港口工程钢筋混凝土结构性能退化的影响因素

刘学勇，杨国平

（1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

近几年，为实现港口工程使用期内成本最优和整体提高服役质量的目标，我国在港口工程领域陆续开展了全寿命设计理论的有关研究，并取得了一定成果[1-2]。港口工程结构性能退化规律及设计准则研究是港口工程结构全寿命设计理论的关键和核心内容。影响港口工程性能退化的因素多而复杂，影响因素的确定是开展性能退化规律研究的前提和基础。本文通过分析调研资料、总结已有研究成果并结合对港口工程结构特点的分析，对港工钢筋混凝土结构性能退化主要影响因素进行了识别，为进一步研究港口工程混凝土结构性能退化规律提供了依据。

1 港口工程结构性能退化调研资料分析

交通运输部有关单位分别于1963、1965、1980、1996年针对我国海港工程混凝土结构破坏状况先后组织过4次调查[3]。调查结果显示：80%以上的码头都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，有的仅5~10 a就出现了钢筋锈蚀破坏。随后对华东、北方地区沿海码头的调查也得出了类似结论。

我国华东和华南地区的港口均属于不冻港，因氯盐腐蚀而引起腐蚀破坏已是不争的事实。调查结果[4]表明，虽然北方地区高桩码头受冻融破坏是一个较严重的问题（主要是20世纪六七十年代前修建的码头），但锈蚀破坏也普遍存在。在调查的66个码头泊位中，都普遍存在不同程度的锈蚀破坏或损坏。20世纪70年代以后，由于北方地区普遍采用了掺引气剂的抗冻措施，从业主和工程实践中得知，锈蚀破坏也是北方地区高桩码头的主要破坏形式，相对来说，冻融破坏已不显得非常突出。通过调研资料并结合工程实践表明，港口工程结构具有以下宏观破坏特点。

1）高桩梁板码头与沉箱码头破坏特点不同

以高桩梁板码头为典型代表的透空式结构，主要以钢筋锈蚀为主要破坏特征，锈蚀破坏部位主要发生在浪溅区的桩、桩帽、纵横梁和面板，尤以纵横梁破坏最普遍和严重，北方地区的高桩梁板码头同时遭受冻融破坏，但与钢筋锈蚀相比，冻融破坏特征已不是非常突出；以沉箱码头为代表的重力式码头，基本上不会发生锈蚀破坏，采取抗冻措施前，北方地区呈现冻融破坏，采取抗冻措施后，已基本无冻融破坏，耐久性较好。

2）氯离子侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因

氯离子侵蚀和混凝土碳化是造成钢筋锈蚀的两个最主要原因。碳化引起的钢筋锈蚀是形成较为均匀的腐蚀表面，而氯离子引起的锈蚀则是更多地在钢筋表面形成点腐蚀或者坑腐蚀。调研结果表明，无论南北方，港口工程因氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀破坏现象是非常严重和普遍的。对于海洋环境中的港口工程混凝土结构来说，氯离子侵蚀诱发的钢筋锈蚀最为显著，远大于碳化引起的钢筋锈蚀。氯离子侵蚀引起的锈蚀破坏见图1、图 2。

图1 氯离子侵蚀引起的钢筋混凝土结构破坏Fig.1 Reinforced concrete structure damage caused by thechlorideion erosion

图2 氯离子侵蚀造成的预应力钢绞线断裂Fig.2 Prestressed steel strand broken caused by the chlorideion erosion

2 已有研究成果分析

影响港口工程混凝土结构性能退化的因素众多，且各种因素间相互联系、错综复杂。根据其性质可分为内在因素和外在因素两方面。内在因素是指因结构设计、材料和施工不足导致的混凝土自身所存在的缺陷，如混凝土水灰比、胶凝材料组成设计不当导致混凝土内部存在气泡和毛细管孔隙，为氯离子、水和氧气向混凝土内部扩散提供了通道。外在因素主要是环境因素和荷载。环境因素主要包括环境温度、湿度和腐蚀介质。荷载能诱导微裂纹扩展、聚合、连通，裂纹的扩展使得环境中的腐蚀介质更易进入到混凝土的内部结构，加剧结构的性能退化。在众多影响因素中，内在因素可通过对混凝土的组成和施工过程控制而加以避免，对结构性能的影响（如碱骨料反应）是可控的，可不作为主要影响因素。另外，由调研资料分析可知，环境因素中，氯离子是造成港口工程混凝土结构性能退化的主要原因。因此，本文主要对氯离子和荷载作用下的结构性能退化进行研究总结。

2.1 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀

氯离子不仅能穿透钝化膜使钢筋锈蚀，还能增强腐蚀电流，加速钢筋锈蚀速度。而且氯离子可反复地侵蚀钢筋表面但自身却并不消耗。氯离子诱发混凝土中钢筋锈蚀的机理主要有以下四个方面：1） 破坏钝化膜；2） 形成腐蚀电池；3） 氯离子阳极去极化作用；4）氯离子的导电作用。

