碼頭水工建筑物結(jié)構(gòu)耐久性研究及健康監(jiān)測

李 燦

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103）

1 影響水工建筑物結(jié)構(gòu)耐久性的因素

1.1 工作環(huán)境

化學(xué)傷害、混凝土碳化等因素會導(dǎo)致水工建筑結(jié)構(gòu)耐久性的降低。依據(jù)工作的環(huán)境科學(xué)地對混凝土結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造和原材料等方面進(jìn)行選擇，把控好混凝土施工的過程，確保施工質(zhì)量，達(dá)到提升水工建筑物結(jié)構(gòu)的耐久性。主要對建筑物結(jié)構(gòu)所處地區(qū)的水文地質(zhì)條件等環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合相關(guān)規(guī)定，確定建筑物工作環(huán)境的類別，為后續(xù)的各項工作提供重要依據(jù)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過研究表明，對建筑物的結(jié)構(gòu)及尺寸等進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計與調(diào)整，對水工建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，特別是耐久性具有一定的影響。依據(jù)地基基本承載能力、荷載分布等因素設(shè)立永久縫，可以有效預(yù)防水工建筑結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。合理設(shè)計鋼筋保護(hù)層的厚度，有效的提升水工建筑結(jié)構(gòu)的耐久性能。確定了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級后，在綜合多方面因素后設(shè)計出鋼筋保護(hù)層的厚度，厚度的設(shè)計要滿足建筑物結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)技術(shù)要求。

1.3 材料及施工質(zhì)量

在施工的過程中，如果對混凝土的配比出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，會使混凝土的質(zhì)量嚴(yán)重下降，容易出現(xiàn)裂縫，影響施工進(jìn)程。原材料包括膠凝材料、骨料、外加劑等。在膠凝材料的選擇上，碼頭的水工建筑物處于經(jīng)常受水流沖刷，會經(jīng)歷寒冷惡劣氣候的區(qū)域，適合選用高強(qiáng)度的中、低熱水泥。選擇清潔程度高、質(zhì)地堅硬、質(zhì)量較高的骨料會對水工建筑物的抗耐性產(chǎn)生重大影響。各種原材料在使用之前都應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)密檢查，合格后方可投入使用。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估方法及評估指標(biāo)

2.1 耐久性的評估方法

2.1.1 劣化速度法

劣化速度法是一種用來估計建筑物壽命的方法，基于實際測試數(shù)據(jù)，通過分析建筑物在使用中的損壞速率，預(yù)測建筑物將來可能出現(xiàn)損壞的時間點，用耐久性系數(shù)K’n來表示K’n=Ts/Tm，其中Ts為實際剩余耐久年限；Tm為目標(biāo)使用年限。建筑結(jié)構(gòu)物在自然環(huán)境下，當(dāng)其一半以上結(jié)構(gòu)物面積處于影響耐久性的腐蝕狀態(tài)，且通過維修及部分更換也無法恢復(fù)設(shè)定的工作性能時，就認(rèn)為達(dá)到了耐久性的極限，剩余耐久年限就是到達(dá)了這種極限所剩余的時間。

2.1.2 劣化度法

劣化度法是根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中的劣化程度評估其耐久性的狀況。這種方法主要通過對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，獲取樣本數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析，得出混凝土建筑的劣化速率，用剩余耐久系數(shù)Kh來表示，即Kh=Ts/Tc，其中Tc為設(shè)計壽命。這種評估方法實際上反映了建筑物目前耐久性的狀態(tài)，是對建筑物破損狀態(tài)的評估。

以上兩種對建筑物耐久性評估的方法在實際應(yīng)用中，可以按照自身的情況選擇評估方法。

2.2 耐久性的評估指標(biāo)

水工建筑物結(jié)構(gòu)耐久性的評估指標(biāo)主要有混凝土碳化、裂縫、凍融、地基損壞及其他因素。主要對前兩種指標(biāo)進(jìn)行分析。一是混凝土碳化。為了了解碳化對建筑物耐久性的影響，可以使用如下的評估方法：定義Kx=1-0.9（Dmax/R）2；其中Kx為劣化系數(shù)，R為混凝土保護(hù)層厚度，mm；Dmax為最大碳化深度，mm。二是裂縫。裂縫的出現(xiàn)會導(dǎo)致鋼筋腐蝕速度的加劇，各種氣體及水分會通過裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部并發(fā)生碳化反應(yīng)。碼頭水工建筑物所處的自然環(huán)境相對較復(fù)雜，裂縫的存在將導(dǎo)致建筑物內(nèi)外水分和滲漏沿著裂縫進(jìn)入建筑物的內(nèi)部，從而引起腐蝕和損傷；還可能使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受損，減少建筑物的抗震及承載能力。

