欽州港老碼頭臨水面混凝土氯離子擴散研究

張建球

摘要：文章以已建成5～20年的欽州港地區老碼頭工程為例，通過現場取樣試驗獲取碼頭臨水面混凝土的氯離子濃度結果，研究分析因不同水位區域、不同建成時間、不同結構深度的氯離子含量的規律，建立起氯離子濃度與碼頭建成時間的回歸公式，預測達到臨界濃度的擴散時間，為欽州港碼頭耐久性設計與碼頭加固補強提供參考。

關鍵詞：欽州港;碼頭;氯離子濃度;耐久性設計;鋼筋銹蝕

中圖分類號：U656.1 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.045

文章編號：1673-4874（2019）08-0164-04

0引言

氯離子在混凝土中的擴散一直以來都是鋼筋混凝土耐久性研究的重要組成部分。氯離子的侵入深度達到結構的鋼筋保護層厚度，將直接引起接觸鋼筋的銹蝕，加快鋼筋混凝土的質量劣化，進而影響碼頭的結構安全。海港碼頭建筑物長期處于海洋環境中，鋼筋腐蝕已成為影響碼頭建筑物耐久性的主要因素，而氯離子的侵蝕又是引起鋼筋腐蝕的首要因素。

本文通過對欽州港地區老碼頭臨水面混凝土中的氯離子濃度進行現場取樣及試驗，研究分析不同水位區域、不同建成時間、不同結構深度的氯離子含量的變化規律，建立氯離子濃度與碼頭建成時間的回歸公式，豐富氯離子擴散的理論研究。與試驗室模型試驗相比，本次試驗對象全部為運營中的海港老碼頭結構，因此更貼近工程實際，具有工程耐久性設計和加固處理的直接參考價值。

1取樣試驗

1.1現場碼頭概況

本次取樣的21個碼頭均在欽州港，碼頭已建成時間為5～20年，本次研究提取其中8個有代表性的碼頭工程的試驗數據。各碼頭簡要信息統計見表1。

1.2試驗

1.2.1現場取樣方法

本次取樣碼頭為8個在碼頭臨水面的大氣區、浪濺區及水位變動區分別取樣7組試驗，各組深度分別為距表層0～10mm、10～20mm、20～30nqrn、30～40m、40～50mm、50～60mm、60～70mnq。取樣位置選擇在主筋附近，并避開混凝土裂縫和明顯缺陷。

1.2.2試驗方法

氯離子含量測試一般有硝酸銀滴定法、硝酸汞滴定法、電位滴定法和離子色譜法等。本次氯離子含量測定采用電位滴定法，該方法原理是通過測量滴定過程中電池電動勢的變化來確定滴定終點。測定時以氯電極為指示電極，以玻璃電極為參比，采用硝酸銀標準溶液滴定，用伏特計測定兩電極之間的電位變化，電位

2試驗結果分析

2.1氯離子濃度結果匯總表（見表2）變化最大時儀器的讀數即為滴定終點，通過消耗的硝酸銀量確定溶液中的氯離子含量。試驗步驟為：（1）取混凝土中的砂漿約100g，研磨通過0.063mm篩，置于105℃±5℃烘箱中烘2h后取出放入干燥器冷卻至室溫;（2）將樣品置于三角燒瓶中，加入蒸餾水，劇烈振蕩1～2min之后將樣品過濾，各吸取20mL置于兩個三角燒瓶中;（3）分別在兩個三角燒瓶中各加2滴酚酞，使溶液呈微紅色，再用稀硫酸中和至無色后，加鉻酸鉀指示劑10滴，按下式計算水溶性氯離子含量：

2.2試驗結果分析

根據檢測結果，分別繪制各碼頭臨水面大氣區、浪濺區、水位變動區氯離子濃度與取樣深度關系圖，見圖1。

（1）氯離子含量變化總體趨勢。

本次取樣的大氣區、浪濺區和水位變動區三個區域，芯樣氯離子濃度都隨結構深度的增加而減小。當深度在20～50mm時，曲線呈急劇下降趨勢，說明氯離子濃度在此區間內受深度影響明顯;當深度在50mm左右時，隨著深度增加曲線僅呈平緩的下降趨勢，表明混凝土結構達到此深度后，氯離子擴散速度較慢，且擴散量較小。

