福建某高樁碼頭混凝土耐久性檢測與分析

王振云 福建省福州港口發(fā)展中心水運工程質量安全技術站

1.前言

高樁碼頭是目前國內外較為成熟的碼頭結構型式，在福建地區(qū)更是得到廣泛應用，處于海洋氯鹽污染環(huán)境中的海港工程鋼筋混凝土結構，尤其是處于浪濺區(qū)的上部結構易受氯鹽誘發(fā)的鋼筋腐蝕，且混凝土結構一旦受損，直接影響碼頭的耐久性，甚至是碼頭運營安全和使用年限。本文基于福建某高樁碼頭混凝土結構耐久性調查和檢測成果，開展碼頭耐久性評估（混凝土結構外觀劣化度評估和結構使用年限預測），分析影響該碼頭混凝土結構耐久性因素，并提出提高耐久性的相關措施與建議。

2.工程概況

某碼頭為3000噸級散貨泊位，采用高樁梁板式結構，碼頭平臺平面尺寸為129m×22m，樁基采用600mm×600mm預應力混凝土方樁，上部結構主要由橫梁、縱梁、軌道梁和面板組成。棧橋平面尺寸為247.8m×8m，樁基采用600mm×600mm預應力混凝土方樁，上部結構為橫梁空心大板結構。該碼頭于2010年投入使用。

該碼頭位于福建福州港閩江口，所在區(qū)域屬于亞熱帶和季風氣候，多年平均氣溫19.0℃，水域鹽度2%，多年平均風速1.8m/s，多年平均相對濕度82%，是受潮汐控制的強潮河口港，潮型為正規(guī)半日潮，平均潮差4.1m。

3.檢測結果

3.1 外觀調查

外觀調查采用目測、尺量、錘擊、攝影和錄像等方式。主要調查混凝土破損、鋼筋銹蝕引起的銹跡、裂縫、起鼓、剝落和露筋的位置、數量、寬度、長度、面積等內容，外觀調查部分現狀如圖1～圖6所示。

根據外觀調查結果，預應力方樁樁身基本完好，上部結構大部分混凝土構件基本完好，碼頭外觀主要缺陷為：部分預制面板泄水孔底部混凝土破損、露筋；預制縱梁底部混凝土破損、露筋，有銹斑；上橫梁混凝土破損，支模拉桿未處理；預制軌道梁個別邊角混凝土破損。

3.2 檢測結果

3.2.1 混凝土抗壓強度、碳化深度和鋼筋保護層厚度

混凝土抗壓強度檢測采用回彈法，并用取芯法檢測驗證，設計強度等級C40。回彈值測量完畢后，在有代表性的測區(qū)上測量碳化深度值，并根據《混凝土耐久性檢驗評定標準》（JTG/T193-2009）規(guī)定判定混凝土抗碳化性能等級。鋼筋保護層厚度采用混凝土保護層厚度測定儀檢測，并用局部破損的方法對測定儀測量結果進行校核。

圖1 縱梁梁底銹斑

圖2 縱梁混凝土破損

圖3 預制面板局部混凝土破損

圖4 預制面板混凝土破損、露筋

圖5 上橫梁鋼筋外露

圖6 上橫梁鋼筋外露

從檢測結果可知，抽檢碼頭平臺各類構件混凝土抗壓強度均滿足設計強度等級要求，鉆芯法抽檢碼頭橫梁的混凝土強度等級滿足設計要求。混凝土平均碳化深度最大值為5.5mm，符合混凝土構件抗碳化性能T-IV級要求，表明混凝土構件抗碳化性能良好。

碼頭橫梁、棧橋樁帽鋼筋保護層厚度合格率為80%及以上、最大負偏差值不大于-7.5mm（允許負偏差-5mm的1.5倍），滿足規(guī)范要求。碼頭面板鋼筋保護層厚度均超過設計及允許正偏差，合格率為0，不滿足規(guī)范要求。碼頭縱梁、碼頭軌道梁和棧橋面板鋼筋保護層合格率小于80%，且最大負偏差值大于-7.5mm，經鑿除驗證，鋼筋保護層厚度不滿足規(guī)范要求。