碼頭水工建筑物所在的自然環(huán)境比較復(fù)雜，與水接觸的面積較大。一旦開裂達(dá)到一定程度，就會加快鋼筋的腐蝕速度，影響建筑的安全和使用壽命。研究表明，裂縫的寬度對建筑結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響。

3 提高混凝土耐久性有效措施

3.1 使用高性能混凝土提高建筑物耐久性

抵抗海水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性，專家建議可選擇高效外加劑與粉體技術(shù)來提高混凝土的性能。研究表明，選用在混凝土中加入大摻量磨細(xì)礦渣粉的技術(shù)，可以有效提升水工混凝土建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。礦渣粉可以有效提升混凝土的綜合性能，有效延緩混凝土內(nèi)Cl-的滲透性，一定程度上保護(hù)鋼筋免受腐蝕的作用。為了提高碼頭水工建筑結(jié)構(gòu)的耐久性可以選用大摻量磨細(xì)礦渣粉混凝土技術(shù)。

3.2 提高水工建筑物耐久性的其他措施

一是增加混凝土保護(hù)層厚度。經(jīng)研究表明，在其他外在條件相同的情況下，混凝土保護(hù)層的厚度增加時，混凝土耐碳化年限會升高；有效推遲鋼筋失鈍的時間。由此可知，可以通過增加混凝土保護(hù)層的厚度來提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。二是控制建筑物的沉降量。碼頭水工建筑由于建立在淤泥較厚的軟基上，比較容易出現(xiàn)大幅度沉降及沉降不均勻的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象容易使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致鋼筋結(jié)構(gòu)的腐蝕程度加劇。在具體的施工過程中，可以建立合理的地基設(shè)計方案與施工技術(shù)，確保地基的穩(wěn)定性和均勻性，采用加固或加厚地基的方法，以提高地基的承載力和抗沉降能力。三是強(qiáng)化混凝土養(yǎng)護(hù)。通過工程實踐對比發(fā)現(xiàn)，對建筑物進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)可以有效減少裂縫的產(chǎn)生。由于混凝土結(jié)構(gòu)位于碼頭，海風(fēng)比較大，長時間的風(fēng)吹容易使一些保養(yǎng)不到位的部位出現(xiàn)裂縫。

4 水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

4.1 健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

為了對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，可以在建筑物的節(jié)點上安裝能夠檢測到信號的傳感器節(jié)點。通過傳感器節(jié)點對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過對數(shù)據(jù)的分析可以有效反映出該建筑物結(jié)構(gòu)的健康狀況。數(shù)據(jù)采集完成后，需要通過無線通信將數(shù)據(jù)回傳給匯聚節(jié)點，通過對基站接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，從而實現(xiàn)對建筑物結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測。

4.2 建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由傳感器節(jié)點及匯聚節(jié)點構(gòu)成。傳感器由ADXL202 雙軸加速度傳感器、NRF24L01無線收發(fā)器及MSP430F149 單片機(jī)構(gòu)成。ADXL202 使用低電壓供電，能量消耗少，工作電流較小，可以抵抗1 000 g 的沖擊。NRF24L01 無線收發(fā)器具有電流能耗較低、頻率范圍較大等特點。MSP430F149 單片機(jī)是一種能耗較低的混合信號處理器，電壓使用1.8-3.6 V 低電壓。匯聚節(jié)點由微處理器、無線收發(fā)、電源三個模塊構(gòu)成。匯聚節(jié)點需要長期的電源支持，可以使用外接交流電和鋰電池共同工作的供電設(shè)計。

4.3 建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在保證安全的情況下，可以使用停等協(xié)議及16位冗余校驗碼（CRC-16），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送時差錯的校驗。在系統(tǒng)最前端工作的傳感器節(jié)點無法持續(xù)供電，所以節(jié)電的能耗就尤為重要。傳感器節(jié)點的電池電量是有限的，所以節(jié)點分為工作及休眠兩種狀態(tài)，需根據(jù)電池的電量及相應(yīng)的計算來進(jìn)行分配。

4.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊

建筑物的健康監(jiān)測包含兩個部分：結(jié)構(gòu)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測。在實際應(yīng)用中，會依據(jù)不同建筑物的特點及規(guī)定布置對應(yīng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測傳感器。以HC-G50激光測距傳感器為例，該傳感器的測量距離更為精確，測量范圍為0.20～50 m，分辨率為0.10 mm。現(xiàn)場的計算機(jī)負(fù)責(zé)接入傳感器信號，并根據(jù)不同傳感器特點完成數(shù)據(jù)的采集及儲存。

5 結(jié)語

水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性關(guān)系到建筑物的安全及使用年限，所以要對影響水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素進(jìn)行一定的了解及研究。通過不同的耐久性評估方法對建筑物的整體狀況做出評估，再結(jié)合建筑物的原材料、構(gòu)造、施工等環(huán)節(jié)，對其耐久性做出優(yōu)化及提升，從而達(dá)到提高建筑物安全性及經(jīng)濟(jì)性的作用。