福建某高桩码头混凝土耐久性检测与分析

王振云 福建省福州港口发展中心水运工程质量安全技术站

1.前言

高桩码头是目前国内外较为成熟的码头结构型式，在福建地区更是得到广泛应用，处于海洋氯盐污染环境中的海港工程钢筋混凝土结构，尤其是处于浪溅区的上部结构易受氯盐诱发的钢筋腐蚀，且混凝土结构一旦受损，直接影响码头的耐久性，甚至是码头运营安全和使用年限。本文基于福建某高桩码头混凝土结构耐久性调查和检测成果，开展码头耐久性评估（混凝土结构外观劣化度评估和结构使用年限预测），分析影响该码头混凝土结构耐久性因素，并提出提高耐久性的相关措施与建议。

2.工程概况

某码头为3000吨级散货泊位，采用高桩梁板式结构，码头平台平面尺寸为129m×22m，桩基采用600mm×600mm预应力混凝土方桩，上部结构主要由横梁、纵梁、轨道梁和面板组成。栈桥平面尺寸为247.8m×8m，桩基采用600mm×600mm预应力混凝土方桩，上部结构为横梁空心大板结构。该码头于2010年投入使用。

该码头位于福建福州港闽江口，所在区域属于亚热带和季风气候，多年平均气温19.0℃，水域盐度2%，多年平均风速1.8m/s，多年平均相对湿度82%，是受潮汐控制的强潮河口港，潮型为正规半日潮，平均潮差4.1m。

3.检测结果

3.1 外观调查

外观调查采用目测、尺量、锤击、摄影和录像等方式。主要调查混凝土破损、钢筋锈蚀引起的锈迹、裂缝、起鼓、剥落和露筋的位置、数量、宽度、长度、面积等内容，外观调查部分现状如图1～图6所示。

根据外观调查结果，预应力方桩桩身基本完好，上部结构大部分混凝土构件基本完好，码头外观主要缺陷为：部分预制面板泄水孔底部混凝土破损、露筋；预制纵梁底部混凝土破损、露筋，有锈斑；上横梁混凝土破损，支模拉杆未处理；预制轨道梁个别边角混凝土破损。

3.2 检测结果

3.2.1 混凝土抗压强度、碳化深度和钢筋保护层厚度

混凝土抗压强度检测采用回弹法，并用取芯法检测验证，设计强度等级C40。回弹值测量完毕后，在有代表性的测区上测量碳化深度值，并根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JTG/T193-2009）规定判定混凝土抗碳化性能等级。钢筋保护层厚度采用混凝土保护层厚度测定仪检测，并用局部破损的方法对测定仪测量结果进行校核。

图1 纵梁梁底锈斑

图2 纵梁混凝土破损

图3 预制面板局部混凝土破损

图4 预制面板混凝土破损、露筋

图5 上横梁钢筋外露

图6 上横梁钢筋外露

从检测结果可知，抽检码头平台各类构件混凝土抗压强度均满足设计强度等级要求，钻芯法抽检码头横梁的混凝土强度等级满足设计要求。混凝土平均碳化深度最大值为5.5mm，符合混凝土构件抗碳化性能T-IV级要求，表明混凝土构件抗碳化性能良好。

码头横梁、栈桥桩帽钢筋保护层厚度合格率为80%及以上、最大负偏差值不大于-7.5mm（允许负偏差-5mm的1.5倍），满足规范要求。码头面板钢筋保护层厚度均超过设计及允许正偏差，合格率为0，不满足规范要求。码头纵梁、码头轨道梁和栈桥面板钢筋保护层合格率小于80%，且最大负偏差值大于-7.5mm，经凿除验证，钢筋保护层厚度不满足规范要求。

3.2.2 钢筋腐蚀电位及钢筋的腐蚀截面面积损失检测

对外观无明显缺陷、无法判明混凝土内部钢筋是否锈蚀的混凝土构件采用“半电池电位法”进行检测。抽检码头及栈桥混凝土构件各3件，实测腐蚀电位值均大于-200mV，表明检测区域发生钢筋锈蚀的概率小于10%。对码头横梁HL12和靠船构件KCGJ20钢筋锈蚀处周围混凝土进行凿除，计算钢筋截面损失率分别为4.13%和4.31%，表明钢筋截面损失较小。

3.2.3 混凝土中氯离子渗透扩散情况检测

对混凝土构件由外至内每10mm取1层粉样，共计5层，第一层样品作为混凝土表面氯离子含量，第五层作为钢筋表面混凝土氯离子含量。

结果表明：随着深度的增加，氯离子含量依次递减，各构件在钢筋保护层厚度50mm时氯离子浓度在0.11%～0.147%之间，均小于引起混凝土中钢筋锈蚀的氯离子含量临界值，说明诱发混凝土内部钢筋锈蚀的可能性较小。各构件氯离子扩散系数均在海水环境混凝土抗氯离子渗透性最高限值内，说明抗氯离子渗透性能较好。

3.2.4 桩身完整性

采用反射波法对基桩进行低应变动力检测，共检测43根桩，其中码头平台检测33根桩，均为Ⅰ类桩，栈桥检测10根桩，均为Ⅰ类桩，桩身完整性满足设计要求。

4.耐久性评估

4.1 混凝土结构外观劣化度评估

外观劣化度评估等级分为A、B、C、D四个，从钢筋锈蚀、裂缝、剥离剥落三个外观检测结果按不同构件种类开展评估。其中，外观劣化度评估等级为C级或D级的构件应进行安全性和适用性评估。

