港工結(jié)構(gòu)耐久性分析與研究

周振平

摘要：對港口工程結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)的耐久性問題進(jìn)行分析研究，從材料使用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海上施工等幾方面進(jìn)行分析論證，以期拋磚引玉，找到更好的提高結(jié)構(gòu)耐久性的方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)耐久性；材料防腐；高性能混凝土

一、 港口工程結(jié)構(gòu)耐久性的現(xiàn)狀

在港口建筑工程中，對結(jié)構(gòu)發(fā)生作用的因素主要分為三類：荷載、災(zāi)害、環(huán)境。其中荷載和災(zāi)害因素主要對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，以往的研究也比較多，而環(huán)境因素主要對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響，由于這類影響的長期性和隱蔽性，長期以來并未獲得足夠的重視。具體來講，環(huán)境因素包括海洋、土壤和大氣中各種鹽類的腐蝕作用、除冰鹽的使用、由氣候條件引起的凍融循環(huán)和干濕循環(huán)等。此類耐久性問題帶來的后果不僅會造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，也給結(jié)構(gòu)的安全性帶來巨大隱患。

港工混凝土結(jié)構(gòu)破壞的原因首先是鋼筋腐蝕，其次是凍害。因長期使用除冰鹽引起的耐久性問題同樣嚴(yán)重，此外，我國西部地區(qū)大范圍的鹽漬土，北方地區(qū)的凍融環(huán)境，均使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)重的耐久性問題。

由于耐久性問題帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，港口工程的耐久性引起了人們越來越多的關(guān)注。隨著近年國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，港口工程建設(shè)的質(zhì)量要求越來越高，同時港口建筑工程的全壽命成本分析也得到了越來越多的關(guān)注，因此對結(jié)構(gòu)耐久性也提出了更高的要求。

鑒于最近幾年工程界對結(jié)構(gòu)耐久性要求的大幅提高，耐久性問題得到了前所未有的關(guān)注，新材料新技術(shù)大量涌現(xiàn)，解決了不少實(shí)際問題，極大地推動了港口工程耐久性技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。為了能夠更好地利用目前發(fā)展的技術(shù)解決結(jié)構(gòu)的耐久性問題，在實(shí)踐過程中必須重視以下幾點(diǎn)。

首先是轉(zhuǎn)變觀點(diǎn)，由于環(huán)境因素往往對結(jié)構(gòu)物的建造材料直接產(chǎn)生影響，使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為因材料劣化而失效，因而人們片面地認(rèn)為，采用了耐久性材料就解決了結(jié)構(gòu)耐久性問題。然而，國內(nèi)外大量實(shí)踐情況表明，耐久性問題的解決不僅僅是材料的問題，更需要解決施工過程中的管理和質(zhì)量控制問題。

其次是要綜合運(yùn)用多種技術(shù)來解決耐久性問題。例如，高性能混凝土是解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一種非常有效的手段，但要發(fā)揮其高耐久性的特點(diǎn)，不僅要有材料配制的技術(shù)，還需要先進(jìn)的原材料加工技術(shù)、施工養(yǎng)護(hù)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的全面考慮。

二、 多種耐久性技術(shù)的綜合使用

對港口工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行“耐久性設(shè)計(jì)”的概念在我國則近幾年才出現(xiàn)。現(xiàn)如今已出現(xiàn)了多種非常有效的提高結(jié)構(gòu)耐久性的方法，以抗腐蝕技術(shù)為例，就有如下幾種有效的技術(shù)方法。

（1）高性能混凝土的應(yīng)用

所謂高性能混凝土就是以一定的新材料配制技術(shù)以及良好的生產(chǎn)、澆搗和養(yǎng)護(hù)技術(shù)，達(dá)到高工作性、高強(qiáng)度以及高耐久性，尤以高耐久性為其區(qū)別于普通混凝土的最明顯特征。主要方法是通過摻用活性礦物摻合料（粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅粉等），提高混凝土的性能，有效阻止氯離子的滲入，從而達(dá)到有效保護(hù)鋼筋的目的。

（2）鋼筋混凝土構(gòu)件外施用防滲涂料

在混凝土構(gòu)件外表面施用各類涂料，如封閉型和滲透型涂料?；虿捎美w維增強(qiáng)材料等直接裹覆，可在其使用壽命內(nèi)有效隔離氯離子的滲透。

（3）增加混凝土保護(hù)層厚度

眾多的調(diào)查和試驗(yàn)都顯示，在氯鹽環(huán)境下的港口工程結(jié)構(gòu)中增加混凝土保護(hù)層厚度是提高耐久性的一項(xiàng)有效措施。

（4）混凝土中摻用阻銹劑

利用化學(xué)物質(zhì)提高鋼筋開始銹蝕的電位，可降低鋼筋表面鈍化膜對氯離子的敏感性，從而提高港口工程結(jié)構(gòu)的耐久性。

（5）鋼筋表面使用防腐涂料

經(jīng)噴砂除銹鋼筋表面敷涂一層致密的防腐涂料層，使鋼筋與腐蝕性環(huán)境隔離。

以上是提高港口工程混凝土耐久性的幾種較為常用的技術(shù)手段，在實(shí)際工程中，單靠一種技術(shù)常常是達(dá)不到所需要的耐久性要求的。根據(jù)理論研究，將幾種耐久性技術(shù)合理綜合應(yīng)用，可產(chǎn)生事半功倍的效果，從而得到港口工程結(jié)構(gòu)耐久性的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

