某輸煤碼頭混凝土構件腐蝕原因分析及維護對策

◎ 徐寧 楊恒 南京水利科學研究院

某輸煤碼頭為高樁梁板式結構，建于1990年，由于當時耐久性設計標準較低、長期環境侵蝕、荷載反復作用等因素影響，經多年運營后，普遍存在不同程度的缺損（如裂縫、空鼓、局部脹裂脫落等），嚴重威脅結構安全，影響輸煤碼頭的正常使用和生產運營，亟需對存在破損的構件進行修復加固處理，以確保輸煤碼頭在剩余使用年限內能繼續發揮其預定功能。

現針對海港碼頭腐蝕破損修復常采用聚合物砂漿局部修復[1-2]、粘貼碳纖維布[3-5]、裂縫封閉[6-8]等修復措施，對延緩結構進一步劣化起到了一定的成效，然海港碼頭因其常遭受鹽污染，局部鑿除時尚不能完全清除混凝土內的氯離子，致使在局部修復很短的時間內構件會再次開裂，因此針對不同構件腐蝕程度及其特征，研究并應用安全可靠、經濟合理、切實可行的修復加固方案具有重要的意義。

本文以某輸煤碼頭水工結構修復為例，探討了不同腐蝕程度構件的修復方法、施工工藝等，為類似項目提供參考。

1.工程概況

某輸煤碼頭一期碼頭長274m，寬32m，分4個結構段，平臺排架間距為10.5m，共28 榀，碼頭面標高8.00m（吳淞零點，下同）。碼頭采用高樁梁板結構型式，排架基礎采用Φ1200mmA1型預應力混凝土大直徑管樁，壁厚130mm，每榀排架布置10根樁，其中縱橫向叉樁各2對。平臺上部結構采用現澆樁帽節點，預制橫梁、預制后張法預應力軌道梁。預制橫梁上預制安裝T型板和π型板，并在其上現澆上橫梁和面層。樁帽之間加設水平剪刀撐。

2019年檢測結果表明：碼頭上部構件存在由于鋼筋銹蝕引起的裂縫、脫空以及脫落露筋等類型的局部破損，但不同構件類型破損的嚴重程度不同，其中面板與剪刀撐局部破損最為嚴重、軌道梁、橫梁與縱梁相對較輕。各類構件的腐蝕特征及原因分析如下：

（1）面板主要因耐久性設計標準較低，設計鋼筋保護層厚度較小，加之施工質量原因局部偏筋，導致偏筋處鋼筋腐蝕，造成局部破損，面板所處的標高較高，完好處混凝土內氯離子含量較低。

（2）橫梁腐蝕程度較輕，混凝土表層氯離子含量較高，但鋼筋周邊氯離子含量尚未達到臨界氯離子濃度。

（3）軌道梁為預應力構件，混凝土強度及質量均較高，所處的標高較高，僅局部保護層較小處局部破損。

（4）縱梁與軌道梁處于同一標高，因其混凝土抗氯離子滲透性能劣于軌道梁，經長期鹽污染，混凝土內氯離子含量較高，雖現腐蝕狀況尚輕，但其內部鋼筋已呈現腐蝕傾向，需及時采取措施。

（5）剪刀撐所處的標高較低，遭受鹽腐蝕程度最重，混凝土內氯離子含量高，需及時采取措施。

綜上，該輸煤碼頭構件腐蝕呈現典型的氯鹽腐蝕特征，標高低、混凝土質量差、保護層厚度小的構件腐蝕程度重，所處標高高、混凝土質量好、保護層厚度大的構件腐蝕程度相對較輕。海洋環境混凝土中鋼筋的腐蝕過程一般分為孕育、發展期、破壞與危害期四個階段，孕育期，時間較長，腐蝕進程較慢；一旦達到腐蝕發展期，后腐蝕加顯著加劇，數年內即可從可見裂縫發展至保護層普遍銹脹、剝落破壞，需及時采取措施，避免鋼筋腐蝕造成結構區域性破壞，致使結構不能安全使用。因此，該輸煤碼頭須及時進行維護修復處理。

2.維護對策

針對不同構件的破損程度、腐蝕原因及特征，采取不同的維護對策，各類構件的維護修復措施見表1。

表1 各類構件維護修復措施一覽表

3.修復方案與施工工藝

3.1 措施1：聚合物砂漿局部修補+防腐涂層封閉

面板采用聚合物砂漿局部修補（局部鑿除+除銹+聚合物水泥砂漿修補）+防腐涂層封閉的修復措施。維修處理一般分兩步進行，首先對腐蝕破壞和隱患區域進行局部鑿除及修補處理，其后進行全面封閉處理。具體修復施工工藝為：

1）局部鑿除：凡是出現銹跡、裂縫、脫空、層裂、空鼓等現象的混凝土必須全部鑿除，必要時可擴大鑿除范圍。對于混凝土結構脹裂產生的裂縫，應當對裂縫位置進行鑿槽，槽寬不小于3cm，對于空鼓開裂廣度上應鑿除混凝土至兩端各露出5cm以上的未銹鋼筋段，深度上將鋼筋背后1～3cm的混凝土鑿除（屆時可根據現場構件混凝土內鋼筋腐蝕電位及鋼筋周圍氯離子含量確定）。鑿除后必須徹底清除已松動的混凝土或砂石等，并用淡水清洗處理。鑿除面應保證修補面粗糙，不平整度應大于3cm。

