海港码头钢筋混凝土结构耐久性检测与评估

庞崇安，李 俊，刘 佳

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.上海港湾工程质量检测有限公司，上海 201315)

1 研究背景

海港高桩码头钢筋混凝土结构的耐久性受工作环境、材料组成等多种因素的影响，耐久性失效过程极为复杂。[1-4]在役高桩码头服役环境恶劣，材料呈加速腐蚀老化状态，结构抗力随着结构材料的老化而减小。氯离子的侵蚀是导致钢筋混凝土材料劣化的主要因素之一。意大利的CALLEPARDI最早用Fick第二定律描述氯离子在混凝土中的扩散规律，尽管建立在一系列的假设条件之上，也是最经典的氯离子扩散模型。[5]其后研究的氯离子扩散模型，考虑了扩散系数随时间变化，考虑了混凝土对氯离子结合能力的影响，以及混凝土表面氯离子浓度随时间变化。[6-14]另一方面，荷载效应却因码头面荷载不断增加、靠泊船型不断提高等因素呈现不断提高。荷载对氯离子扩散的影响非常明显，不可忽略，码头结构的失效概率就是一个变大的变量，其使用年限逐渐减少。[15-18]本文选取华东舟衢海港码头进行调研，查找存在的耐久性问题，为基于全局观的结构耐久性修复提供数据支撑。

2 工程概况

码头位于舟山市衢山岛。码头平面布置呈“T”型，包括1座码头平台和1座引桥。码头长51.0 m，宽10.0 m，为高桩墩式结构，自南向北共布置4个墩台，墩台长均为6.0 m，高均为3.9 m。南侧2个墩台间及北侧2个墩台间均采用混凝土剪刀撑连接。上部结构采用预制混凝土面板。墩台结构自上而下为预制面板、现浇梁格、现浇立柱和现浇底板。下部结构采用500 mm×500 mm预制钢筋混凝土方桩，每个墩台布置22根，桩长为30.0 m。码头前沿设登船楼梯1座。码头后方通过一座引桥与陆域连接，引桥长234.0 m，宽7.5 m，为高桩墩式结构，共布置40个墩台，引桥与码头连接的墩台采用6根预制钢筋混凝土方桩，其余墩台采用4根450 mm×450 mm预制钢筋混凝土方桩，桩长28.0 m。该引桥在其北侧进行过加宽。码头面设计高程为+5.20 m，前沿设计高水位+4.10 m，设计低水位+0.45 m。

该交通码头建于20世纪80年度初，使用年限已超过30年且码头使用环境为海水环境，码头及引桥的部分构件的腐蚀损坏较严重。业主单位为确保安全使用，对该码头进行检测评估。为了解码头结构、构件的现状，为业主单位的安全使用及后续的维修加固工作提供可靠的依据，须对该泊位进行科学、合理的整体检测及评估。通过对码头的检测，主要了解码头的外观破损状况、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度、钢筋腐蚀电位、氯离子含量等。

3 检测内容及结果

3.1 码头主体结构外观质量

码头梁板布置(见图1)，码头16根横梁普遍存在裂缝和混凝土剥落等缺陷。裂缝主要是水平向的纵向裂缝，其外观劣化等级均为D级。典型构件外观质量(见图2)。横梁d—e立柱之间南侧存在纵向裂缝1条，长为2.50 m，宽为6.32 mm(图2(a))。横梁e—f立柱之间北侧存在纵向裂缝1条，长为2.50 m，宽为7.10 mm(图2(b))。

图1 码头梁板布置示意图

图2 横梁外观图

3.2 混凝土抗压强度

采用回弹法进行混凝土抗压强度检测，并采用碳化深度修正。在选定的码头构件受检区域均匀布置5个回弹测区，每测区测得16个回弹值。测点在测区范围内均匀分布，相邻两点的净距不小于30 mm。检测结果(见表1)，检测结果表明各类构件实测强度均达到原设计强度等级。

表1 构件混凝土强度检测结果

3.3 混凝土碳化深度和保护层厚度

回弹值测量完毕后，选择不少于构件的30%测区数在有代表性的位置上测量碳化深度值。测量碳化深度时，先在测区表面凿一个直径为20 mm、深约80 mm的孔洞，然后除净孔洞中的粉末和碎屑，立即用1%酚酞酒精溶液滴在孔洞边缘处，测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离多次，取其平均值，该距离即为混凝土的碳化深度值。选取码头纵梁、横梁、面板、基桩等12个构件，抽检引桥帽梁、面板、基桩等13个构件，检测其碳化深度。码头抽检的12个构件，碳化深度为1.0～4.0 mm，引桥各类构件的碳化深度为1.5～4.0 mm，均≤4.0 mm，远小于钢筋保护层厚度。混凝土保护层厚度和碳化深度检测结果(见表2)。

