港工结构耐久性分析与研究

周振平

摘要：对港口工程结构中容易出现的耐久性问题进行分析研究，从材料使用、结构设计、海上施工等几方面进行分析论证，以期抛砖引玉，找到更好的提高结构耐久性的方法。

关键词：结构耐久性；材料防腐；高性能混凝土

一、 港口工程结构耐久性的现状

在港口建筑工程中，对结构发生作用的因素主要分为三类：荷载、灾害、环境。其中荷载和灾害因素主要对结构的安全性产生影响，以往的研究也比较多，而环境因素主要对结构的耐久性产生影响，由于这类影响的长期性和隐蔽性，长期以来并未获得足够的重视。具体来讲，环境因素包括海洋、土壤和大气中各种盐类的腐蚀作用、除冰盐的使用、由气候条件引起的冻融循环和干湿循环等。此类耐久性问题带来的后果不仅会造成经济上的巨大损失，也给结构的安全性带来巨大隐患。

港工混凝土结构破坏的原因首先是钢筋腐蚀，其次是冻害。因长期使用除冰盐引起的耐久性问题同样严重，此外，我国西部地区大范围的盐渍土，北方地区的冻融环境，均使钢筋混凝土结构面临严重的耐久性问题。

由于耐久性问题带来巨大的经济损失，港口工程的耐久性引起了人们越来越多的关注。随着近年国民经济的高速发展，港口工程建设的质量要求越来越高，同时港口建筑工程的全寿命成本分析也得到了越来越多的关注，因此对结构耐久性也提出了更高的要求。

鉴于最近几年工程界对结构耐久性要求的大幅提高，耐久性问题得到了前所未有的关注，新材料新技术大量涌现，解决了不少实际问题，极大地推动了港口工程耐久性技术的进步和发展。为了能够更好地利用目前发展的技术解决结构的耐久性问题，在实践过程中必须重视以下几点。

首先是转变观点，由于环境因素往往对结构物的建造材料直接产生影响，使结构表现为因材料劣化而失效，因而人们片面地认为，采用了耐久性材料就解决了结构耐久性问题。然而，国内外大量实践情况表明，耐久性问题的解决不仅仅是材料的问题，更需要解决施工过程中的管理和质量控制问题。

其次是要综合运用多种技术来解决耐久性问题。例如，高性能混凝土是解决海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性的一种非常有效的手段，但要发挥其高耐久性的特点，不仅要有材料配制的技术，还需要先进的原材料加工技术、施工养护技术以及结构设计中的全面考虑。

二、 多种耐久性技术的综合使用

对港口工程钢筋混凝土结构进行“耐久性设计”的概念在我国则近几年才出现。现如今已出现了多种非常有效的提高结构耐久性的方法，以抗腐蚀技术为例，就有如下几种有效的技术方法。

（1）高性能混凝土的应用

所谓高性能混凝土就是以一定的新材料配制技术以及良好的生产、浇捣和养护技术，达到高工作性、高强度以及高耐久性，尤以高耐久性为其区别于普通混凝土的最明显特征。主要方法是通过掺用活性矿物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等），提高混凝土的性能，有效阻止氯离子的渗入，从而达到有效保护钢筋的目的。

（2）钢筋混凝土构件外施用防渗涂料

在混凝土构件外表面施用各类涂料，如封闭型和渗透型涂料。或采用纤维增强材料等直接裹覆，可在其使用寿命内有效隔离氯离子的渗透。

（3）增加混凝土保护层厚度

众多的调查和试验都显示，在氯盐环境下的港口工程结构中增加混凝土保护层厚度是提高耐久性的一项有效措施。

（4）混凝土中掺用阻锈剂

利用化学物质提高钢筋开始锈蚀的电位，可降低钢筋表面钝化膜对氯离子的敏感性，从而提高港口工程结构的耐久性。

（5）钢筋表面使用防腐涂料

经喷砂除锈钢筋表面敷涂一层致密的防腐涂料层，使钢筋与腐蚀性环境隔离。

以上是提高港口工程混凝土耐久性的几种较为常用的技术手段，在实际工程中，单靠一种技术常常是达不到所需要的耐久性要求的。根据理论研究，将几种耐久性技术合理综合应用，可产生事半功倍的效果，从而得到港口工程结构耐久性的最优设计。

