淺談水運工程建筑物混凝土耐久性檢測與評估

楊蘇楠 掌東升 中交第三航務工程勘察設計院有限公司

我國現今仍在服役的很多老碼頭等水工建筑物，始建于八、九十年代甚至更早，已經達到或超過設計使用年限，建筑物材料出現劣化、功能降低等現象，其耐久性和剩余使用年限逐漸成為業主或使用部門關注的焦點。現今，混凝土耐久性檢測的方法主要有：結構的外觀劣化度探摸、混凝土中氯離子含量和滲透擴散、碳化的深度、抗壓強度、保護層的厚度、鋼筋腐蝕電位等。通過以上多種檢測手段進而對碼頭進行耐久性評估推算其剩余使用年限，并為碼頭的安全運營、維護、加固改造提供可靠的科學數據支持。

1.混凝土結構耐久性評估的一般要求

水運工程混凝土結構不同于陸域房屋建筑類結構，往往是臨水建筑，其自然環境具有特殊性，具有更強的腐蝕性，對構筑物的耐腐蝕性也提出了更高的要求。根據所處水環境的不同對混凝土結構又進一步的進行了劃分，對于海水環境，按設計水位或天文潮位劃分，可分為：浪濺、水位變動、水下和大氣區；對于淡水環境，按設計水位劃分，可分為：水上、水位變動和水下區。不同的區域其腐蝕條件也明顯不同，在對混凝土耐久性進行檢測時應注意區別。

2.工程環境信息的調查與收集

（1）潮汐、水溫、濕度和其他侵蝕介質等，海水環境混凝土結構腐蝕介質調查內容還應包括海水中氯離子含量。

（2）工程情況的調查內容還應包括原勘察設計文件和竣工資料、構筑物檢查和維護資料以及耐久性檢查檢測記錄等，對于碼頭在使用過程中是否存在升級改造及海損事故等情況也應做到充分的了解。

3.混凝土鋼筋銹蝕劣化耐久性檢測

（1）水工建筑物外觀檢測應包括：混凝土破損、露筋、露石、剝落、蜂窩麻面等。

外觀檢測人員一般通過船只到達被測結構附近，采用目測、記錄、拍照、測量等手段進行檢測，其中測量儀器主要有鋼卷尺、裂縫觀測儀、塞尺、卡尺等。在檢測過程中應重點觀察結構受力較為集中的部位，如縱梁跨中、基樁與橫梁的節點等，在構筑物服役期間，隨年限的增加或外力作用，受力集中的部分往往首先產生損傷。

在檢測過程中應仔細觀察混凝土的表面是否有裂縫、剝落、露筋、銹脹等情況，其中，裂縫是最為常見的損傷形式，應記錄裂縫的寬度、長度、深度、位置、走向、表面狀態等信息，裂縫寬度一般采用裂縫觀測儀進行測量，選取目測裂縫最寬的三個位置分別進行測量，取最大值作為裂縫的寬度代表值，裂縫深度一般取一類構件的典型裂縫進行抽檢，采用超聲波或取芯等方法。留意觀察裂縫的走向是否為順筋裂縫，裂縫部位是否屬于高應力部位，初步判斷裂縫的產生原因是結構受力還是鋼筋銹脹或其他原因并予以記錄。對于剝落、破損、露筋等損傷應記錄其位置、外觀尺寸、表面狀態等信息。對于所有損傷建議進行筆錄和拍照，以備后期追述。

通過現場檢測的信息，對各類構件分別按受損程度進行外觀劣化度分級，分為A、B、C、D四級。一般A、B級為完好或基本完好，C級需要立即進行修復加固，而D級為嚴重損傷必須修復加固或報廢。

（2）水工建筑物耐久性專項檢測除上述的檢測方法外，尚應考慮以下內容：

各檢測方法均為抽樣檢測，應選取具有代表性的典型構件并符合隨機、均勻的原則進行抽樣，對于氯離子和腐蝕電位還應該考慮水環境對大氣區、浪濺區、水位變動區分別進行取樣。取樣數量按相關規范要求執行。