表2 混凝土保护层厚度和碳化深度检测结果

3.4 钢筋腐蚀电位

对于结构外观质量出现劣化的构件，应检测其钢筋腐蚀电位。钢筋腐蚀电位的测试方法为半电池自然电位法。测区宜选择结构混凝土有钢筋锈蚀迹象或可能发生钢筋锈蚀的区域，面积不宜大于5.0 m×5.0 m。在待测构件表面布置测线，X向测线和Y向测线构成正方形的网格，测线的交点即为测点。测点间距一般设置为10～50 cm，测点距构件边缘应>4 cm。测点处混凝土表面应平整、清洁。测区混凝土应预先充分浸湿，以减少通路的电阻。依据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》和《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》对区域发生钢筋锈蚀概率按表3来判定。

表3 区域发生钢筋锈蚀概率

码头钢筋腐蚀电位的检测结果如下：

(1)码头所抽检的10根横梁中，8根横梁钢筋发生锈蚀的概率>90%，2根横梁钢筋锈蚀性不确定；

(2)抽检的10根纵梁中，7根纵梁钢筋发生锈蚀的概率>90%，3根纵梁钢筋锈蚀性不确定；

(3)抽检10块面板中，7块面板钢筋发生锈蚀的概率均>10%，3块面板钢筋锈蚀性不确定；

(4)抽检的10根基桩钢筋发生锈蚀的概率均>10%。

引桥钢筋腐蚀电位的检测结果如下：

(1)引桥所抽检的10根帽梁钢筋发生锈蚀的概率均>10%；

(2)抽检14块面板中，12块面板钢筋发生锈蚀的概率均>10%，2块面板钢筋锈蚀性不确定；

(3)抽检的10根基桩中，6根基桩钢筋发生锈蚀的概率>10%，2根基桩钢筋锈蚀性不确定，2根基桩钢筋发生锈蚀的概率>90%。

3.5 氯离子含量分布

选取码头纵梁、横梁、面板等主要构件，检测氯离子扩散渗透情况，为码头耐久性评估提供数据。混凝土氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子含量按下式计算。[19-20]

(1)

式中：Cx,t—龄期t时x深度处的氯离子含量，%；

C0—混凝土中原始氯离子含量，%；

Cs—混凝土表面氯离子含量，%；

x—距离混凝土表面的深度，mm;

Dt—氯离子扩散系数，mm2/s；

t—混凝土暴露于环境中经过的时间，s；

码头构件氯离子扩散检测结果(见表4)。

表4 码头构件氯离子扩散检测结果

国家行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定，南方海港工程浪溅区混凝土抗氯离子渗透性不应大于2 000 C，其对应的混凝土氯离子扩散系数应为(1.0～2.0)×10-12m2/s，而从表4看，本工程码头及引桥的梁类构件氯离子扩散系数相对较大(氯离子扩散系数越大的构件抵抗海水侵蚀的能力越弱)。

4 码头结构耐久性评估

该码头梁类结构腐蚀损坏较严重，板类构件底部产生空鼓，为后期维修加固提供可行性依据，进行结构耐久性评估。结构耐久性按剩余使用寿命计算结果和外观劣化度的检测结果进行评估。不同于内河码头主要受碳化侵蚀作用，由于该码头位于舟山海域，构件受到氯离子侵蚀作用，因此，对既有钢筋混凝土结构的剩余寿命分别按碳化侵蚀模型和氯离子扩散模型进行预测。

4.1 碳化侵蚀模型剩余寿命分析

碳化的实质是混凝土的中性化，引起混凝土碱性降低，碳化后的pH值一般为8～9。因此，当碳化到达钢筋表面时，钢筋表面的钝化膜遭到破坏，混凝土失去对钢筋的保护作用，如果有水和氧气的存在，混凝土中的钢筋就会开始锈蚀。计算时，钢筋保护层厚度取实测的最小值；碳化深度取实测的最大值；碳化系数则由实测值推算，同时假定碳化系数不随时间发生变化，结构剩余寿命由式(2)计算得到。

(2)