3.2.2 鋼筋腐蝕電位及鋼筋的腐蝕截面面積損失檢測

對外觀無明顯缺陷、無法判明混凝土內部鋼筋是否銹蝕的混凝土構件采用“半電池電位法”進行檢測。抽檢碼頭及棧橋混凝土構件各3件，實測腐蝕電位值均大于-200mV，表明檢測區(qū)域發(fā)生鋼筋銹蝕的概率小于10%。對碼頭橫梁HL12和靠船構件KCGJ20鋼筋銹蝕處周圍混凝土進行鑿除，計算鋼筋截面損失率分別為4.13%和4.31%，表明鋼筋截面損失較小。

3.2.3 混凝土中氯離子滲透擴散情況檢測

對混凝土構件由外至內每10mm取1層粉樣，共計5層，第一層樣品作為混凝土表面氯離子含量，第五層作為鋼筋表面混凝土氯離子含量。

結果表明：隨著深度的增加，氯離子含量依次遞減，各構件在鋼筋保護層厚度50mm時氯離子濃度在0.11%～0.147%之間，均小于引起混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子含量臨界值，說明誘發(fā)混凝土內部鋼筋銹蝕的可能性較小。各構件氯離子擴散系數均在海水環(huán)境混凝土抗氯離子滲透性最高限值內，說明抗氯離子滲透性能較好。

3.2.4 樁身完整性

采用反射波法對基樁進行低應變動力檢測，共檢測43根樁，其中碼頭平臺檢測33根樁，均為Ⅰ類樁，棧橋檢測10根樁，均為Ⅰ類樁，樁身完整性滿足設計要求。

4.耐久性評估

4.1 混凝土結構外觀劣化度評估

外觀劣化度評估等級分為A、B、C、D四個，從鋼筋銹蝕、裂縫、剝離剝落三個外觀檢測結果按不同構件種類開展評估。其中，外觀劣化度評估等級為C級或D級的構件應進行安全性和適用性評估。

4.2 結構使用年限預測

海水環(huán)境下，混凝土耐久性分別按鋼筋開始銹蝕（ti）、保護層銹脹開裂（tc）和功能明顯退化（td）3個階段進行評估。鋼筋混凝土結構使用年限（te）預測是3個階段的時間相加計算，即te=ti+tc+td。鋼筋混凝土結構剩余使用年限（tre）為鋼筋混凝土結構使用年限（te）減去混凝土結構自建成至檢測時已使用的時間(t0)，即tre=te-t0。

表1 主要混凝土構件缺陷一覽表

表2 混凝土強度、碳化深度及鋼筋保護層厚度檢測匯總

表3 各層氯離子含量占膠凝材料質量百分比

計算式中混凝土強度取實測值，鋼筋保護層厚度取實測最小值，混凝土表面氯離子含量及氯離子擴散系數按實測值推算，鋼筋直徑取設計值。各構件耐久性使用預測年限及剩余年限計算結果見表5。

從表中可以看出，橫梁在鋼筋的實測混凝土保護厚度66mm時，耐久性預測年限為256.38a，滿足設計使用年限50a要求。縱梁在鋼筋的實測混凝土保護厚度最小值37mm時，耐久性預測年限為42.6a，不滿足設計使用年限50a要求。

4.3 耐久性評估結論

綜合外觀調查、混凝土耐久性專項指標檢測結果以及混凝土結構使用年限預測情況，碼頭部分材料劣化度符合B級標準，耐久性不滿足設計使用年限要求，結構損傷尚不影響承載能力，應及時采取修復措施。

5.混凝土結構耐久性分析

該碼頭預應力方樁樁身外觀基本完好，均為I類樁，保持了其完整性；主要混凝土構件抗壓強度符合設計等級，混凝土碳化深度較小、有良好的抗碳化能力；抽查構件鋼筋截面損失率較小、對鋼筋性能無明顯影響，構件鋼筋腐蝕電位結果表明檢測區(qū)域發(fā)生鋼筋銹蝕的概率小于10%；構件鋼筋表面混凝土氯離子含量及氯離子擴散系數均在限值內，有良好的抗氯離子滲透能力。個別混凝土構件存在少量表觀缺陷，局部鋼筋保護層厚度不足，結構耐久性存在一定受損。