（2）同一碼頭不同水位區氯離子濃度變化趨勢

同一碼頭，同一混凝土深度處，氯離子含量基本呈現大氣區<浪濺區<水位變動區的特征，說明水位變動區受氯離子擴散作用的影響最顯著，其次為浪濺區、大氣區。因此，在碼頭建成后的耐久性跟蹤評估過程中應對水位變動區氯離子含量進行重點監測。

（3）不同建成時間的碼頭的氯離子濃度變化趨勢

當混凝土表層深度<50mm寸，氯離子濃度與建成時間之間沒有呈現出固定的正相關或負相關的關系。混凝土中氯離子的擴散過程非常復雜，特別是表層擴散不僅與混凝土本身質量密切相關，而且還與水化產物的化學結合及吸附、物理吸附等因素有直接聯系。而取樣深度≥50mm時，同一深度處，氯離子濃度在總體上呈現出明顯的建成時間越長，濃度越大的趨勢。

（4）建成時間相近的碼頭，氯離子濃度與混凝土強度的關系

建成時間相近的碼頭，氯離子濃度與混凝土強度之間未呈現出固定的正相關或負相關的關系。

3氯離子擴散預測

3.1趨勢擬合

已建成碼頭臨水面氯離子含量可測區域僅有大氣區、浪濺區及水位變動區，根據《水運工程混凝土結構設計規范））（JTS151-2011）中表7。2.1的規定，以上三個區域在海洋環境下混凝土保護層最小厚度不應<50mm，且沿海碼頭混凝土鋼筋保護層厚度大多設計為50～70mm。根據以上試驗數據，本文假設在相同的氯離子濃度下，本次研究的老碼頭混凝土質量是同質的，混凝土不同深度的氯離子濃度含量只有時間依賴性。分別取不同建成時間的碼頭在60m、70mm深度處的氯離子濃度數據進行分析研究，嘗試擬合出氯離子濃度與碼頭建成時間關系曲線。

從圖2的擬合結果看，各水位區混凝土60WfR、70mm的氯離子濃度與碼頭建成時間基本呈現二次函數的關系，相關系數均在0.65以上，且大多數達到0。8以上。

3.2氯離子擴散預測

根據《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》（JTS304-2019），大氣區、水位變動區的建筑結構中氯離子含量均小于引起混凝土鋼筋銹蝕的氯離子含量臨界值，即<0.55%;浪濺區的建筑結構中氯離子含量均小于引起混凝土鋼筋銹蝕的氯離子含量臨界值，即<0.35%。根據60mm和70mm處氯離子濃度含量與建成時間關系擬合結果，預測大氣區、水位變動區的胸墻氯離子含量達到0.55%所需時間及浪濺區的胸墻氯離子含量達到0.35%所需時間。預測結果如表3所示。

4結語

本文通過現場取樣以及試驗的方法研究了廣西欽州港部分已建成老碼頭結構臨水面不同區域的氯離子濃度與深度、建成時間之間的關系，得到以下結果：

（1）同一混凝土深度處，大氣區、浪濺區、水位變動區的氯離子含量依次增加，即大氣區、浪濺區、水位變動區受到氯離子擴散的影響依次增大。

（2）同結構臨水面相同的位置，氯離子濃度都隨深度增加而降低。

（3）深度在50mm以上時，各水位區的氯離子濃度隨碼頭建成時間增加而增大。

（4）假設在相同的氯離子濃度環境中，碼頭工程的混凝土質量是同質及混凝土不同深度的氯離子濃度含量只有時間依賴性的情況下，混凝土60mm、70mm度處，氯離子濃度與碼頭建成時間呈二次函數關系。

影響混凝土中氯離子擴散的因素非常復雜。隨著廣西北部灣地區碼頭工程數量逐漸龐大，對老碼頭混凝土中氯離子含量的研究越來越重要，特別是預測達到鋼筋銹蝕濃度的使用時間。故建議后續研究人員根據碼頭有限的氯離子檢測次數（3～5次）建立符合本碼頭項目氯離子擴散公式，預測混凝土氯離子濃度，為碼頭工程結構耐久性及安全提供一定的參考依據。