理，采用水泥砂漿或者環氧樹脂砂漿等封縫材料對裂縫進行修補。

2.1.2 灌漿法

對于寬度>0.3 mm的裂縫或者貫穿裂縫應在清除裂縫表面松散物和縫內異物之后，沿裂縫端部、交叉處以及貫穿裂縫兩側按一定的間距埋設灌漿嘴，通過壓力將彈性聚氨酯漿、水溶性聚氨酯漿等灌漿材料壓入裂縫內達到修補的目的。

2.2 耐久性修補

港口水工建筑物鋼筋混凝土需要耐久性修復的多數是由于鋼筋銹蝕產生銹脹裂縫和層裂。因此在修復過程中，必須先鑿除銹脹裂縫和層裂處的混凝土，然后除去鋼筋上的鐵銹，接著用高壓淡水沖洗，將修補斷面涂上界面粘結材料，最后立模澆筑混凝土，恢復構件原斷面。對于修補后目標使用年限超過十年的，還應該對整個構件混凝土表面采用硅烷浸漬，噴涂涂層防護，或者用電化學脫鹽法、外加電流陰極保護法進行處理。

3 裂縫修補中存在的問題及看法

3.1 修補方法不合理

在對廣西欽州港、防城港以及北海等地區部分碼頭進行胸墻裂縫修補質量檢測時發現，一些碼頭胸墻臨水面部分裂縫已經順筋開裂，表明混凝土中的鋼筋非常有可能已經銹蝕，但修補方案中并未對這些鋼筋做鋼筋銹蝕性狀檢測，僅根據裂縫尺寸盲目選擇封閉法或者灌漿法進行修補，不僅無法起到該有的修復作用，更忽略了其耐久性損傷的事實，使得碼頭胸墻結構無法得到及時的維護和修補，長時間在危險狀態下運行，安全隱患極大。

在對胸墻混凝土裂縫進行修補之前，碼頭運營管理方應委托專業的檢測機構統計胸墻臨水面裂縫的類型，判斷其屬于豎向裂縫、橫向裂縫還是網狀裂縫，同時采集裂縫的長度、寬度、深度、數量和分布數據，并對較寬或較深的裂縫，尤其是順筋裂縫，采用電位法或者鉆芯法做鋼筋銹蝕性狀檢測，以了解鋼筋是否已經銹蝕。檢測機構應就現場采集的裂縫數據，結合碼頭結構設計使用年限，評估其是否需要進行耐久性修復或非耐久性修復，以此制訂科學嚴謹又適用于工程實際的修補方案，指導現場修補工作科學合理、嚴謹有序地進行，最大程度上修復損傷的碼頭胸墻混凝土結構，抑制裂縫的發育。

3.2 缺乏對裂縫發育情況的監控

現場檢測發現，部分裂縫在修補后由于受到外界荷載的作用，如干濕交替和船舶撞擊，持續發育，不斷加深加寬，一些蔓延到鋼筋處，使得該處混凝土與鋼筋膠合力減弱，對結構耐久性產生巨大破壞；還有個別裂縫發育成為層裂，嚴重威脅胸墻混凝土結構的完整性，碼頭結構使用耐久性急速降低，危險程度迅速升高。

裂縫修補不應該是“一錘子買賣”，運營管理方應定期對裂縫進行觀測、檢查，觀察裂縫修補的實際效果，有無繼續發育現象和新的裂縫產生。對于發育裂縫，可以掌握其發育動態，通過分析裂縫繼續發育的原因，從而采取必要的控制措施或者是修補加固措施；對于新產生的裂縫，除了分析其是否需要修補之外，更應著重研究其產生原因，研究可以通過哪些實際措施預防新裂縫的產生。通過預防新裂縫的產生和控制已有裂縫的發育，使碼頭胸墻結構耐久性降低速率處于一個可控的范圍之內，碼頭結構的使用安全性得到較大的保障，從而避免重大工程事故的發生。

4 結語

海港碼頭胸墻結構混凝土表面在溫度、荷載以及海水侵蝕的作用下十分容易產生裂縫，對結構使用耐久性和安全性影響極大，需要根據其實際尺寸及混凝土內鋼筋銹蝕狀況選擇合理的修補技術進行專業處理，并對裂縫定期進行觀測和檢查，掌握其發展動向，

及時采取相應的補救措施，確保工程結構在設計使用年限內能夠安全、穩定地使用，盡可能降低發生安全事故的風險。