碼頭鋼筋混凝土結構的腐蝕破壞檢查與修復對策

馬德群 莫燁強

1.廣東能源集團科學技術研究院有限公司 廣東 廣州 510000

2.廣東建科創新技術研究院有限公司 廣東 中山 528403

現代建設工程仍以鋼筋混凝土材料為主，由于此類材料中含有堿性物質（如硅酸二鈣、硅酸三鈣），澆筑后內部環境pH值會達到12到13，并通過形成的鈍化膜保護鋼筋表面。然而，受應力腐蝕、氫離子侵入、混凝土碳化、內部堿集料反應等因素影響，易造成鋼筋腐蝕并破壞混凝土結構。尤其是鋼筋混凝土腐蝕破壞未修復前始終處于循環狀態，混凝土與水泥沙漿等水工結構物在耦合作用下會誘發腐蝕，導致其表面惡化、無粘結性、顆粒剝落、產生裂縫，進一步通過強度衰減加強腐蝕并對鋼筋混凝土結構造成循環性破壞。目前，應加強對實際項目混凝土中鋼筋腐蝕破壞分析，為其修復提供依據[1]。

1 項目概況

以某電力企業輸煤碼頭為例，長度與寬度分別為255m、27m，碼頭面與前沿泥面標高分別為+7m、-12m，靠泊能力5萬噸，設計采用高樁梁板式結構，部分基梁選擇預應力鋼筋混凝土方樁，規格為550mm×550mm。該碼頭正式投運于2003年，目前已運行20年之久，受當時施工材料、施工技術、施工工藝等綜合因素影響，當前該碼頭的混凝土中鋼筋發生了腐蝕并且對其結構造成了一定程度的破壞，部分構件相對嚴重，亟需對其進行調查、確認與修復。

調查范圍涉及該碼頭的40跨41個排架，調查時在上部構件中抽取具有代表性的16跨17個排架，排架方樁抽取數量6個。主要通過經驗檢查和技術檢測對碼頭的腐蝕與破壞情況進行調查。首先對構件鋼筋裂縫、脫空、露筋、銹斑、表面缺陷等破壞情況進行了檢查。其次，重點檢測了33、34、35排架內兩跨上部構件的混凝土強度、碳化深度、保護層厚度、鋼筋表面活化狀態、混凝土電阻率和氯離子滲透情況等，并依據調查結果制定了經濟合理的修復對策。

2 調查結果與分析

2.1 經驗檢查結果

根據上部構件破壞類型，對其裂縫、脫空、脫落露筋、銹斑等進行了細致檢查，記錄了軌道梁、橫梁、樁帽、縱梁、面板等破壞情況并統計了其破損率。結果顯示，上部構件破壞位置相對集中且比較嚴重，其中軌道梁與橫梁破損率達到了100%且集中在梁底面以上約30cm位置，兩側面存在明顯腐蝕破壞現象，集中于梁肩的脫空破損率和樁帽破損率分別達到74.4%、90%以上。碼頭上部構件檢查結果統計表如表1所示。

表1 碼頭上部構件檢查結果統計表

2.2 技術檢測結果

2.2.1 鋼筋銹蝕

對33、34、35排架內兩跨上部構件中裂縫與銹蝕嚴重部件，先用榔頭與鏨子鑿開混凝土保護層，使用打磨機磨去銹皮并測量鋼筋直徑。然后計算軌道梁和橫梁下邊角鋼筋截面損失率，確定其范圍分別為0.9～4.9%、3.3～7.4%。箍筋截面損失率范圍在23.2～78.5%之間，如圖1所示，銹蝕比較嚴重，但是主筋輕微銹蝕[2]。

圖1 鋼筋銹蝕情況示意圖

2.2.2 混凝土強度與碳化深度

采用回彈法對軌道梁、橫梁、樁帽進行檢測發現，混凝土強度范圍分別為44.1～52MPa、38.2～55MPa、41.5～55MPa，與設計強度相比均大于C30強度要求。為進一步確認檢測可靠性，使用超聲波檢測法進行檢測并進行聲速法、PSD法、波幅判斷法分析相關數據并確認上述檢測結果完全可靠。如圖2所示，對碼頭部分橫梁碳化深度、軌道碳化深度、樁帽碳化深度、預應力方樁碳化深度檢測，結果顯示除軌道梁范圍在0～4mm外，其余均在0～1mm范圍內，與保護層厚度相比碳化深度相對較小，說明造成鋼筋銹蝕的主要原因來自碳化因素影響。

圖2 混凝土碳化檢測示意圖

2.2.3 鋼筋保護層厚度

對軌道梁底面鋼筋保護層厚度和橫梁、樁帽、縱梁保護層厚度全部進行測量，數據范圍分別為59～69mm、52～72mm、51～61mm、50mm，與上述構件類型的設計厚度對比發現，軌道梁未達到設計厚度90mm要求，但是其側面滿足設計厚度50mm標準。其余構件類型均達到設計厚度不小于50mm要求[3]。

