八所港矿砂码头混凝土腐蚀现状分析

陈 环，齐中华，房靖超，汪峻峰

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228;2.海南八所港务有限责任公司，海南 东方 572601)

在海洋近海环境中，由于海水中氯离子腐蚀、海风盐雾侵蚀、雨水洗刷等，加上混凝土结构本身材料的组成、养护条件等因素的影响，容易引发不同程度的破坏，进而直接影响到临海建筑物、构筑物的安全使用寿命。在中东的沙特阿拉伯等海湾地区，因受海洋恶劣环境的影响，74%的混凝土结构都有严重的钢筋腐蚀破坏［1］;日本沿海的众多高速公路钢筋混凝土桥梁也因海水、海风侵蚀，一般使用10 ～20年后都得不断进行维修［2］。钢筋混凝土腐蚀这一问题早已引起了国际上的广泛关注。

针对上述严重问题，国内外专家和一些科研机构对此已做了大量的现场调查和研究［3－7］。研究结果表明，海洋近海环境中氯离子渗透是引发港口混凝土结构破损的主要因素，氯离子渗透至一定浓度后钢筋锈蚀，导致体积膨胀，当膨胀到一定程度后，会导致保护层混凝土胀裂，甚至大块混凝土剥落。早在20 世纪80年代，我国交通运输部各科研机构就针对华南、华东及连云港以北等多个码头进行了广泛调查［8］。方璟等［9］对20 世纪80 至90年代码头混凝土破坏状况结果进行了分析，认为影响海港钢筋混凝土建筑物钢筋锈蚀的因素是多方面的。这里将对海南八所港矿砂码头混凝土梁、柱、甬道等结构的腐蚀现状进行调查分析，主要针对氯离子侵蚀引发的混凝土腐蚀破坏进行研究，同时探究混凝土局部环境与混凝土腐蚀的相关性。

1 八所港码头基本概况

1.1 港口地理环境和气候条件

八所港位于海南岛西海岸中部，原系日本军国主义者为掠夺石碌铁矿于1943年修筑的出口港，北黎湾西南角上，面临北部湾东部海面，近岸多为浅海［10］。港口属不规则全日潮港口，季候风区，大潮升1.6 m，小潮升1.3 m，平均海面1.5 m，回归潮高潮潮高2.7 m，低潮潮高0.5 m，潮差2.2 m，港口受东北及西南季节强风影响。每年1 ～3月早上或傍晚有雾，一般持续1 ～2 小时，海水含盐量平均为3.34%，最高3.5%，最低3.08%(根据统计资料)，附近没有大型污染源，水质清洁。

1.2 码头修建和扩建改造情况

八所港矿砂码头，位于海南岛八所港港池东侧，东栈桥长约40 m，西栈桥长约70 m。码头的东北端与第一号防波提弧形相对。1942年5月，八所港大规模的建港工程开始建造，并于1984年对其矿砂码头进行技术改造和扩建，其梁、柱结构至今已使用近30 余年。而东面甬道只做了局部的混凝土表面保护层翻修处理。

2 矿砂码头混凝土腐蚀现状

2.1 码头梁、柱、甬道分布情况

矿砂码头主体结构分为西栈桥、东栈桥和甬道，栈桥柱截面尺寸为50 cm×40 cm，间距10 m，梁长2 m，实验中已对混凝土柱进行了简单编号，详细示意如图1 所示。整个矿砂码头因年代久远，加上所处海洋环境恶劣，其混凝土结构已出现不同程度的腐蚀破坏。码头甬道中主要由素混凝土建造，内部无钢筋结构。

图1 矿砂码头主体分布示意Fig.1 Schematic diagram of the port

2.2 混凝土腐蚀现场调查

钢筋混凝土腐蚀现状主要以港口使用30年的梁柱作为调查对象。其混凝土柱东西方向平行于海岸线，北部迎海。主要针对混凝土构件外观腐蚀情况进行分析。调查发现其混凝土结构腐蚀特别严重，混凝土柱和梁都出现不同程度的损伤。

混凝土破损状态呈现多种表现形式:随着钢筋锈蚀的进行，混凝土表面形成与混凝土内部钢筋基本平行的顺筋裂缝(见图2(a));或者因钢筋生锈引起保护层起鼓、层裂(见图2(b));部分构件上混凝土出现严重开裂、剥落，甚至出现钢筋外露和锈断等现象。

