珠海電廠重件碼頭樁基裂縫原因分析及修補策略

陳永福 廣東省能源集團有限公司珠海發電廠

1.工程概況

某電廠重件碼頭工程建成于1996年，碼頭結構為高樁無梁板式結構，由一個工作平臺，兩個引橋組成，其中工作平臺長104.04m，寬24m，引橋長37m，寬15.9m。碼頭底部基樁共242根，均采用600×600mm的C40預應力混凝土空心方樁，內配為3000T級重件碼頭。碼頭主要功能是負責電廠新裝機組的大型設備的裝卸，僅在1998～1999年及2004～2005年期間滿負荷使用，其余時間主要為1000T級的散貨船裝卸。碼頭建成一直未進行維護，長期以來就形成了裂縫，綜合看這些裂縫，大小、形狀各不相同，出現的先后順序也不相同，這不僅嚴重影響了整個高樁碼頭的外觀美感，同時對碼頭發熱耐久性和安全性也產生一定威脅。

2.珠海電廠重件碼頭樁基裂縫現狀

在早期檢查，已發現部分構件發生明顯的銹蝕開裂，尤其基樁最為明顯。在2011年委托檢測公司對碼頭結構進行檢測評估，在242根基樁中，119根樁有較明顯的豎向裂縫發生，大部分裂縫處存在銹跡現象，部分基樁有大面積銹蝕網狀裂縫，局部有混凝土破損、脫落、鋼筋外露等缺陷，其中34.7%的基樁的劣化等級為C，14.5%的基樁的劣化等級為D，構件劣化嚴重。主要集中在樁帽底下到最低潮位之間。采用直接觀測法檢測鋼筋剩余截面面積，在抽檢構件中，鋼筋截面面積損失率最大值是34.9%，平均截面損失率均在30%左右，鋼筋混凝土保護層因銹脹被破壞甚至裸露的鋼筋截面面積損失嚴重。2018年委托設計院進行檢測及修補設計，情況更為嚴重。水下的基樁未出現明顯的裂紋，樁帽及面板破壞較少。

碼頭現有方樁主筋為8根直徑25mm和16mm的冷拉Ⅲ鋼筋，考慮基樁鋼筋截面損失率為30%，經計算其結構抗拔承載力為1139KN，抗拔不能滿足要求。

基樁腐蝕破壞已經對碼頭結構承載力產生了明顯的影響，基樁抗拔承載力已經不能滿足原設計要求。碼頭結構安全性分析按最不利情況考慮，本碼頭結構構件的抗力和作用效應組合設計值Rd/Sd=1139/1213=0.94，根據《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》(JTJ302-2006)，綜合各項檢測及結構驗算結果分析，本碼頭結構安全性評估綜合等級為C級，基樁結構的安全性不符合國家有關標準要求，顯著影響承載能力，需及時進行修復、補強。

3.珠海電廠重件碼頭樁基損壞特點及原因分析

從碼頭的檢測情況可以看到，重件碼頭損壞特點主要是：

（1）基樁損壞嚴重，鋼筋平均腐蝕達到30%以上，嚴重影響結構安全，而碼頭其他結構損壞很小。基樁損壞的部位主要是水位變動區及浪濺區，水下基樁未發現明顯裂縫。

（2）從基樁受損裂縫外觀特征看，都為順筋裂縫，部分多條順筋裂縫組成大面積的網狀裂縫，已造成保護層嚴重脫落。

從重件碼頭損壞特點可以看到主要由于海水中的CL-離子通過微小通道進行滲透，破壞了鋼筋表面在混凝土中的堿性環境生成的鈍化膜，為鋼筋的氧化腐蝕提供條件，鋼筋氧化膨脹加速混凝土裂縫發展，使鋼筋腐蝕加劇。引起基樁相對其他構件損壞嚴重主要有以下原因：

（1）本碼頭建成于上世紀90年代，是按《港口工程技術規范（1987版）》標準設計及施工，局限于當時碼頭混凝土耐久性的技術及經驗，碼頭基樁采用預應力混凝土空心方樁，混凝土設計保護層偏小，混凝土強度也不太高，不能有效隔絕海水中的CL-離子的侵蝕，根據檢測基樁中混凝土中不同深度的氯離子濃度分布試驗，詳見下表，氯離子濃度隨著混凝土中深度的增加而逐漸降低。