三、 材料設(shè)計(jì)與施工的合理結(jié)合

在結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)過程中，必須要有適應(yīng)于材料設(shè)計(jì)的施工工藝。目前國內(nèi)廣泛使用的高性能混凝土，由于各類活性礦物摻合料的應(yīng)用以及采用較低的水膠比，極大地改善了混凝土的顆粒級配，使混凝土達(dá)到了前所未有的致密性和抗?jié)B性，但由于高性能混凝土拌和物含細(xì)材料多，又往往采用較低的水膠比，因此成為低泌水材料，因此相比普通混凝土?xí)a(chǎn)生較大的塑性收縮。高性能混凝土的水化作用持續(xù)時間也比普通混凝土長得多，如果外界沒有水分交換條件，水化作用會消耗漿體內(nèi)部自身水分而產(chǎn)生自收縮。膠凝材料的活性越大、水膠比越低，則自收縮越大。因此高性能混凝土如果按照普通混凝土的要求進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)，極易引起因早期收縮而造成的開裂，而裂縫一旦出現(xiàn)，將為氯離子的侵入提供快速通道，高性能混凝土所應(yīng)有的耐久性就不能實(shí)現(xiàn)。因此在高性能混凝土的應(yīng)用過程中，應(yīng)通過及時養(yǎng)護(hù)、延長浸水養(yǎng)護(hù)時間、覆蓋塑料薄膜等措施，避免其開裂，使其發(fā)揮最大作用。

四、材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理結(jié)合

目前我國的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本上是基于安全性和承載力的設(shè)計(jì)，而對各種環(huán)境因素作用下的結(jié)構(gòu)耐久性缺乏較完整的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有明確的設(shè)計(jì)使用壽命要求。在這種情況下，結(jié)構(gòu)耐久性問題的解決往往依賴施工過程中的材料選擇和施工工藝的改進(jìn)。

從防止構(gòu)件開裂的意義上來講，業(yè)界普遍存在一個共識：合理的配筋可以有效控制鋼筋混凝土構(gòu)件開裂，而控制開裂是保證結(jié)構(gòu)耐久性的一項(xiàng)重要措施。

對海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土，氯鹽污染導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的的最主要因素，因此結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測也主要針對氯離子侵入過程的計(jì)算來進(jìn)行。

可見，獲得更好耐久性的根本措施在于降低砼材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和增加保護(hù)層厚度。因此在追求材料高性能的同時，增加保護(hù)層厚度成為提高結(jié)構(gòu)耐久性的最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施。

需要指出的是，合理配筋所防止的是結(jié)構(gòu)裂縫，包括荷載引起的裂縫和大體積混凝土溫度變化所引起的裂縫，與上述混凝土早期裂縫不同?；炷恋脑缙谑湛s裂縫與材料和施工因素有關(guān)，而結(jié)構(gòu)裂縫的控制很大程度上取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高性能混凝土與普通混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫在本質(zhì)上是一樣的，盡管高性能混凝土因摻入了大量礦物摻合料而具有較低的水化熱，但由于現(xiàn)代大型工程的構(gòu)件往往比較大，而為了獲得較高的耐久性又采用較厚的保護(hù)層，仍然較易出現(xiàn)此類裂縫。

可見合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效保證結(jié)構(gòu)的耐久性，同時在配筋設(shè)計(jì)中，應(yīng)在增加保護(hù)層厚度與控制構(gòu)件開裂之間尋求一個平衡點(diǎn)，使鋼筋保護(hù)層在不開裂的情況下最大程度地發(fā)揮其護(hù)筋作用。

五、材料設(shè)計(jì)與材料生產(chǎn)的合理結(jié)合

港口工程結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要先進(jìn)的材料技術(shù)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及良好的施工工藝，同時材料的生產(chǎn)技術(shù)也至關(guān)重要。高性能混凝土用于海上施工時存在以下問題：

（1）海上施工的可操作性

由于水泥和外摻料分別加入，現(xiàn)場施工時要求配有相應(yīng)筒倉，但海上施工時主要由攪拌船進(jìn)行施工作業(yè)，受空間限制，一般不可能配置太多筒倉，且各筒倉的容積比很難與膠凝材料的組成比例相吻合，使上料后連續(xù)澆筑的混凝土方量大打折扣。

（2）對工期的影響

海洋上的氣候與施工條件遠(yuǎn)比陸地苛刻，有效施工時間遠(yuǎn)少于陸上，船機(jī)工作效率大大降低。

六、建立結(jié)構(gòu)的綜合評估技術(shù)

海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，海水中氯鹽的長期滲透會使鋼筋銹蝕、體積增大，有效斷面減小，造成構(gòu)件實(shí)際承載力的降低。如果鋼筋銹蝕引起保護(hù)層混凝土脹裂、脫落，則對構(gòu)件承載力的影響更大。對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，保護(hù)層的缺失還直接影響到預(yù)應(yīng)力筋的錨固性能，從而形成結(jié)構(gòu)的安全性隱患。此類安全隱患目前在結(jié)構(gòu)評估中是較少考慮的。

因此，建立結(jié)構(gòu)安全性、承載力與耐久性的綜合評估技術(shù)意義重大。

七、小結(jié)

港口工程結(jié)構(gòu)的耐久性問題是普遍存在的，我們應(yīng)該在實(shí)際工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，逐漸探索適應(yīng)中國國情的新技術(shù)，目前，港口工程結(jié)構(gòu)耐久性問題正引起越來越多的關(guān)注，隨著有關(guān)研究的逐步深入和更多的工程實(shí)踐，港口工程結(jié)構(gòu)耐久性問題必將得到更好的解決。