（1）該碼頭位于福建福州港閩江口（為高鹽度、高溫度、高濕度海洋地區(qū)），鋼筋混凝土結構受到波浪、風、水流、日照、二氧化碳、潮汐以及氯鹽等侵蝕的作用相對突出，是影響碼頭耐久性的主要因素。從自然水文條件調查來看，該碼頭地理位置優(yōu)越，周圍島嶼的屏障保護有效避免了風浪襲擊、減弱了物理損傷，但受潮位影響顯著，長期在強勁的潮汐作用下，加速了有害介質侵入混凝土內部的速率，推算出的構件氯離子擴散系數數值較接近最高限值。水體中的鹽度較小，侵蝕性鹽含量較低、減弱了化學損傷，實測混凝土中氯離子含量尚未達到侵蝕破壞鋼筋混凝土臨界值。

（2）橫梁混凝土澆筑后，多處支模拉桿未拆除、暴露在混凝土表面，外露拉桿銹蝕后會導致混凝土內部鋼筋的銹蝕，降低了鋼筋本身的抗拉強度以及鋼筋與混凝土之間的粘結力，會引起混凝土脹裂，使結構過早產生局部破壞，對工程的結構安全和耐久性有直接影響。

（3）不重視鋼筋保護層相關工序的隱蔽驗收，施工過程質量控制不嚴，導致部分混凝土結構鋼筋保護層厚度偏差超過規(guī)范允許值。碼頭縱梁、碼頭軌道梁和棧橋面板鋼筋保護層厚度不足，雖然構件混凝土達到強度且密實，但仍導致鋼筋的保護標準降低，抗氯離子滲透的路徑縮短，鋼筋銹蝕膨脹使保護層破壞，外觀普查中也發(fā)現個別縱梁底部出現銹斑。碼頭面板鋼筋保護層厚度過厚，會造成混凝土受壓區(qū)面積減小，使結構承載力下降、受拉區(qū)混凝土表面開裂機率增加，嚴重時可直接引起結構破壞。

表4 外觀劣化度評估一覽表

表5 混凝土構件耐久性使用預測年限及剩余年限

（4）混凝土成品保護不足，外觀普查中ZL20-A被碰撞損傷，破損面積約2m2、露筋10處個，但修補質量達不到要求，會降低局部混凝土強度、鋼筋保護層厚度減小，造成結構破壞，影響混凝土結構耐久性及使用壽命。

6.建議

6.1 耐久性檢測評估等級為B級且修補后目標使用年限不大于10a時

耐久性檢測評估等級為B級且修補后目標使用年限不大于10a時，應根據混凝土結構破損情況分類進行修補。

（1）橫梁支模拉桿孔應進行鉆孔切割處理，切割深度滿足保護層厚度要求，修補處混凝土應保證強度和密實滿足要求。

（2）混凝土局部破損、露筋的構件，應鑿除破損部位松散混凝土，選用立模澆注混凝土、噴射混凝土或聚合物水泥砂漿進行填充修補，恢復構件原斷面。

（3）鋼筋保護層厚度不足的構件，可對構件整個混凝土表面采取硅烷浸漬或涂覆混凝土表面涂層進行防護。

6.2 使用單位對修補后的混凝土結構目標使用年限要求較長時（大于15a）

使用單位對修補后的混凝土結構目標使用年限要求較長時（大于15a），可根據腐蝕程度對混凝土結構采取電化學脫鹽，使混凝土中已存在的氯離子在電場作用下遷移出混凝土保護層，降低混凝土內的有害氯離子濃度；或采取外加電流陰極保護措施，以抑制鋼筋表面形成腐蝕電池使鋼筋得到有效保護。

6.3 使用單位應定期跟蹤檢查經修補或加固的鋼筋混凝土結構

破損修補的每2年至少檢查一次，加固的每年至少檢查一次，如發(fā)現異常及時分析原因，采取有效的防腐蝕措施、延長其使用壽命。