三、 材料设计与施工的合理结合

在结构耐久性设计过程中，必须要有适应于材料设计的施工工艺。目前国内广泛使用的高性能混凝土，由于各类活性矿物掺合料的应用以及采用较低的水胶比，极大地改善了混凝土的颗粒级配，使混凝土达到了前所未有的致密性和抗渗性，但由于高性能混凝土拌和物含细材料多，又往往采用较低的水胶比，因此成为低泌水材料，因此相比普通混凝土会产生较大的塑性收缩。高性能混凝土的水化作用持续时间也比普通混凝土长得多，如果外界没有水分交换条件，水化作用会消耗浆体内部自身水分而产生自收缩。胶凝材料的活性越大、水胶比越低，则自收缩越大。因此高性能混凝土如果按照普通混凝土的要求进行的养护，极易引起因早期收缩而造成的开裂，而裂缝一旦出现，将为氯离子的侵入提供快速通道，高性能混凝土所应有的耐久性就不能实现。因此在高性能混凝土的应用过程中，应通过及时养护、延长浸水养护时间、覆盖塑料薄膜等措施，避免其开裂，使其发挥最大作用。

四、材料设计与结构设计的合理结合

目前我国的结构设计基本上是基于安全性和承载力的设计，而对各种环境因素作用下的结构耐久性缺乏较完整的设计标准，也没有明确的设计使用寿命要求。在这种情况下，结构耐久性问题的解决往往依赖施工过程中的材料选择和施工工艺的改进。

从防止构件开裂的意义上来讲，业界普遍存在一个共识：合理的配筋可以有效控制钢筋混凝土构件开裂，而控制开裂是保证结构耐久性的一项重要措施。

对海洋环境下的钢筋混凝土，氯盐污染导致的钢筋锈蚀是导致结构失效的的最主要因素，因此结构的使用寿命预测也主要针对氯离子侵入过程的计算来进行。

可见，获得更好耐久性的根本措施在于降低砼材料的氯离子扩散系数和增加保护层厚度。因此在追求材料高性能的同时，增加保护层厚度成为提高结构耐久性的最有效、最经济的措施。

需要指出的是，合理配筋所防止的是结构裂缝，包括荷载引起的裂缝和大体积混凝土温度变化所引起的裂缝，与上述混凝土早期裂缝不同。混凝土的早期收缩裂缝与材料和施工因素有关，而结构裂缝的控制很大程度上取决于结构设计。高性能混凝土与普通混凝土的结构裂缝在本质上是一样的，尽管高性能混凝土因掺入了大量矿物掺合料而具有较低的水化热，但由于现代大型工程的构件往往比较大，而为了获得较高的耐久性又采用较厚的保护层，仍然较易出现此类裂缝。

可见合理的结构设计可以有效保证结构的耐久性，同时在配筋设计中，应在增加保护层厚度与控制构件开裂之间寻求一个平衡点，使钢筋保护层在不开裂的情况下最大程度地发挥其护筋作用。

五、材料设计与材料生产的合理结合

港口工程结构的耐久性是一项系统工程，需要先进的材料技术、合理的结构设计以及良好的施工工艺，同时材料的生产技术也至关重要。高性能混凝土用于海上施工时存在以下问题：

（1）海上施工的可操作性

由于水泥和外掺料分别加入，现场施工时要求配有相应筒仓，但海上施工时主要由搅拌船进行施工作业，受空间限制，一般不可能配置太多筒仓，且各筒仓的容积比很难与胶凝材料的组成比例相吻合，使上料后连续浇筑的混凝土方量大打折扣。

（2）对工期的影响

海洋上的气候与施工条件远比陆地苛刻，有效施工时间远少于陆上，船机工作效率大大降低。

六、建立结构的综合评估技术

海洋环境下的钢筋混凝土结构，海水中氯盐的长期渗透会使钢筋锈蚀、体积增大，有效断面减小，造成构件实际承载力的降低。如果钢筋锈蚀引起保护层混凝土胀裂、脱落，则对构件承载力的影响更大。对预应力构件，保护层的缺失还直接影响到预应力筋的锚固性能，从而形成结构的安全性隐患。此类安全隐患目前在结构评估中是较少考虑的。

因此，建立结构安全性、承载力与耐久性的综合评估技术意义重大。

七、小结

港口工程结构的耐久性问题是普遍存在的，我们应该在实际工作中不断积累经验，逐渐探索适应中国国情的新技术，目前，港口工程结构耐久性问题正引起越来越多的关注，随着有关研究的逐步深入和更多的工程实践，港口工程结构耐久性问题必将得到更好的解决。