2.2 裂缝宽度的影响

对混凝土中钢筋锈蚀与裂缝宽度关系的一般认识是，当裂缝宽度不超过0.2 mm时，不会发生严重锈蚀，锈蚀速度随时间增长而减慢，裂缝宽度与钢筋锈蚀程度之间无明显的相关性；当裂缝宽度大于0.2 mm时，裂缝宽度的影响会变得明显。

2.3 应力和氯离子联合作用下的结构性能退化

图3 荷载作用下混凝土内的氯离子分布规律Fig.3 Distribution rule of the chlorideion in concrete under theeffect of load

结构的使用荷载和使用环境是共存的，无荷载作用下混凝土结构的性能研究成果并不能合理反映结构所处的实际状态。对此，国内外学者对荷载作用下氯离子在混凝土中的扩散进行了有关研究。Konin 等人[5]、Chun Qing Li[6]、Sanchun Yoon等人[7]、水金锋[8]和何世钦[9]的研究表明，荷载水平对氯离子扩散影响显著，不利荷载作用可以加速氯离子的扩散速度，且荷载水平越高，产生的腐蚀越大。邢锋等人[10]的研究表明，拉应力会加快氯离子在混凝土中的扩散速度，压应力会降低氯离子在混凝土内的扩散。Francois[11]采用钢筋拉应力作为保护层微损区氯离子扩散加速的基本参数，通过实验建立了描述钢筋弯曲拉应力与混凝土微损区域氯离子扩散系数的关系。从以上研究成果中可以得出，混凝土所处的应力状态对氯离子扩散影响显著：与处于无应力状态下时相比，压应力减小了混凝土中的氯离子扩散系数，而拉应力加快了氯离子在混凝土内的扩散；拉应力状态下，氯离子的扩散深度随荷载水平的增大而增加。荷载作用下混凝土内氯离子分布规律[9]见图3。

上述应力对氯离子扩散影响的研究成果主要集中于现象的描述，对退化模型研究较少，少数研究者建立了荷载作用下混凝土氯离子扩散系数与应力的关系，但在工程实用方面还有一定距离。由于对应力与氯离子联合作用下的结构性能退化认识尚不明确，我国水运行业现行有关设计和检测标准中也未体现应力的影响。因此深入研究荷载作用下混凝土结构的性能退化规律，为设计控制措施提供可靠的成果更具有现实意义。

3 我国港口工程混凝土结构性能退化的主要影响因素

1）我国港口工程结构性能退化影响因素组合

结合对调查和已有研究成果的分析，归纳出影响港工混凝土结构性能退化的主要因素如下。对于南方地区的高桩梁板码头，主要影响因素为：氯离子+应力；南方地区的重力式码头，未发现明显的性能退化特征；对于北方地区的高桩梁板码头，除氯离子和应力的主要因素外，冰冻地区一定程度还受冻融的影响，但20世纪70年代以来，采取有效抗冻措施后，冻融基本不明显；北方地区的重力式码头，20世纪70年代以前，未采取有效抗冻措施，破坏特征以冻融为主；20世纪70年代后，采取有效抗冻措施后，有效改善了混凝土的抗冻性能，已基本无冻融破坏，应力破坏也不明显，耐久性较好。因此，不论南方地区还是北方地区，从结构型式上看，高桩梁板码头为重点研究对象；从影响因素看，氯离子与应力的联合作用为主要影响因素。见表1。

表1 港口工程结构性能退化影响因素Table1 Influence factorsof performance degradation for harbor engineering structures

2）高桩码头与重力式码头使用年限相差较大的实质是构件的应力水平（大小、持续时间）不同

工程资料调研表明，无论南北方，高桩码头钢筋锈蚀破坏严重，使用年限较短，而重力式码头基本不发生锈蚀破坏，耐久性好，使用年限长。从表面现象看，钢筋锈蚀因码头结构形式的不同而异，本质上是与构件的应力水平（大小、持续时间）有关。同一地区不同结构型式的码头破坏程度相差较大则更典型地说明了这一问题。

将高桩码头结构的面板与沉箱码头前墙进行比较：面板通常以自重与使用荷载作为设计控制组合，在使用期内，设计控制荷载出现概率大，面板长期处于应力较高的状态；沉箱前墙通常以50 a一遇的波浪力和贮仓压力作为设计控制组合，在使用期内，设计控制荷载出现概率小，构件长期处于应力较低的状态。因此，对于设计控制组合，两者虽然依据相同的设计控制标准，但实际发生的应力水平有明显不同。结合已有研究结论[5-11]：拉应力状态下，应力水平越高，氯离子渗透深度越大，氯离子达到钢筋表面的时间越短，发生锈蚀的时间就越早。综上，应力水平的不同导致高桩码头结构和沉箱结构钢筋锈蚀程度不同，是高桩码头与沉箱码头使用年限相差较大的本质原因。