表1 混凝土構件氯離子濃度分布情況檢測成果表

（2）根據《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》（JTJ302-2006）規定浪濺區鋼筋銹蝕臨界濃度值為0.35%，水位變動區為0.55%（占膠凝材料質量百分率），膠凝材料與混凝土質量比為1:6.03計算，則混凝土中鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度可換算為水位變動區、浪濺區0.06%～0.09%（以混凝土質量百分含量計）。在浪濺區及水位變動區，樁氯離子含量在鋼筋位置周圍實測的濃度遠大于0.06%，氯離子含量已大于致使鋼筋銹蝕的臨界含量值，氯離子侵蝕比較嚴重，產生了順筋裂縫。從混凝土構件氯離子濃度分布情況檢測成果表，可以看到，基樁的表面氯離子濃度是高的，是最易受到氯離子侵蝕的區域。本碼頭的基樁的沉樁采用錘擊方式，在擊打過程中，基樁在離樁頭臨近的區域最可能存微小裂縫，而且這區域剛好處于水位變動、浪濺區最不利的位置，加速了氯離子的侵蝕。

4.珠海電廠重件碼頭樁基的結構修復與加固

根據碼頭的損壞檢測，需要對碼頭進行修復與加固，以達到修復后能恢復到結構安全性評估綜合等級B級及以上修補的目的。針對根據基樁的損壞情況，采取以下修復措施。

4.1 裂縫修補

①靜止裂縫修補。裂縫寬度0.2mm～5mm的裂縫采用化學灌漿法進行修補。

②銹脹裂縫修補。裂縫寬度＞5mm或裂縫表面存在明顯銹跡的裂縫采用環氧砂漿修補。鑿除表面混凝土后，如發現鋼筋截面面積明顯減少，減少的截面積超過10%時，必須更換鋼筋。

③網狀裂縫、混凝土脫落。鑿除網狀裂縫及混凝土脫落處的混凝土保護層，對鋼筋進行除銹或更換、補焊鋼筋，采用聚合物砂漿修補。

4.2 耐久性修復

①對碼頭基樁及樁帽、現澆梁板等混凝土構件進行修補后，再在混凝土表面進行采用異丁烯三乙氧基硅烷單體浸漬硅烷法防腐保護處理，能有效隔離海水滲入混凝土內部。

②樁基在潮水變動、浪濺區的部分，采用粘貼碳纖維布加固防護，碳纖維布沿樁身橫向分2層包裹粘貼。粘接纖維復合材料的膠粘劑采用專門配制的改性環氧樹脂膠粘劑A級膠，最外層纖維布外表面進行涂刷漆進行表面防護。

③在部分樁身用環氧樹脂膠粘劑粘貼碳纖維布包纏，雖不能提高整個樁的抗壓、拔承載力，但可與粘貼的混凝土的協同作用，如同管箍作用，可以抵抗鋼筋銹脹產生的拉應力，抑制裂縫的產生，約束裂縫的開展。同時碳纖維與粘結劑在樁表面包裹形成一個保護層，可以封閉混凝土面的所有通道，完成隔絕海水CL離子、水氣及氧氣的供應，有效減緩鋼筋繼續腐蝕，從而提高樁的耐久性。

5.結論

海港高樁碼頭因其結構特點及所處的惡劣環境，早期（運營10～20年以上）的高樁碼頭因耐久性設計不足，都出現不同程度的因CL-離子侵蝕造成損壞，破壞較嚴重主要集中水位變動、浪濺區范圍結構，對這類碼頭需定時進行檢測，及時發現問題，盡早處理，才能保證碼頭的運營安全，而且大幅減少修復的費用。此外，對于在水位變動、浪濺區范圍破壞較嚴重的結構，采取環氧樹脂膠粘劑粘貼碳纖維布包纏是非常有效的修復，碼頭在2018年修復后，已在碼頭裝卸過發電機350噸的定子，在2020年檢測時，外觀檢測未發現樁基有破損及銹斑，證明采用碳纖維修復是可以有效提高鋼筋混凝土防護CL-離子的侵蝕，從而提高碼頭的耐久性和安全性。