摘要：分析高桩梁板式码头受腐蚀机理，从混凝土耐久性问题产生机理角度对高桩码头进行研究，并从设计、施工角度提出相应的修复措施。

　　关键词：高桩梁板式码头耐久性氯离子氰凝

　　自建国以来，混凝土高桩梁板式码头结构在我国淤泥质海岸及河口地区被普遍推广。该结构经过多年生产实践，体现出技术成熟、受力明确、预制装配化程度高、施工方便等显著优点，特别适用于沿海软土地基，在业内已深受青睐。但是设计施工方便成熟的同时，生产实践中也曝露出这一结构的耐久性问题。因此，码头修复课题在港口建设发展中仍然占有这十分重要的作用。

　　高桩码头结构耐久性问题机理

　　混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，保持其自身工作能力的性能。由混凝土耐久性引起的结构工作性能的改变包括混凝土结构构件的承载能力降低，最终影响整个结构的安全性。通常情况下，钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用，同时，混凝土中的氢氧化钙饱和溶液为钢筋提供的是一个高碱度的环境（pH>12.5），能使钢筋表面沉积一层致密的、难熔的氧化铁、氧化亚铁和氢氧化铁薄膜，称为钝化膜，使钢筋即使在有空气和水存在的情况下也不被锈蚀破坏。当碱性环境降低时，钝化膜逐步被破坏，钢筋逐渐开始锈蚀。当pH<12时，锈蚀速度明显增大。混凝土结构中钢筋锈蚀受许多因素影响，包括：钢筋直径，水泥品种，混凝土实密度，保护层的完好性以及外部环境等。本文重点讨论海洋腐蚀环境对混凝土结构的侵蚀。

　　1、氯离子侵入混凝土

　　海洋中的氯离子以海水、海雾等形式渗入混凝土中，影响混凝土结构的使用性能和寿命，以往的海港码头等工程多数达不到设计寿命要求，氯化物算是最危险的侵蚀介质，应引起高度重视。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：①破坏钝化膜。氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处并发生化学反应，可使该处的pH值迅速降低，甚至可以达到酸性程度，从而破坏钢筋表面的钝化膜；②形成腐蚀电池。实际工程中的混凝土是不均质的，钢筋表面钝化膜的虽然局部发生了破坏，但是这些部分露出的铁基体和完好的钝化膜区域却形成了电位差。铁基体作为阳极受到腐蚀，大面积钝化膜作为阴极，腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑。同时，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑的发展会十分迅速；③去极化作用。氯离子在上述的化学反应中是不被消耗的，它的搬运作用使得阳极过程加速进行，即加速了腐蚀电池的作用。一旦氯离子进入混凝土，便不停得起到破坏作用，危害巨大；④导电作用。混凝土中氯离子的存在，强化了离子通路，降低了两极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程，钢筋加速锈蚀。

　　阳极：Fe→Fe2++2e，

　　阴极：O2+2H2O+4e→4OH-，

　　阳极表面二次化学过程：

　　Fe2++2OH-？坂Fe（OH）2，

　　4Fe（OH）2+O2+2H2O？坂4Fe（OH）3.

　　通常氯离子的侵入方式是以几种侵入方式的组合而作用的。在许多情况下，扩散被认为是一种主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程一般满足Fick第二定律，即：

　　，C为扩散物质的体积浓度（kg/m），t为扩散时间（s），x为距离（m）。D为溶质的扩散系统，通常看为常数。也可整理为：

　　，其中，Ci为混凝土中原始氯离子含量，Cs为混凝土表面氯离子含量，为误差函数，x为距离混凝土表面的深度，D为混凝土中氯离子扩散系数。模型可以从定性的角度对氯离子扩散给出合理的解释，但是一些参数很难确定，定量计算的准确度还有待观察。

　　2、海水中的硫酸盐的侵蚀

　　海水中的硫酸盐（镁盐、钠盐）与混凝土的氢氧化钙反应生成CaSO4之后又迅速与水泥石中的CaO·Al2O3·12H2O作用生成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。生成钙矾石后，固相体积是原来的1.5倍以上，在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构物的破坏。特别在氯离子侵蚀后，这种膨胀对混凝土的破坏作用是加倍的。

　　此外，混凝土的碱-集料反应和北方地区混凝土冻融破坏，在建筑行业中具有普遍性，本文不做重点介绍。

　　3、人为原因

　　建造原因，主要是指在施工环节上面达不到设计标准。比如：混凝土保护层的厚度控制不当，导致厚度不足；还有水灰比偏大、混凝土振捣不均以及施工单位急于赶工期，"重浇筑，轻养护"，人为缩短养护时间，提前拆除模版；甚至混凝土表面产生裂缝，使得有害物质直接通过裂缝进入混凝土内部。

　　管理使用原因，即港口单位对码头的超负荷运用。对于船公司等运输企业来讲，"多拉快跑"产生效益，他们派出专业的疏港人员会去不断地给港口单位施压，同时我国各港口间竞争激烈，为了揽住客户，各港口单位普遍存在超负荷使用码头的情况。例如，专家审批会过后的大型船靠泊，还有堆场的超载使用。这无疑缩短了高桩梁板码头的使用寿命。

