海港碼頭胸墻混凝土裂縫成因及修補(bǔ)研究

梁光先，廖家艷

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

海港碼頭工程結(jié)構(gòu)混凝土表面開(kāi)裂不僅破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，還使得其中的鋼筋更容易暴露在外界環(huán)境當(dāng)中而發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，使用耐久性和安全性降低，對(duì)海港碼頭正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生極其不利的影響。在工程施工當(dāng)中，海港碼頭胸墻結(jié)構(gòu)混凝土表面裂縫的修補(bǔ)質(zhì)量往往難以達(dá)到預(yù)期的效果，究其原因是裂縫修補(bǔ)的重要性經(jīng)常被運(yùn)營(yíng)管理方所輕視，資金投入少，一方面不能根據(jù)實(shí)際開(kāi)裂情況采取相應(yīng)的修補(bǔ)措施，裂縫修補(bǔ)“治標(biāo)不治本”，停留在表面化、美觀化的層次；另一方面缺少對(duì)裂縫發(fā)育的監(jiān)控，已修補(bǔ)的裂縫繼續(xù)開(kāi)裂，不斷加深、加寬，得不到及時(shí)處理，其結(jié)果必然是增加了運(yùn)營(yíng)管理方的后期維護(hù)成本，也增加了碼頭工程的安全隱患。本文旨在研究海港碼頭工程結(jié)構(gòu)混凝土裂縫成因及修補(bǔ)

技術(shù)，并對(duì)實(shí)際工程中存在的問(wèn)題提出自己的見(jiàn)解。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

1.1 溫度及荷載的物理作用

1.1.1 溫度裂縫

碼頭胸墻混凝土由于澆筑體積大，在凝結(jié)硬化過(guò)程中水泥產(chǎn)生的大量水化熱難以散逸到環(huán)境中，混凝土內(nèi)部溫度比外界環(huán)境高，使得混凝土表面拉應(yīng)力增大，這種現(xiàn)象在炎熱的夏天尤其容易出現(xiàn)；而在養(yǎng)護(hù)降溫過(guò)程當(dāng)中，混凝土表面也會(huì)有一定的概率產(chǎn)生裂縫，原因是混凝土內(nèi)部由于基礎(chǔ)強(qiáng)約束作用而出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力超過(guò)混凝土本身的抗裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土最薄弱的地方就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞而產(chǎn)生裂縫。

1.1.2 收縮裂縫

混凝土塑性收縮和干縮是混凝土發(fā)生體積變形的誘因，干縮會(huì)使得混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)極限值，混凝土表面就容易產(chǎn)生裂縫。

1.1.3 結(jié)構(gòu)性裂縫

當(dāng)碼頭胸墻混凝土結(jié)構(gòu)承載力不足或者由于基礎(chǔ)的約束力分布不均，胸墻混凝土在上部大荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降，會(huì)引起結(jié)構(gòu)性裂縫；特別是船舶?？克俣冗^(guò)快，撞擊荷載很大，更加產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

1.2 海水的侵蝕作用

1.2.1 鎂鹽的破壞作用

海水中富含MgSO4和MgCl2這兩類鎂鹽，它們都能與混凝土水泥石中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

Ca(OH)2+MgSO4+H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2

反應(yīng)生成的Mg(OH)2容易被海水的溶解作用帶出混凝土流失到海洋環(huán)境中，使得混凝土堿性發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性降低，直接導(dǎo)致水泥石中水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣不能繼續(xù)穩(wěn)定存在，與鎂鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)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，其含有大量的結(jié)晶水，體積比原來(lái)的CaO·Al2O3·6H2O大2.5倍之多，它的生成容易使得混凝土結(jié)構(gòu)體積增大從而產(chǎn)生裂縫。而隨著Mg(OH)2濃度的增大，在混凝土中起到膠結(jié)作用的鋁膠(Al(OH)3)和硅膠(SiO2·3H2O)逐漸與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土中鋁膠和硅膠密度緩慢下降，混凝土強(qiáng)度隨之降低。