图2(a)中是柱Xb2 上一个典型的钢筋锈蚀引发的纵向裂缝图。由图2(a)中可以看出，混凝土柱的东北面出现胀裂，东面右下角混凝土块早已剥落，铁锈外露，暴露的钢筋已基本生锈。纵向裂缝平行钢筋沿着混凝土破损处逐渐向上延伸，裂缝宽度大于3 mm，可见混凝土构件已出现严重破坏。

混凝土柱Xa1 的北面偏东垂直距离地面约为3.5 m 处也出现严重破损，如图2(b)所示。北面正好是迎海面，部分混凝土保护层已剥落，钢筋暴露，锈蚀非常严重。从图中可以清晰的看出混凝土破损处顺着钢筋出现扩展裂缝，如果不及时修补，将出现更加严重的破损。

图2 混凝土柱钢筋锈蚀引起的纵向裂缝、保护层剥落Fig.2 Damaged concrete column showing longitudinal cracking and large spalls by corrosion of reinforcement

除此之外，混凝土梁上也出现严重破损，暴露的主筋和箍筋部分已经锈断，如图3 所示。从图中仔细观察，混凝土胀裂基本是沿着锈蚀钢筋产生，锈蚀主筋底部混凝土保护层早已剥落，还有部分混凝土沿着箍筋处胀裂，可见混凝土胀裂主要是由于钢筋锈蚀引发。

除此之外，通过宏观观察发现，刮除钢筋表面铁锈层后，其钢筋表面出现不同大小的蚀坑，如图4 所示。主要原因是海港码头混凝土内钢筋遭受氯盐腐蚀的形态是大阴极、小阳极［11］，其腐蚀状态属于局部腐蚀，如果小阳极周围都是钝化膜，腐蚀就容易纵向深入，局部腐蚀集中在小区域，造成钢筋表面呈现坑蚀、孔蚀，混凝土表面裂缝不大时，钢筋已经腐蚀很严重了，若任其发展下去，则锈蚀裂缝的发展相当迅速。

图3 混凝土梁上保护层胀裂或剥落Fig.3 Damaged concrete beam showing cover cracking or spalling

图4 刮除铁锈层之后的钢筋Fig.4 View of a corroded surface rebar after removing corrosion products

3 样品采集和测试方法

3.1 样品采集

针对八所港矿砂码头钢筋混凝土结构受近海环境氯离子侵蚀破损现状，分别从甬道、柱、横梁及柱基座中截取混凝土和铁锈样品。由于梁柱破损过于严重，为了防止混凝土梁、柱因钻孔机取粉时振动引发倒塌事故，不便钻孔和钻芯，因此在栈桥梁柱上(Xb2 柱、梁L4)截取裸露在空气中带锈蚀钢筋的混凝土剥落块，并刮下钢筋表面上的铁锈装袋。因基座不容易受海风、海雾侵蚀，在开挖地面基座中采用HZ－15 型混凝土取芯机钻取芯样，芯样深度大于8 cm，从芯样底部(即基座内部)敲取部分混凝土块测其氯离子含量，用作对比实验。

另外，采用直径为22 mm 的冲击钻头钻孔，从甬道东、西两侧分别按照2 cm 的深度分层取粉，取粉深度最大为10 cm;同时在甬道北侧(迎海面)采用HZ －15 型混凝土取芯机钻取芯样，并将芯样沿深度方向以2 cm为单位切块、研磨，目的是探究甬道东西北三侧不同深度处的水溶性氯离子含量。

为了探究氯离子在混凝土块和铁锈中的分布，对从柱Xb2 截取的钢筋混凝土样品进行分区域取样。首先，在其钢筋表面刮取靠近钢筋表层铁锈和远离钢筋且靠近混凝土的铁锈，分别命名为S －1 和S －2;其次，在样品中截取出靠近铁锈层和远离铁锈层的混凝土块，分别命名为S－3 和S －4，其钢筋混凝土分区域取样示意如图5 所示。

图5 柱Xb2 上钢筋混凝土分区域取样示意Fig.5 Schematic diagram of area－sampling on reinforced concrete from column