　　修复措施

　　1、从设计建造角度，权衡好造价与码头的使用寿命

　　耐久性的提高伴随着造价成本的提升。施工方面，宏观地讲，要严格监管，切实达到设计标准。

　　控制好水灰比。较大的水灰比使混凝土的孔径和孔隙率增大，这样氯离子等有害物质更容易通过孔隙渗透到钢筋表面，从而加快了钢筋的锈蚀，在JTJ228-1987《海港钢筋混凝土结构防腐蚀技术规范》中规定浪溅区水灰比最大值为0.45。

　　确保最低水泥用量。最小水泥用量主要从造价角度考虑，可保证混凝土的和易性和密实性，JTJ228-1987《海港钢筋混凝土结构防腐蚀技术规范》规定海水环境浪溅区混凝土的最低水泥用量不得少于400kg/m3。

　　确保足够的保护层厚度。我们知道，钢筋的锈蚀时间近似与保护层厚度的平方成正比。适当增加混凝土保护层厚度，可以延长氯离子等有害物质渗透到钢筋周围并且破坏钢筋钝化膜的时间。检测中发现的众多裂缝、锈斑锈迹等腐蚀严重区域的保护层均明显偏小，即可证明早期高桩梁板码头重视造价和强度，耐久性方面，保护层的厚度不够。

　　钢筋防锈。钢筋材料自身的改进，如采用镀锌钢筋和不锈钢钢筋等，不过造价很高；或者在钢筋表面做涂层防护，如环氧涂层钢筋等，但需处理涂层钢筋与混凝土的粘和问题。

　　采用结构表面喷涂防腐防渗涂层。一个好的防腐涂层可以阻断有害物质对混凝土和钢筋的侵入路径，国外上世纪60年代提出"聚合物浸渍混凝土"概念，日本上世纪90年代采用一种新型环氧硅烷喷涂材料，喷涂后溶液可渗透到混凝土2.5-12.5mm深度，起到抑制氧气、水以及氯化物对混凝土的渗入。因此我们要大力开发新的涂层材料并探索涂层工艺。

　　2、对已有工程结构的破损及时修补，防微杜渐

　　在对高桩梁板式码头的日常运营维护中，我们要勤检查，争取早发现问题，这样处理起来不仅方法简单，而且可以节约很大的成本。特别要重视小裂缝，很多业主单位认为通常低于0.2mm的混凝土裂缝可以不做处理，这绝对不适用于海港高桩码头，已有大量教训摆在眼前了。

　　当混凝土结构无须加强时，裂缝灌浆修补被公认为是经济合理的方法。使用该方法进行修补以恢复结构的整体性，堵塞氯离子的入侵通道，目前国内已经有成熟技术对0.15mm裂缝进行灌浆封闭了。水上作业难度大，受潮汐影响作业时间短，对人员的操作技能要求高，这些复杂因素造成了在修复材料的选择上必须体现出快速固化有效防护的特点。国内目前较广应用的是环氧树脂类和氰凝材料。

　　环氧在强度和耐化学腐蚀方面有很好的性能，并且施工面小，黏结力好，材料干硬速度快，封闭效果好，对生产影响相对较小，但是对于过细过深的裂缝填塞比较困难，对潮湿、温度变化适应能力差。氰凝材料是在天津地区本土研制成功并逐步推广的，并参与了唐山大地震后港工建筑的修复工作，经受了后期余震和时间的检验。氰凝粘度比环氧低，可灌入性好，并且固结体强度高，同时抗拉、抗压的韧性优越，与钢筋和混凝土的粘结强度理想。因而耐冲撞，耐摩擦，不会爆裂。尤其是它适用于在潮湿的环境中反应、固结，适应码头修复的作业环境。可是，另一方面氰凝材料的固化剂容易吸潮、与水反应，海上作业对填充物的固化速度有严格要求，施工人员需注意保持材料干燥。为了达到良好的修复效果，在施工时要确保材料的充分混搅、拌合、填充。期间绝对不能用海水，必须用淡水搅拌。

　　3、如果检验发现混凝土的结构破损严重，首先需要清除构件受损混凝土和钢筋

　　常规的办法是增加外包的混凝土、在新增混凝土中增加配筋，以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性。但是此方法工程量大，周期长。相比之下，外贴高强纤维材料（目前碳纤维应用广泛）同样可以达到封闭裂缝和结构补强的作用，但是施工速度快、施工后很快就能达到设计要求。

　　4、码头运营维护

　　归根到底码头是为海上运输服务的，为了安全生产、为了使码头合理使用，我们要尽力避免泊位的超吨位靠泊，堆场的超负荷运营以及要确保船舶的安全靠离港。否则船舶对码头的碰撞事故以及超负荷运营都将缩短码头的使用寿命。

　　结语

　　海洋中的氯离子是造成高桩梁板式码头耐久性问题的主要原因，它渗透浸入混凝土结构中，破坏钢筋表面钝化膜，形成腐蚀电池，而且在反应中不被消耗，不停地破坏混凝土结构。在码头设计阶段，就要从造价预算等方面给耐久性预留足够的空间，重视耐久性要从钱上面重视。施工阶段要确保足够的混凝土保护层，钢筋最好能做涂层防护。码头运营方面要严格遵守设计使用规范，不超载不冒进，而且对码头结构要勤检查，尽早发现问题。当混凝土结构无须加强时，选用氰凝材料进行裂缝灌浆修补是经济合理的方法；如果如要对混凝土结构做加强修补，选用新型的碳纤维材料相对外包混凝土的传统工艺省时省力。

 

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