式中：D(t)—对应于t时间的混凝土碳化深度，mm；t—混凝土碳化时间，a；k—混凝土碳化系数，mm/a1/2。

各类构件的剩余寿命计算结果(见表5)。

表5 码头碳化模型剩余寿命计算结果

4.2 氯离子扩散模型剩余寿命分析

氯离子扩散渗透作用下的钢筋混凝土构件寿命主要分为以下几个进程：

(1)ti开始使用——钢筋开始锈蚀阶段

海水中的氯离子渗透进入混凝土，使钢筋周围积聚的氯离子随时间不断增加，当钢筋表面氯离子含量达到钢筋锈蚀的临界含量Ct时，钢筋表面的钝化膜失去保护作用，钢筋开始发生锈蚀。

(2)tc钢筋开始锈蚀——保护层锈胀开裂阶段

在氧气和水份的共同作用下，钢筋的锈蚀进程逐步发展，随着腐蚀产物的增加，其体积逐渐膨胀，直至在混凝土保护层产生与钢筋平行的顺筋裂缝。

(3)td保护层锈胀开裂——功能明显退化阶段

混凝土保护层开裂破坏，钢筋直接与氯盐、水份、氧气接触，腐蚀急剧加速，其有效截面逐步减少，直到功能明显退化(通常为钢筋截面面积减小至原截面的90%)。

由式(3)计算钢筋混凝土结构的使用年限te[21]：

te=ti+tc+td

(3)

结构剩余使用年限tre按式(4)计算：

tre=te-t0

(4)

式中：t0—混凝土结构自建成至检测时已使用的时间a。

根据检测结果，码头各项参数基本正常，计算过程中混凝土强度取实测值，保护层厚度取实测最小值，原码头面板和引桥面板钢筋直径取设计值的80%，其余构件钢筋直径取设计值，混凝土表面氯离子含量按实测值推算。氯离子扩散系数按氯离子含量实测值计算。本次共检测构件氯离子扩散系数渗透6组(码头4组及引桥2组)，各构件的剩余寿命计算结果(见表6)。

表6 码头氯离子扩散模型剩余寿命计算结果

根据码头主要构件剩余寿命的计算结果，码头结果耐久性评为C级。

5 结论和建议

码头和引桥的梁类构件和立柱腐蚀损坏严重，该类构件普遍存在钢筋位置的顺筋裂缝，裂缝处有锈迹渗出；码头面板存在空鼓现象，引桥面板同时存在顺筋裂缝；其他构件存在开裂、露筋、混凝土剥落等外观质量缺陷。码头及引桥混凝土强度均满足原设计等级。码头及引桥构件碳化深度为1.0～4.0 mm，远小于保护层厚度；大部分构件的钢筋腐蚀概率10%，部分构件(主要是梁类构件)钢筋腐蚀概率>90%，另有部分码头的构件钢筋腐蚀性状不确定；构件保护层厚度均满足原设计要求。

根据计算结果显示，各类构件在碳化机理下的构件剩余寿命均>20 a，而在氯离子扩散机理下码头的构件剩余寿命最小为0 a，最大为13 a。综合考虑码头所在水域的水质情况，该码头的剩余使用寿命按在氯离子扩散机理下的构件剩余寿命取值。

表面开裂的构件更容易受到碳化和氯离子的侵蚀作用，根据本次钢筋锈蚀检测结果显示，大部分构件钢筋锈蚀概率>10%，但仍有相当部分构件的钢筋锈蚀概率>90%，部分构件为钢筋发生锈蚀性状不确定，其外观普查发现面板底板保护层混凝土产生空鼓，梁类构件和立柱存在顺筋裂缝，裂缝处有锈迹渗出，但凿开的钢筋基本完好，此类构件抽检的钢筋截面损失小于5.0%，说明结构内部状态较好。因此，对这类混凝土开裂的构件，需对裂缝封闭、灌浆等措施，并对开裂的原防腐层进行修复，其剩余寿命同样能够达到完好构件的水平。

计算结果均针对结构完好的构件。剩余使用年限仅表明材料的耐久性能，没有考虑建造质量、结构荷载和疲劳等因素造成的结构寿命降低。因而，建议在码头维修加固前严格限制大型机动车进入码头及引桥区域，限制码头使用荷载。由于码头及引桥的梁类构件和立柱腐蚀损坏较严重，板类构件底部普遍存在空鼓和少量裂缝，为延长码头使用年限及降低后期维修成本，建议立即对码头和引桥的梁类构件、立柱和面板进行修复，在凿除锈胀的混凝土后如发现钢筋截面存在明显锈蚀的构件，需进行结构补强加固。