通過以上各參數的檢測，可以了解混凝土腐蝕條件下的強度是否滿足原設計要求，碳化深度在鋼筋保護層中的腐蝕深度，不同區域鋼筋腐蝕的概率，表層氯離子含量和擴散系數等，進而綜合評估耐久性等級和剩余使用年限。

4.混凝土剩余使用年限的預測與計算

4.1 海水環境下氯鹽引起鋼筋銹蝕劣化的使用年限預測

一般來說設計使用年限是指從始建之日起到混凝土出現0.3mm順筋裂縫的時間。

（1）常見鋼筋混凝土結構應按式（4.1-1）計算

（2）對于常見的非預應力鋼筋混凝土水工結構，其氯鹽引起鋼筋銹蝕劣化的結構剩余使用年限是指從澆筑至鋼筋截面損失至原截面0.9倍所經歷的計算使用年限，減去建成至檢測時所經歷的時間，即可大致估算其剩余時間。

上式中“CS混凝土表面氯離子含量”和“D氯離子有效擴散系數”兩個關鍵計算參數需要通過現場取樣和室內試驗來計算取得。其中：混凝土表面氯離子含量是通過現場鉆取具有代表性的混凝土粉末，并于試驗室中采用硝酸銀、鉻酸鉀、氯化鈉等溶液進行一系列化學試驗計算得出；氯離子實測擴散系數需現場鉆取混凝土芯樣制作成直徑100mm厚度100mm的試件，然后在實驗室中采用電遷移法用氯離子擴散系數測定儀和測量計算得出。

需注意的是，除抽樣數量滿足相關規范要求外，應在現場取樣時記錄取樣的結構位置、結構名稱、所處水環境情況、混凝土種類、配合比、項目所在地理位置等信息。因為在后續的計算中諸多參數需要考慮各種環境條件來進行選取。

混凝土的結構使用年限受自身設計參數、自然環境、防腐措施、維護保養等很多因素的影響。氯離子滲入混凝土導致鋼筋銹蝕是海水環境的主要腐蝕破壞形式，而處于水位變動區和浪濺區部位由于干濕交替加劇了腐蝕的速度，是結構最嚴重的的腐蝕部位，因此也就成為耐久性檢測時應予重點考慮的對象。

4.2 碳化引起鋼筋銹蝕劣化的鋼筋混凝土使用年限預測

淡水環境混凝土耐久性主要受到水流沖刷、大氣中腐蝕氣體等的影響。混凝土碳化腐蝕主要取決于CO2、H2O、O2的供給程度。當相對濕度小于60%的水上區，由于缺少水的參與，鋼筋的銹蝕較難發生；當結構處于水下區，由于缺少與CO2的接觸，碳化速度也會很緩慢；只有相對濕度較大的水位變動區，碳化銹蝕最容易發生。

混凝土碳化引起鋼筋銹蝕劣化的結構使用年限預測應為自檢測時刻起至鋼筋開始銹蝕的剩余年限。一般可采用已有的碳化模型、校準碳化模型或實測碳化模型的方法進行推定。其步驟如下：

首先，將實測的鋼筋保護層厚度代入選定的碳化模型計算碳化達到鋼筋表面所需要的的時間。

其次，由計算得出的碳化到達鋼筋表面的時間減去自建成至檢測時已使用的時間即為預測的剩余使用年限。

關于碳化模型國內外專家學者提出了多種碳化深度預測模型。例如：Nishi模型、朱安民模型、牛荻濤模型、張海燕模型等等。目前認可度較高的實測碳化模型公式為（4.2-1）

式中D——實測碳化深度（mm）；

kc——碳化系數（mm2/a）;

t——時間（a）。

在實測的檢驗中，各碳化模型均有不同程度的偏差，應根據實際情況通過實測比對后選擇使用。

5.結束語

水運工程建筑物耐久性檢測與評估已經是一項重要的全壽命技術指標，其可以指導日常生產、維護與保養，也是改造加固的重要技術數據支撐。水工建筑物結構形式多樣，受環境影響復雜，檢測與評估工作專業性強、技術要求高，需要從業人員具有大量專業技術知識和豐富的工作經驗與數據積累，才能在檢測過程中根據被測結構的特點選擇相適應的檢測方法，在評估計算時能夠選擇正確的計算參數和模型，綜合全面的進行評估。