3.2 测试方法

实验中混凝土和铁锈中氯离子含量统一采用NJCL －B 氯离子含量测定仪进行测试。由于只有溶解在混凝土孔隙溶液中的氯离子(自由氯离子)对钢筋腐蚀起作用［12］，因此测试过程中首先将混凝土块和铁锈采用锤子击碎，剔除明显可见的砂石，玛瑙钵研磨成足够细的粉末，称取一定质量的粉样溶于一定体积的去离子水中，采用磁力搅拌器搅拌30 分钟以上，从而保证氯离子完全溶于水中，通过测其溶液中氯离子含量可以得到水溶性氯离子含量(按混凝土重量或铁锈重量的百分数表示)。为了保证数据的准确性，对实验中每组数据都进行三次以上测试，最后求平均值所得。

4 实验结果与分析

4.1 氯离子测试结果

实验在相同的外界环境下进行，对所制备的粉末样品进行氯离子含量测试。其氯离子测试结果记录如表1 所示。

表1 矿砂码头不同部位混凝土或铁锈中氯离子含量Tab.1 Chloride content of concrete and rust at different sections in the port

一般情况下，柱基座内部混凝土难以受到外界环境的影响，同时也就不容易受到海风、海雾中氯离子的侵蚀。从表1 中实验数据可以看出，基座内部混凝土中氯离子含量为0.058%，而其它混凝土样品中氯离子含量远大于这一数值，可见矿砂码头梁、柱及甬道等暴露于空气中的混凝土构件都已受氯离子严重侵蚀，如果不及时修复，将导致更大的破损。同时，对比服役70年的混凝土和30年混凝土中氯离子含量，可以发现使用年限越长，其氯离子侵蚀越严重。

钢筋锈蚀是钢筋表面的氯离子达到一定浓度时发生的现象。临界氯离子浓度一般是指钢筋去钝化所需的氯离子浓度。早在20 世纪80年代，Browne 就提出了钢筋锈蚀的危险性与氯离子百分含量的关系［13］，如表2 所示。这一关系在许多实际工程调查中得到了证实。表2 中显示临界氯离子浓度具有一个变化范围，这是由于氯离子临界浓度受混凝土质量和环境综合因素的影响。

表2 钢筋锈蚀危险性与氯离子百分含量Tab.2 The risk of steel corrosion and chloride ion content

结合表2 可以看出，当混凝土中氯离子含量超过0.18%时，其钢筋极易被腐蚀，而当氯离子超过0.36%时，钢筋百分百已经腐蚀。结合表1 中实验数据可以看出，关于甬道东侧、西侧及北侧混凝土中不同深度氯离子含量，除暴露于空气中的混凝土表层0 ～2 cm 处含量偏低外，其余深度位置(2 ～8 cm)混凝土中氯离子百分含量都已达到甚至超过0.36%，同时结合现场调查可以分析得出矿砂码头混凝土中钢筋大部分已遭受严重腐蚀。

4.2 甬道中氯离子侵蚀规律

图6 甬道不同深度处氯离子含量分布Fig.6 Chloride content at different depths in tunnel

实验中针对服役70年的甬道东、西、北(迎海面)三侧不同深度处氯离子分布进行了测试分析，其分布对比情况如图6 所示。

从图6 中可以看出，甬道中东、西、北三侧的氯离子含量分布呈现相似变化趋势，混凝土表层0 ～2 cm处氯离子含量较低，不同深度氯离子含量分布整体呈现先增大后减小的变化规律，这一分布规律在其他码头混凝土构件中也同样被观察到［14］。从氯离子含量分布的整体趋势来看，其分布主要集中在4 ～6 cm 和6 ～8 cm 深度范围内，且不同方位其氯离子含量存在一定差异，可见局部环境的不同也会影响到混凝土中氯离子的侵蚀和分布，这可能与港口风向、风速、干湿交替周期、日照、局部降雨速率、空气中相对湿度等各方面因素有关［7］。而关于混凝土表层0 ～2 cm 处氯离子含量偏低的情况，可能是受码头混凝土年代久远，表面受风化、雨水冲刷等的影响。

