海港码头胸墙混凝土裂缝成因及修补研究

梁光先，廖家艳

(广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

海港码头工程结构混凝土表面开裂不仅破坏了混凝土结构的整体性，还使得其中的钢筋更容易暴露在外界环境当中而发生锈蚀，导致混凝土结构强度下降，使用耐久性和安全性降低，对海港码头正常运营产生极其不利的影响。在工程施工当中，海港码头胸墙结构混凝土表面裂缝的修补质量往往难以达到预期的效果，究其原因是裂缝修补的重要性经常被运营管理方所轻视，资金投入少，一方面不能根据实际开裂情况采取相应的修补措施，裂缝修补“治标不治本”，停留在表面化、美观化的层次；另一方面缺少对裂缝发育的监控，已修补的裂缝继续开裂，不断加深、加宽，得不到及时处理，其结果必然是增加了运营管理方的后期维护成本，也增加了码头工程的安全隐患。本文旨在研究海港码头工程结构混凝土裂缝成因及修补

技术，并对实际工程中存在的问题提出自己的见解。

1 裂缝产生的原因

1.1 温度及荷载的物理作用

1.1.1 温度裂缝

码头胸墙混凝土由于浇筑体积大，在凝结硬化过程中水泥产生的大量水化热难以散逸到环境中，混凝土内部温度比外界环境高，使得混凝土表面拉应力增大，这种现象在炎热的夏天尤其容易出现；而在养护降温过程当中，混凝土表面也会有一定的概率产生裂缝，原因是混凝土内部由于基础强约束作用而出现拉应力，当这些拉应力超过混凝土本身的抗裂强度时，混凝土最薄弱的地方就会发生结构性破坏而产生裂缝。

1.1.2 收缩裂缝

混凝土塑性收缩和干缩是混凝土发生体积变形的诱因，干缩会使得混凝土表面产生拉应力，当拉应力超过极限值，混凝土表面就容易产生裂缝。

1.1.3 结构性裂缝

当码头胸墙混凝土结构承载力不足或者由于基础的约束力分布不均，胸墙混凝土在上部大荷载作用下产生不均匀沉降，会引起结构性裂缝；特别是船舶停靠速度过快，撞击荷载很大，更加产生结构性裂缝。

1.2 海水的侵蚀作用

1.2.1 镁盐的破坏作用

海水中富含MgSO4和MgCl2这两类镁盐，它们都能与混凝土水泥石中的Ca(OH)2发生化学反应：

Ca(OH)2+MgSO4+H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2

反应生成的Mg(OH)2容易被海水的溶解作用带出混凝土流失到海洋环境中，使得混凝土碱性发生不可逆转性降低，直接导致水泥石中水化硅酸钙和水化铝酸钙不能继续稳定存在，与镁盐发生化学反应继续生成Mg(OH)2：

CaO·Al2O3·6H2O+MgSO4+H2O→(CaSO4·2H2O)+Al(OH)3+Mg(OH)2

CaO·Si2O3·3H2O+MgSO4+H2O→(CaSO4·2H2O)+SiO2·3H2O+Mg(OH)2

CaSO4·2H2O是天然二水石膏的主要成分，其含有大量的结晶水，体积比原来的CaO·Al2O3·6H2O大2.5倍之多，它的生成容易使得混凝土结构体积增大从而产生裂缝。而随着Mg(OH)2浓度的增大，在混凝土中起到胶结作用的铝胶(Al(OH)3)和硅胶(SiO2·3H2O)逐渐与之发生化学反应，使得混凝土中铝胶和硅胶密度缓慢下降，混凝土强度随之降低。

Al(OH)3+Mg(OH)2→Mg(AlO2)2+H2O

SiO2·3H2O+Mg(OH)2→MgSiO3+H2O

1.2.2 氯离子的侵蚀作用

海水环境中的混凝土按照风浪影响的不同，可以划分为大气区、浪溅区、水位变动区以及水下区四个部位。处于水下区混凝土中的钢筋缺少发生电化学反应的必要条件氧气，发生锈蚀的速率十分缓慢。在大气区中，由于水泥水化时会在混凝土中生成大量的碱性物质Ca(OH)2，钢筋表面会生成一层稳定致密的氧化物钝化膜(γ-Fe2O3·nH2O)，从而使得阳极铁溶解被阻止，避免了锈蚀。而对于处于浪溅区和水位变动区的混凝土，在干湿交替作用以及混凝土内外海水浓度差导致的渗透作用下，氯离子往混凝土内部转移。

当海水渗入混凝土时，其携带可溶性盐类以带正、负电荷的离子形式对水泥石中的碱(如氢氧化钙)和盐(如硫铝酸钙)等晶体表面离子产生异性电荷间的吸引作用，使得晶体表面离子间结合力减弱，晶体表面离子脱离晶体结构溶入浸入混凝土的海水中，最后渗出到海洋中。在溶解作用的长时间作用下，干湿交替区海水浸入和渗出频繁发生，混凝土中的碱和盐总溶解量不断增多，混凝土孔隙率逐渐增大，为海水中其它盐类的活动以及氯离子的侵蚀创造了有利条件。