因此，结构性能退化规律的研究应体现构件应力水平的影响。比较合理的方法是首先根据构件的受力特点进行分类，建议按照梁、板、桩进行分类，每类构件可再根据应力水平进行细分，以此体现应力水平对性能退化规律的影响。其中应力大小的影响可通过配筋富裕程度来体现，配筋富裕程度通过实配钢筋量/标准配筋量或横向裂缝相对宽度（允许裂缝宽度限值/实际计算控制裂缝宽度）来表征；应力持续时间的影响可根据控制组合下的应力构成情况对构件进行分组来体现，建议根据重现期大于10 a的可变作用产生的效应占总作用效应的比值划分为以下3组：第1组为重现期大于10 a的可变作用产生的效应占总作用效应30%以下的构件（典型构件为水平布置、竖向承受使用荷载为主的高桩码头面板）；第2组指重现期大于10 a的可变荷载产生的效应占总荷载效应30%~60%的构件；第3组为重现期大于10 a的可变荷载产生的效应占总荷载效应60%以上的构件（典型构件为竖向布置、水平承受波浪力为主的沉箱前墙）。以上参数在常规设计方法中都较易获得，用于结构性能退化规律研究中更具操作性。

3）混凝土保护层厚度对结构性能的影响

如2.2节所述，当裂缝宽度不超过0.2 mm时，裂缝宽度与钢筋锈蚀程度之间无明显的相关性；当裂缝宽度大于0.2 mm时，裂缝宽度的影响会变得明显。我国JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》规定，海水环境中处于大气区和浪溅区的钢筋混凝土构件裂缝宽度不大于0.2 mm，一方面是为了满足正常使用极限状态要求，另一方面则是考虑耐久性要求以防止裂缝对钢筋锈蚀造成影响。规范同时规定，计算裂缝宽度时，当混凝土保护层厚度大于50 mm时，取50 mm。即认为混凝土保护层厚度大于50 mm时计算得出的裂缝宽度值对应于50 mm处的裂缝宽度，并非混凝土表面处的裂缝宽度。

一般认为混凝土中氯离子的扩散服从Fick第二定律。即认为混凝土保护层越厚，氯离子通过扩散达到钢筋表面的时间越长，钢筋发生锈蚀的时间越长，耐久性越好。计算分析表明，混凝土保护层厚度对氯离子扩散影响很敏感，增加1 cm的混凝土保护层厚度可导致计算出的氯离子到达钢筋表面所需时间显著增加。Fick第二扩散定律的前提是混凝土保护层不开裂或裂缝宽度较小，对扩散影响不大。实际工程中，多数钢筋混凝土结构都是带裂缝工作。裂缝的出现缩短了氯离子达到钢筋表面的时间，使混凝土保护层不能像Fick第二扩散定律所述那样充分发挥阻止氯离子扩散的作用。如果仍采用实际保护层厚度进行结构性能退化规律分析，将片面扩大混凝土保护层的作用，显然是不合理的。

本文认为，对结构性能退化规律的分析应根据构件裂缝等级对保护层厚度进行折减，引入有效保护层厚度的概念。对于钢筋混凝土结构构件，裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝，当混凝土保护层厚度大于50 mm时，由于裂缝的出现，50 mm以外的混凝土保护层厚度没有完全发挥阻止氯离子扩散的作用。因此，应对这部分混凝土保护层厚度进行折减，采用折减后的混凝土保护层厚度（有效保护层厚度）进行结构性能退化规律分析；对于预应力混凝土结构构件，裂缝控制等级分为一级和二级两类，要求构件受拉边缘混凝土不出现拉应力或不开裂，混凝土保护层能充分发挥阻止氯离子扩散的作用，因此不考虑折减，采用实际的混凝土保护层厚度进行结构性能退化规律分析。

4 结语

影响我国港口工程混凝土结构性能退化的因素多而复杂，确定主要影响因素是进一步研究结构性能退化规律的前提和必要条件。本文通过对港口工程调研资料分析和已有成果的总结，结合港工结构特点，对港口工程混凝土结构性能退化的影响因素进行了分析，得出以下结论：

1）应力和氯离子的联合作用是影响港口工程混凝土结构性能退化的主要因素。

2）高桩码头与沉箱码头钢筋锈蚀破坏程度不同、使用年限相差较大的本质是构件应力作用水平不同。高桩码头应力水平较高，破坏严重；沉箱码头应力水平较低，破坏较轻。

3）对结构性能退化模型的研究应体现应力作用水平（大小和持续时间）的影响。应力大小的影响，通过配筋富裕程度体现；应力持续时间的影响，可根据控制组合下的应力构成情况对构件进行分组来体现。

4）引入了混凝土有效保护层厚度的概念。钢筋混凝土结构构件采用混凝土有效保护层厚度进行结构性能退化规律分析，预应力混凝土结构构件采用实际的混凝土保护层厚度进行结构性能退化规律分析。