4.2 结构使用年限预测

海水环境下，混凝土耐久性分别按钢筋开始锈蚀（ti）、保护层锈胀开裂（tc）和功能明显退化（td）3个阶段进行评估。钢筋混凝土结构使用年限（te）预测是3个阶段的时间相加计算，即te=ti+tc+td。钢筋混凝土结构剩余使用年限（tre）为钢筋混凝土结构使用年限（te）减去混凝土结构自建成至检测时已使用的时间(t0)，即tre=te-t0。

表1 主要混凝土构件缺陷一览表

表2 混凝土强度、碳化深度及钢筋保护层厚度检测汇总

表3 各层氯离子含量占胶凝材料质量百分比

计算式中混凝土强度取实测值，钢筋保护层厚度取实测最小值，混凝土表面氯离子含量及氯离子扩散系数按实测值推算，钢筋直径取设计值。各构件耐久性使用预测年限及剩余年限计算结果见表5。

从表中可以看出，横梁在钢筋的实测混凝土保护厚度66mm时，耐久性预测年限为256.38a，满足设计使用年限50a要求。纵梁在钢筋的实测混凝土保护厚度最小值37mm时，耐久性预测年限为42.6a，不满足设计使用年限50a要求。

4.3 耐久性评估结论

综合外观调查、混凝土耐久性专项指标检测结果以及混凝土结构使用年限预测情况，码头部分材料劣化度符合B级标准，耐久性不满足设计使用年限要求，结构损伤尚不影响承载能力，应及时采取修复措施。

5.混凝土结构耐久性分析

该码头预应力方桩桩身外观基本完好，均为I类桩，保持了其完整性；主要混凝土构件抗压强度符合设计等级，混凝土碳化深度较小、有良好的抗碳化能力；抽查构件钢筋截面损失率较小、对钢筋性能无明显影响，构件钢筋腐蚀电位结果表明检测区域发生钢筋锈蚀的概率小于10%；构件钢筋表面混凝土氯离子含量及氯离子扩散系数均在限值内，有良好的抗氯离子渗透能力。个别混凝土构件存在少量表观缺陷，局部钢筋保护层厚度不足，结构耐久性存在一定受损。

（1）该码头位于福建福州港闽江口（为高盐度、高温度、高湿度海洋地区），钢筋混凝土结构受到波浪、风、水流、日照、二氧化碳、潮汐以及氯盐等侵蚀的作用相对突出，是影响码头耐久性的主要因素。从自然水文条件调查来看，该码头地理位置优越，周围岛屿的屏障保护有效避免了风浪袭击、减弱了物理损伤，但受潮位影响显著，长期在强劲的潮汐作用下，加速了有害介质侵入混凝土内部的速率，推算出的构件氯离子扩散系数数值较接近最高限值。水体中的盐度较小，侵蚀性盐含量较低、减弱了化学损伤，实测混凝土中氯离子含量尚未达到侵蚀破坏钢筋混凝土临界值。

（2）横梁混凝土浇筑后，多处支模拉杆未拆除、暴露在混凝土表面，外露拉杆锈蚀后会导致混凝土内部钢筋的锈蚀，降低了钢筋本身的抗拉强度以及钢筋与混凝土之间的粘结力，会引起混凝土胀裂，使结构过早产生局部破坏，对工程的结构安全和耐久性有直接影响。

（3）不重视钢筋保护层相关工序的隐蔽验收，施工过程质量控制不严，导致部分混凝土结构钢筋保护层厚度偏差超过规范允许值。码头纵梁、码头轨道梁和栈桥面板钢筋保护层厚度不足，虽然构件混凝土达到强度且密实，但仍导致钢筋的保护标准降低，抗氯离子渗透的路径缩短，钢筋锈蚀膨胀使保护层破坏，外观普查中也发现个别纵梁底部出现锈斑。码头面板钢筋保护层厚度过厚，会造成混凝土受压区面积减小，使结构承载力下降、受拉区混凝土表面开裂机率增加，严重时可直接引起结构破坏。

表4 外观劣化度评估一览表

表5 混凝土构件耐久性使用预测年限及剩余年限

（4）混凝土成品保护不足，外观普查中ZL20-A被碰撞损伤，破损面积约2m2、露筋10处个，但修补质量达不到要求，会降低局部混凝土强度、钢筋保护层厚度减小，造成结构破坏，影响混凝土结构耐久性及使用寿命。

6.建议

6.1 耐久性检测评估等级为B级且修补后目标使用年限不大于10a时

耐久性检测评估等级为B级且修补后目标使用年限不大于10a时，应根据混凝土结构破损情况分类进行修补。

（1）横梁支模拉杆孔应进行钻孔切割处理，切割深度满足保护层厚度要求，修补处混凝土应保证强度和密实满足要求。

（2）混凝土局部破损、露筋的构件，应凿除破损部位松散混凝土，选用立模浇注混凝土、喷射混凝土或聚合物水泥砂浆进行填充修补，恢复构件原断面。

（3）钢筋保护层厚度不足的构件，可对构件整个混凝土表面采取硅烷浸渍或涂覆混凝土表面涂层进行防护。

6.2 使用单位对修补后的混凝土结构目标使用年限要求较长时（大于15a）

使用单位对修补后的混凝土结构目标使用年限要求较长时（大于15a），可根据腐蚀程度对混凝土结构采取电化学脱盐，使混凝土中已存在的氯离子在电场作用下迁移出混凝土保护层，降低混凝土内的有害氯离子浓度；或采取外加电流阴极保护措施，以抑制钢筋表面形成腐蚀电池使钢筋得到有效保护。

6.3 使用单位应定期跟踪检查经修补或加固的钢筋混凝土结构

破损修补的每2年至少检查一次，加固的每年至少检查一次，如发现异常及时分析原因，采取有效的防腐蚀措施、延长其使用寿命。