4.3 钢筋混凝土界面区域氯离子侵蚀规律

钢筋混凝土是由水泥石基体、骨料和钢筋所组成的建筑材料，混凝土破损往往与钢筋锈蚀有关，氯离子侵蚀通过钢筋－混凝土界面区到达钢筋表面，从而导致钢筋锈蚀，体积可膨胀到原来的5 ～10 倍，最后引发混凝土胀裂。实验中对裸露在空气中的钢筋混凝土样块进行分区域取样测试，图5 中已给出取样示意图。另外，不同区域氯离子含量分布在表1 中给出，由表1 中数据可知柱Xb2 混凝土中氯离子含量在钢筋混凝土界面区域呈现规律性变化，其氯离子百分含量从钢筋表层铁锈、铁锈层、靠近锈层混凝土、到远离锈层混凝土依次是0.026% ＜0.046% ＜0.160% ＜0.226%。且其氯离子含量从混凝土到钢筋表面呈现跳跃式降低，这一跳跃式变化现象同样在本实验的横梁结构样品中观测到，铁锈中氯离子百分含量明显低于混凝土中。同时结合图2 和图3 钢筋锈蚀图片可知，氯离子在铁锈中尽管含量较低，但其钢筋依然会发生严重锈蚀。

由于近海环境中，海风、海雾中氯离子含量较高，氯盐对混凝土和钢筋均有一定的腐蚀作用。当氯离子扩散到钢筋表面时，氯离子与钢筋构成腐蚀电池，其中氯离子与铁离子生成FeCl2，再溶于水，转换成Fe(OH)2，释放出氯离子，周而复始，使得钢筋进一步腐蚀，致使混凝土保护层沿钢筋膨胀而开裂、起鼓、剥落，直至钢筋完全失去保护。其钢筋简单锈蚀原理如图7 所示［15］，钢筋表面出现坑蚀。矿砂码头实际工程中钢筋表面出现类似蚀坑现象，已在图4 中给出。

图7 钢筋锈蚀原理示意Fig.7 Schematic diagram of typical corrosion on reinforcement

氯离子对钢筋的腐蚀起着阳极去极化作用，加速钢筋的阳极反应，促进钢筋局部腐蚀，这是氯离子侵蚀钢筋的特点。同时，氯离子在钢筋锈蚀过程中具有催化作用，并且氯离子不构成腐蚀产物，在腐蚀中也未被消耗，反复对钢筋进行腐蚀。因此，钢筋表面铁锈中氯离子含量尽管较低，但其对钢筋的锈蚀可以一直循环往复的进行下去，铁锈中低浓度的氯离子对钢筋的锈蚀作用不容忽视。

5 结 语

通过八所港矿砂码头腐蚀现状调研测试分析，初步研究了港口服役70年甬道和30年梁柱混凝土氯离子侵蚀状况，探索了甬道东西北三侧不同深度处的氯离子分布及柱上钢筋－混凝土界面区域氯离子侵蚀情况，得出以下结论:

1)现场调查了海南八所港矿砂码头混凝土破损情况。调查结果表明钢筋混凝土结构部分已出现严重腐蚀，主要表现为内部钢筋锈蚀、混凝土开裂、剥落等现象。这与海洋近海环境中所处的海雾环境条件恶劣、混凝土构件年代久远有关。

2)服役70年的甬道混凝土中氯离子百分含量随取样深度呈现规律性变化，表层混凝土氯离子百分含量较低，随着取样深度的加深，氯离子含量呈现先增大后减小的趋势，且东、西、北三个不同方位上所取混凝土样品中氯离子含量存在一定差异，可见局部环境的差异对混凝土中氯离子分布具有一定影响。

3)从裸露在空气中的钢筋混凝土样品测试结果可得，氯离子分布在钢筋混凝土界面区域也呈规律性变化，氯离子含量从远离锈层混凝土、靠近锈层混凝土、铁锈层到钢筋表层依次递减，并且从混凝土到钢筋表面呈现跳跃式降低。

4)在海洋环境中，混凝土使用年限越长，其受氯离子侵蚀越严重，且铁锈中低浓度的氯离子对钢筋的锈蚀作用不容忽视。针对文中调研的码头混凝土腐蚀破损情况，后期将会对其破损位置进行现场维修。

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