Al(OH)3+Mg(OH)2→Mg(AlO2)2+H2O

SiO2·3H2O+Mg(OH)2→MgSiO3+H2O

1.2.2 氯離子的侵蝕作用

海水環(huán)境中的混凝土按照風(fēng)浪影響的不同，可以劃分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)以及水下區(qū)四個(gè)部位。處于水下區(qū)混凝土中的鋼筋缺少發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的必要條件氧氣，發(fā)生銹蝕的速率十分緩慢。在大氣區(qū)中，由于水泥水化時(shí)會(huì)在混凝土中生成大量的堿性物質(zhì)Ca(OH)2，鋼筋表面會(huì)生成一層穩(wěn)定致密的氧化物鈍化膜(γ-Fe2O3·nH2O)，從而使得陽(yáng)極鐵溶解被阻止，避免了銹蝕。而對(duì)于處于浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的混凝土，在干濕交替作用以及混凝土內(nèi)外海水濃度差導(dǎo)致的滲透作用下，氯離子往混凝土內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

當(dāng)海水滲入混凝土?xí)r，其攜帶可溶性鹽類以帶正、負(fù)電荷的離子形式對(duì)水泥石中的堿(如氫氧化鈣)和鹽(如硫鋁酸鈣)等晶體表面離子產(chǎn)生異性電荷間的吸引作用，使得晶體表面離子間結(jié)合力減弱，晶體表面離子脫離晶體結(jié)構(gòu)溶入浸入混凝土的海水中，最后滲出到海洋中。在溶解作用的長(zhǎng)時(shí)間作用下，干濕交替區(qū)海水浸入和滲出頻繁發(fā)生，混凝土中的堿和鹽總?cè)芙饬坎粩嘣龆?，混凝土孔隙率逐漸增大，為海水中其它鹽類的活動(dòng)以及氯離子的侵蝕創(chuàng)造了有利條件。

通過(guò)以上途徑，氯離子進(jìn)入到鋼筋鈍化膜處，當(dāng)其濃度增大時(shí)，該點(diǎn)周圍ph值下降，鈍化膜不能繼續(xù)穩(wěn)定存在，逐漸被破壞，氯離子隨之與鋼筋直接接觸，使得接觸點(diǎn)變成陰極區(qū)，而鋼筋中的二價(jià)鐵離子成為陽(yáng)極區(qū)，兩者構(gòu)成腐蝕電池。海水中富含的溶解氧離子此時(shí)便起到推波助瀾的作用，使得二價(jià)鐵離子與之反應(yīng)生成氫氧化鐵。

Fe+O2+H2O→Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

根據(jù)所處的環(huán)境條件，氫氧化鐵與溶解氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生不同的化學(xué)產(chǎn)物。當(dāng)溶解氧不足時(shí)，氫氧化二鐵會(huì)氧化不完全，生成黑銹(Fe2O3)；而當(dāng)水分不足時(shí)，氫氧化三鐵會(huì)生成紅銹(FeOOH)。氯離子本身并不構(gòu)成腐蝕電池產(chǎn)物，但它卻可以不斷地帶出二價(jià)鐵離子，源源不斷地消耗二價(jià)鐵離子生成鐵銹，直至將鋼筋銹蝕完全。銹蝕后的鋼筋體積增大，鋼筋附近混凝土表面拉應(yīng)力增大，容易造成混凝土表面鼓包甚至是順筋開(kāi)裂。

2 裂縫修補(bǔ)技術(shù)

2.1 非耐久性修補(bǔ)

2.1.1 封閉法

對(duì)于寬度處于0.2～0.3 mm之間的裂縫通常采用封閉法處理，采用水泥砂漿或者環(huán)氧樹(shù)脂砂漿等封縫材料對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。

2.1.2 灌漿法

對(duì)于寬度>0.3 mm的裂縫或者貫穿裂縫應(yīng)在清除裂縫表面松散物和縫內(nèi)異物之后，沿裂縫端部、交叉處以及貫穿裂縫兩側(cè)按一定的間距埋設(shè)灌漿嘴，通過(guò)壓力將彈性聚氨酯漿、水溶性聚氨酯漿等灌漿材料壓入裂縫內(nèi)達(dá)到修補(bǔ)的目的。

2.2 耐久性修補(bǔ)

港口水工建筑物鋼筋混凝土需要耐久性修復(fù)的多數(shù)是由于鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹裂縫和層裂。因此在修復(fù)過(guò)程中，必須先鑿除銹脹裂縫和層裂處的混凝土，然后除去鋼筋上的鐵銹，接著用高壓淡水沖洗，將修補(bǔ)斷面涂上界面粘結(jié)材料，最后立模澆筑混凝土，恢復(fù)構(gòu)件原斷面。對(duì)于修補(bǔ)后目標(biāo)使用年限超過(guò)十年的，還應(yīng)該對(duì)整個(gè)構(gòu)件混凝土表面采用硅烷浸漬，噴涂涂層防護(hù)，或者用電化學(xué)脫鹽法、外加電流陰極保護(hù)法進(jìn)行處理。