通过以上途径，氯离子进入到钢筋钝化膜处，当其浓度增大时，该点周围ph值下降，钝化膜不能继续稳定存在，逐渐被破坏，氯离子随之与钢筋直接接触，使得接触点变成阴极区，而钢筋中的二价铁离子成为阳极区，两者构成腐蚀电池。海水中富含的溶解氧离子此时便起到推波助澜的作用，使得二价铁离子与之反应生成氢氧化铁。

Fe+O2+H2O→Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

根据所处的环境条件，氢氧化铁与溶解氧发生反应产生不同的化学产物。当溶解氧不足时，氢氧化二铁会氧化不完全，生成黑锈(Fe2O3)；而当水分不足时，氢氧化三铁会生成红锈(FeOOH)。氯离子本身并不构成腐蚀电池产物，但它却可以不断地带出二价铁离子，源源不断地消耗二价铁离子生成铁锈，直至将钢筋锈蚀完全。锈蚀后的钢筋体积增大，钢筋附近混凝土表面拉应力增大，容易造成混凝土表面鼓包甚至是顺筋开裂。

2 裂缝修补技术

2.1 非耐久性修补

2.1.1 封闭法

对于宽度处于0.2～0.3 mm之间的裂缝通常采用封闭法处理，采用水泥砂浆或者环氧树脂砂浆等封缝材料对裂缝进行修补。

2.1.2 灌浆法

对于宽度>0.3 mm的裂缝或者贯穿裂缝应在清除裂缝表面松散物和缝内异物之后，沿裂缝端部、交叉处以及贯穿裂缝两侧按一定的间距埋设灌浆嘴，通过压力将弹性聚氨酯浆、水溶性聚氨酯浆等灌浆材料压入裂缝内达到修补的目的。

2.2 耐久性修补

港口水工建筑物钢筋混凝土需要耐久性修复的多数是由于钢筋锈蚀产生锈胀裂缝和层裂。因此在修复过程中，必须先凿除锈胀裂缝和层裂处的混凝土，然后除去钢筋上的铁锈，接着用高压淡水冲洗，将修补断面涂上界面粘结材料，最后立模浇筑混凝土，恢复构件原断面。对于修补后目标使用年限超过十年的，还应该对整个构件混凝土表面采用硅烷浸渍，喷涂涂层防护，或者用电化学脱盐法、外加电流阴极保护法进行处理。

3 裂缝修补中存在的问题及看法

3.1 修补方法不合理

在对广西钦州港、防城港以及北海等地区部分码头进行胸墙裂缝修补质量检测时发现，一些码头胸墙临水面部分裂缝已经顺筋开裂，表明混凝土中的钢筋非常有可能已经锈蚀，但修补方案中并未对这些钢筋做钢筋锈蚀性状检测，仅根据裂缝尺寸盲目选择封闭法或者灌浆法进行修补，不仅无法起到该有的修复作用，更忽略了其耐久性损伤的事实，使得码头胸墙结构无法得到及时的维护和修补，长时间在危险状态下运行，安全隐患极大。

在对胸墙混凝土裂缝进行修补之前，码头运营管理方应委托专业的检测机构统计胸墙临水面裂缝的类型，判断其属于竖向裂缝、横向裂缝还是网状裂缝，同时采集裂缝的长度、宽度、深度、数量和分布数据，并对较宽或较深的裂缝，尤其是顺筋裂缝，采用电位法或者钻芯法做钢筋锈蚀性状检测，以了解钢筋是否已经锈蚀。检测机构应就现场采集的裂缝数据，结合码头结构设计使用年限，评估其是否需要进行耐久性修复或非耐久性修复，以此制订科学严谨又适用于工程实际的修补方案，指导现场修补工作科学合理、严谨有序地进行，最大程度上修复损伤的码头胸墙混凝土结构，抑制裂缝的发育。

3.2 缺乏对裂缝发育情况的监控

现场检测发现，部分裂缝在修补后由于受到外界荷载的作用，如干湿交替和船舶撞击，持续发育，不断加深加宽，一些蔓延到钢筋处，使得该处混凝土与钢筋胶合力减弱，对结构耐久性产生巨大破坏；还有个别裂缝发育成为层裂，严重威胁胸墙混凝土结构的完整性，码头结构使用耐久性急速降低，危险程度迅速升高。

裂缝修补不应该是“一锤子买卖”，运营管理方应定期对裂缝进行观测、检查，观察裂缝修补的实际效果，有无继续发育现象和新的裂缝产生。对于发育裂缝，可以掌握其发育动态，通过分析裂缝继续发育的原因，从而采取必要的控制措施或者是修补加固措施；对于新产生的裂缝，除了分析其是否需要修补之外，更应着重研究其产生原因，研究可以通过哪些实际措施预防新裂缝的产生。通过预防新裂缝的产生和控制已有裂缝的发育，使码头胸墙结构耐久性降低速率处于一个可控的范围之内，码头结构的使用安全性得到较大的保障，从而避免重大工程事故的发生。

4 结语

海港码头胸墙结构混凝土表面在温度、荷载以及海水侵蚀的作用下十分容易产生裂缝，对结构使用耐久性和安全性影响极大，需要根据其实际尺寸及混凝土内钢筋锈蚀状况选择合理的修补技术进行专业处理，并对裂缝定期进行观测和检查，掌握其发展动向，

及时采取相应的补救措施，确保工程结构在设计使用年限内能够安全、稳定地使用，尽可能降低发生安全事故的风险。