2.2.4 鋼筋表面活化狀態

鋼筋半電池電位與銹蝕狀態關系十分密切，測量設計高水位附近約+4.75m左右鋼筋半電池電位數據為-350mV，按照ASTM C 876-2015《混凝土中無涂層鋼筋腐蝕電位的標準試驗方法》、JTJ302-2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》及建標[2002] 273號《工程建設標準強制性條文（水運工程部分）》確認本樁帽、橫梁、軌道梁鋼筋發生銹蝕的概率均大于90%。

2.2.5 混凝土電阻率

測量得多數構件電阻率數據為10～30kΩ·cm，根據（GB/T 50344-2019《建筑結構檢測技術標準》）中關于混凝土電阻率與鋼筋銹蝕狀態間的關系判別，確認在此混凝土電阻率范圍內處于活化狀態的鋼筋銹蝕速率達到中高級別。部分構件下部位置的混凝土電阻率為10kΩ·cm以下，此處的混凝土可判定為銹蝕非可控狀態。將鋼筋表面活化狀態檢測結果與混凝土電阻率檢測結果相結合進行分析，表明混凝土內部鋼筋腐蝕速率處于中高范圍，亟需對其腐蝕進行有效控制。

2.2.6 氯離子滲透情況

當混凝土中的氯離子滲透到鋼筋表面時，首先會在鋼筋表明聚集并對鋼筋鈍化膜造成破壞，其次氯離子會作為一種參與腐蝕反應的催化劑加快鋼筋的銹蝕速度。反應過程如下：

通過采集碼頭迎海側軌道梁、34-36排架樁帽的混凝土樣品，并進行了實驗室測量，測得距離鋼筋位置約5～7cm處氯離子含量為0.113%，且沿混凝土層表面方向逐漸增加，表層氯離子含量明顯高于內部含量；在同一類構件中，隨著取樣位置的升高氯離子含量逐漸減少，說明混凝土的氯離子主要來源于碼頭所處區域的海水之中。按照碼頭建設標準中關于混凝土中氯離子含量的要求（小于0.107%），樣品測定值明顯大于標準值，表明氯離子滲透嚴重，是鋼筋腐蝕的主要原因。

綜合檢測結果分析表明：碼頭預應力鋼筋混凝土結構的保護層碳化度較低，混凝土碳化深度較淺并沒有達到鋼筋表面；鋼筋處于活化狀態，且混凝土電阻率較低，鋼筋處于中高度銹蝕的概率達90%以上；混凝土中氯離子主要來源海水之中，測得距離鋼筋5～7cm處氯離子濃度明顯大于標準要求。綜上可確認造成預應力鋼筋混凝土結構局部破壞的主要原因為氯離子滲透引起鋼筋腐蝕，其次為建設期間局部施工中存在缺陷，部分鋼筋的混凝土保護層厚度不足[4]。

3 修復對策

混凝土中鋼筋腐蝕破修復技術主要包括局部修復法、涂覆修復法、轉換保護層修復法、陰極保護修復法、粘鋼修復法、粘碳纖維布修復法、電化學氯化物萃取技術和電化學再堿化技術等。在實際工程應用中往往進行聯合應用來達到預期修復目標。

針對軌道梁、橫梁、樁帽等腐蝕破壞較嚴重部位，選擇采用電化學脫鹽加涂覆修復方案進行處理。首先，人工鑿去腐蝕破壞部位的混凝土層，如圖3所示，清理雜物后按照常規修補養護措施進行除銹。

圖3 除銹處理示意圖

其次，將活化鈦板網材料作為臨時陽極，鋼筋為陰極，選擇飽和石灰水作為電解質，在10V～40V電壓和1A/m2電流密度下脫除鋼筋周圍的氯離子。然后對除銹后的鋼筋進行防腐涂覆處理，涂覆材料根據涂覆厚度可選用聚合物水泥砂漿或環氧樹脂材料。

針對腐蝕破壞較輕的縱梁部位、面板部位，先進行鑿除處理，再進行局部氯離子萃取與涂抹保護層，最后用與原混凝土相近的聚合物水泥砂漿修復材料填平[5]。

針對腐蝕破壞較小的預應力方樁，考慮到如果發生鋼筋腐蝕破壞對碼頭整體結構影響較大，選擇增設鋼筋腐蝕狀態在線監測系統，如圖4所示，將監測探頭預埋到鋼筋附近，后續若發生鋼筋腐蝕現象，可以及時進行預警，以預防因方樁鋼筋腐蝕引起的次生危害。

圖4 預埋型鋼筋腐蝕狀態監測系統結構

4 結束語

綜上所述，在新時期建設工程高質量建設與高水準運營之際，應加強對混凝土中鋼筋腐蝕破壞情況的調查分析，盡可能利用先進檢測技術精準定位腐蝕位置與破壞程度，進而制定一些適配性較高的修復對策。考慮到修復技術較多，如果在實際修復時并不能百分之百保障其修復效果的前提下，應進一步在技術要素賦能路徑下實施實驗室模擬分析，提前預測其中可能發生的風險，并確認最佳修復技術及對策，全面提高修復技術應用效果。