3 裂縫修補(bǔ)中存在的問(wèn)題及看法

3.1 修補(bǔ)方法不合理

在對(duì)廣西欽州港、防城港以及北海等地區(qū)部分碼頭進(jìn)行胸墻裂縫修補(bǔ)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些碼頭胸墻臨水面部分裂縫已經(jīng)順筋開(kāi)裂，表明混凝土中的鋼筋非常有可能已經(jīng)銹蝕，但修補(bǔ)方案中并未對(duì)這些鋼筋做鋼筋銹蝕性狀檢測(cè)，僅根據(jù)裂縫尺寸盲目選擇封閉法或者灌漿法進(jìn)行修補(bǔ)，不僅無(wú)法起到該有的修復(fù)作用，更忽略了其耐久性損傷的事實(shí)，使得碼頭胸墻結(jié)構(gòu)無(wú)法得到及時(shí)的維護(hù)和修補(bǔ)，長(zhǎng)時(shí)間在危險(xiǎn)狀態(tài)下運(yùn)行，安全隱患極大。

在對(duì)胸墻混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)之前，碼頭運(yùn)營(yíng)管理方應(yīng)委托專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)胸墻臨水面裂縫的類型，判斷其屬于豎向裂縫、橫向裂縫還是網(wǎng)狀裂縫，同時(shí)采集裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度、數(shù)量和分布數(shù)據(jù)，并對(duì)較寬或較深的裂縫，尤其是順筋裂縫，采用電位法或者鉆芯法做鋼筋銹蝕性狀檢測(cè)，以了解鋼筋是否已經(jīng)銹蝕。檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)就現(xiàn)場(chǎng)采集的裂縫數(shù)據(jù)，結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，評(píng)估其是否需要進(jìn)行耐久性修復(fù)或非耐久性修復(fù)，以此制訂科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)又適用于工程實(shí)際的修補(bǔ)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)工作科學(xué)合理、嚴(yán)謹(jǐn)有序地進(jìn)行，最大程度上修復(fù)損傷的碼頭胸墻混凝土結(jié)構(gòu)，抑制裂縫的發(fā)育。

3.2 缺乏對(duì)裂縫發(fā)育情況的監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分裂縫在修補(bǔ)后由于受到外界荷載的作用，如干濕交替和船舶撞擊，持續(xù)發(fā)育，不斷加深加寬，一些蔓延到鋼筋處，使得該處混凝土與鋼筋膠合力減弱，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生巨大破壞；還有個(gè)別裂縫發(fā)育成為層裂，嚴(yán)重威脅胸墻混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，碼頭結(jié)構(gòu)使用耐久性急速降低，危險(xiǎn)程度迅速升高。

裂縫修補(bǔ)不應(yīng)該是“一錘子買賣”，運(yùn)營(yíng)管理方應(yīng)定期對(duì)裂縫進(jìn)行觀測(cè)、檢查，觀察裂縫修補(bǔ)的實(shí)際效果，有無(wú)繼續(xù)發(fā)育現(xiàn)象和新的裂縫產(chǎn)生。對(duì)于發(fā)育裂縫，可以掌握其發(fā)育動(dòng)態(tài)，通過(guò)分析裂縫繼續(xù)發(fā)育的原因，從而采取必要的控制措施或者是修補(bǔ)加固措施；對(duì)于新產(chǎn)生的裂縫，除了分析其是否需要修補(bǔ)之外，更應(yīng)著重研究其產(chǎn)生原因，研究可以通過(guò)哪些實(shí)際措施預(yù)防新裂縫的產(chǎn)生。通過(guò)預(yù)防新裂縫的產(chǎn)生和控制已有裂縫的發(fā)育，使碼頭胸墻結(jié)構(gòu)耐久性降低速率處于一個(gè)可控的范圍之內(nèi)，碼頭結(jié)構(gòu)的使用安全性得到較大的保障，從而避免重大工程事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

海港碼頭胸墻結(jié)構(gòu)混凝土表面在溫度、荷載以及海水侵蝕的作用下十分容易產(chǎn)生裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)使用耐久性和安全性影響極大，需要根據(jù)其實(shí)際尺寸及混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕狀況選擇合理的修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行專業(yè)處理，并對(duì)裂縫定期進(jìn)行觀測(cè)和檢查，掌握其發(fā)展動(dòng)向，

及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，確保工程結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠安全、穩(wěn)定地使用，盡可能降低發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。