2）鋼筋補強、除銹：對于鋼筋銹斷或鋼筋截面損失較多的，需進行補強，其原則是：對補強的主筋，用同徑同質的鋼筋搭焊。背面已銹蝕鋼筋，需全面更換；若單梁底面所有主筋均嚴重銹蝕，需全面換筋補強時，應采取交叉更換方式，全過程控制相應部分碼頭面上的使用荷載，須卸載作業。

對已出現腐蝕的鋼筋，需要除銹，除銹等級應達到St2級。

3）鋼筋涂刷阻銹劑：對處理過的鋼筋，涂刷鋼筋混凝土阻銹劑。

4）基面處理：為保證修補加固效果，在聚合物砂漿修復前涂刷混凝土界面劑進行界面處理，以保證修補加固砂漿與基材可靠粘接。

5）聚合物砂漿修復：聚合物砂漿按推薦配比進行攪拌，材料須攪拌均勻，砂漿隨拌隨用，不可一次攪拌過多，每次拌料宜在產品說明使用期內用完。分層抹壓修復砂漿，修復至原斷面，并進行及時養護。

6）防腐涂層封閉：聚合物砂漿修復養護后，采用海工重防腐涂料進行涂層封閉處理，涂層系統為底漆+中間漆+面漆，涂層厚度≮280μm。進行涂裝前需進行構件表面處理并嚴格控制表面含水率，以保證涂層涂裝質量，涂裝后進行涂層厚度及附著力的測試，以確保防腐封閉效果。

3.2 措施2：聚合物砂漿局部修補+點狀犧牲陽極保護+防腐涂層封閉

軌道梁、橫梁采用聚合物砂漿局部修補+點狀犧牲陽極保護+防腐涂層封閉的修復措施。

1）聚合物砂漿局部修復及防腐涂層封閉的施工工藝與面板修復工藝相同。為消除修補區與含鹽未修補區之間局部“陽極環”效應，在修補區布設點狀犧牲陽極，具體修復工藝為：

①按常規修補方式，局部鑿除混凝土，清除鋼筋附近和鋼筋背后的銹蝕產物及松散的混凝土。犧牲陽極安裝部位盡可能利用鑿除區域深度較深的部位，必要時加深鑿除；② 將修補區外露的鋼筋全面除銹；③利用陽極本體的鋼絲牢固地將陽極捆綁或焊接在適當位置。如果陽極只捆在一根鋼筋上，或只有少于25mm的保護層（由混凝土的表面計），應將陽極安裝在鋼筋下方。如果有充足的保護層，陽極可安裝在兩根鋼筋之間的交叉點，并在每邊捆上；④ 安裝完畢后，應檢查陽極導線與鋼筋之間的電阻，確保兩者之間的電阻小于5Ω；⑤ 對安裝犧牲陽極的混凝土構件進行局部修補時，必須采用與犧牲陽極相匹配的修補與界面材料。⑥ 修補材料的電阻率應小于15000Ω·cm。含有大量聚合物或硅灰的產品不能使用。若使用界面劑材料，則界面劑應具有適合的的導電性能。不應使用絕緣材料，如環氧類界面劑等；⑦ 進行局部修補時，應避免在犧牲陽極附近留下任何空隙。

圖1 局部修復前外觀

圖2 聚合物砂漿修復后外觀

圖3 混凝土結構犧牲陽極陰極保護及實際工程應用示意圖

圖4 外加電流陰極保護系統示意圖

2）施工要點及注意事項：①盡量安裝在修補區周邊，以消除“環陽極”效應；②如需要保護大面積修復區，相鄰兩個陽極塊距離控制在80cm之內，且分布均勻。

本修復方法可以消除修補處新舊混凝土內鋼筋的電位差，消除環陽極效應，延長使用年限。

3.3 措施3：聚合物砂漿局部修補+外加電流陰極保護+防腐涂層封閉

縱梁、剪刀撐采用聚合物砂漿局部修補+外加電流陰極保護+防腐涂層封閉的修復措施。

外加電流陰極保護是以直流電源的正極接通陽極，發射電流進行直接保護。以其負極接通被保護的鋼筋，而陽極與鋼筋均處于電解質中，使被保護的鋼筋接觸電解質的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護。

本次外加電流系統主要包括陽極系統、供電系統、測量系統。陽極系統為鈦基金屬氧化物網狀陽極（輔助陽極），參比電極為ERE20和鈦基金屬氧化物電極，陰極為鋼筋，供電電源為可遠程調控的恒電位儀，本次采用了遠程數據監控設備，可以實現遠距離實時監測和控制。

4.修復效果

按上述修復方案進行現場實施，修復后各類構件外觀狀況良好；軌道梁、橫梁犧牲陽極布設區域內鋼筋極化大于100mV，達到預定的保護效果；縱梁、剪刀撐采用外加電流陰極保護后，監測系統反饋結果表明，鋼筋極化電位均大于100mV，鋼筋腐蝕受到抑制。

5.結語

（1）某輸煤碼頭混凝土構件因耐久性設計標準較低、長期環境侵蝕、荷載反復作用等因素影響，普遍存在不同程度的缺損，影響碼頭長期的安全運行，須及時進行維護修復處理。

（2）通過工程實踐表明，采用聚合物砂漿局部修補+防腐涂層封閉的常規修復措施，根據構件腐蝕程度及特征附加犧牲陽極陰極保護或外加電流陰極保護等附加措施，是鋼筋混凝土結構修復的有效方法之一，可供類似工程參考借鑒。

（3）在實際工程中應根據不同構件的腐蝕現狀、腐蝕特征、實際工況、施工條件、使用要求及經濟適用性等選擇合理的修復方案，以確保工程安全可靠、經濟合理的使用維護要求。