感潮河段鋼筋混凝土樁基的典型病害與處治對(duì)策

張聿盛

(福建省福寧高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000)

1 前言

任何一個(gè)矗立于地球表面的工程結(jié)構(gòu)， 基礎(chǔ)是其最重要的組成部分，并且直接決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)是否安全。對(duì)于采用鋼筋混凝土樁基建造的橋梁而言， 在橋梁投入正常運(yùn)行期間， 樁基的安全性備受工程師和管理人員的關(guān)注。 隨著高速公路建設(shè)發(fā)展，特別是跨?？缃瓨蛄海捎跇蛄和ㄜ囘\(yùn)營過程中樁基出現(xiàn)病害問題威脅橋梁使用安全，需要及時(shí)采取處治對(duì)策，確保橋梁使用安全。 對(duì)于感潮河段橋梁，鋼筋混凝土樁基的病害原因更為復(fù)雜，因?yàn)槠渖婕暗胶Ｋ治g等海洋環(huán)境問題。為此，本文針對(duì)感潮河段鋼筋混凝土樁基的典型病害與處治對(duì)策進(jìn)行闡述與分析。

2 感潮河段環(huán)境特點(diǎn)

所謂感潮河段一般指的是河口至潮區(qū)界的河段，此區(qū)域的水位與流量均受到潮汐的明顯影響。 感潮河段與一般的內(nèi)河不同， 它存在著高鹽度海水沿底層上爬的鹽水入侵現(xiàn)象， 以及在鹽淡水交界面形成密度流的現(xiàn)象[1]。因此， 感潮河段環(huán)境有著類似海洋環(huán)境的特點(diǎn)。 除此之外，感潮河段的水流反復(fù)沖刷明顯。

2.1 海洋環(huán)境

海洋環(huán)境是一種非常復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。 海水中的氯離子、硫酸根離子、海洋生物污損等都是影響工程結(jié)構(gòu)腐蝕的重要因素， 海洋環(huán)境的腐蝕性比陸地環(huán)境的腐蝕性要高得多。 海洋環(huán)境根據(jù)其影響的程度不同從上到下可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)等5 個(gè)腐蝕區(qū)帶[2]。 其中，浪花飛濺區(qū)是海洋環(huán)境中腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。主要原因在于：浪花飛濺區(qū)的構(gòu)件表面受到海水的周期性潤濕， 且處于干濕交替狀態(tài)、氧供應(yīng)充分、鹽分不斷濃縮；加之陽光、風(fēng)吹和海水環(huán)境等協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重的腐蝕。 通過鋼材在海洋環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋼材在海洋大氣區(qū)的平均腐蝕速率為0.03～0.08mm/a，在浪花飛濺區(qū)的平均腐蝕速率為0.3～0.5mm/a；此外，浪花飛濺區(qū)的腐蝕速率為海水全浸區(qū)的3～10 倍以上[3]。

海洋生物污損， 是指海洋污損生物(包括海洋微生物、海洋植物和海洋動(dòng)物)附著在樁基的鋼護(hù)筒上造成的危害，主要表現(xiàn)為加速金屬的銹蝕。

2.2 河床下切

河床下切是指現(xiàn)有河床比設(shè)計(jì)時(shí)河床基準(zhǔn)面下降，下切按其成因可分為沖刷產(chǎn)生河床下切和人為挖砂產(chǎn)生河床下切?？绾訕蛄涸诮ㄔO(shè)后，原來的河床過水?dāng)嗝嬉驑痘拇嬖诙鴾p小，從而使得河道的水流提速，這會(huì)對(duì)河床產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，特別在樁基紊流處。 除此之外，部分感潮河段由于人工挖砂至粉砂層， 由于粉砂起動(dòng)流速較小， 容易被水流沖起形成強(qiáng)烈沖刷， 形成較大的沖刷坑，最大沖刷深度達(dá)12.85m[4]。

3 典型病害與機(jī)理分析

3.1 典型病害

感潮河段樁基的典型病害包括： 樁基外包鋼護(hù)筒受到海水、海洋污損物的銹蝕；混凝土腐蝕后開裂、脫落；鋼筋銹蝕；河床沖刷。

鋼護(hù)筒是樁身施工時(shí)的附屬工具， 在澆筑樁身混凝土?xí)r預(yù)埋在樁孔內(nèi)，起到成孔護(hù)樁的作用。樁體澆筑好混凝土之后，鋼護(hù)筒與樁身連在一起，一般不拆除。 鋼護(hù)筒的銹蝕通常僅是護(hù)筒外部的鋼板銹蝕(圖1)，病害較為常見，且樁身保護(hù)層混凝土仍然完好，可以不處理。但是，如果鋼護(hù)筒已經(jīng)銹蝕穿孔了， 則樁身混凝土后期被腐蝕的可能性以及腐蝕速率會(huì)大幅增加。

圖1 鋼護(hù)筒輕微銹蝕

混凝土一旦發(fā)生腐蝕后，混凝土的pH 值下降，同時(shí)其密實(shí)性下降。 pH 值的下降，使得內(nèi)部鋼筋表面的鈍化膜容易發(fā)生破壞?；炷恋拿軐?shí)性降低之后，隨著水流的沖刷作用，混凝土隨之脫落，樁身表面細(xì)顆粒脫落，出現(xiàn)粗糙、麻面與露骨現(xiàn)象(圖2)。 這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展時(shí)，樁身出現(xiàn)縮頸(圖3)。

混凝土發(fā)生腐蝕后使得氯離子等有害物質(zhì)更容易侵蝕到鋼筋表面。當(dāng)混凝土內(nèi)部的鋼筋形成腐蝕電池時(shí)，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。 銹蝕部分鋼筋的體積膨脹至原來的2～6 倍，從而使得混凝土產(chǎn)生開裂、脫落。 嚴(yán)重時(shí)，樁身出現(xiàn)露筋現(xiàn)象(圖4)。 此時(shí)，鋼筋在感潮河段環(huán)境下更容易發(fā)生銹蝕。 投入使用了近8 年的東河大橋，樁基經(jīng)過多年海水的侵蝕、沖刷，均存在不同程度的病害。病害主要表現(xiàn)為混凝土出現(xiàn)剝落、空洞、裂縫、露筋等現(xiàn)象，部分混凝土剝落深度達(dá)到270mm，使構(gòu)件的截面尺寸受到嚴(yán)重削弱。

圖2 樁體粗糙、麻面、露骨

圖3 樁身縮徑

圖4 露筋現(xiàn)象

樁基受到上述因素影響后，樁身混凝土、鋼筋有效截面面積減小，受力性能劣化。因此，樁基的抗壓、抗彎和抗剪承載能力相應(yīng)地降低，從而降低橋梁安全儲(chǔ)備，埋下安全隱患。

3.2 機(jī)理分析

(1)鋼材銹蝕

海洋污損生物附著在鋼護(hù)筒的表面， 由于硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵細(xì)菌的作用，使金屬的銹蝕加??；一些污損生物會(huì)破壞金屬表面的涂層， 使金屬裸露而導(dǎo)致金屬的銹蝕；有石灰外殼的污損生物覆在金屬表面，改變了金屬表面的局部供氧，形成氧濃差電池而加速銹蝕；一些藻類由于光合作用產(chǎn)生氧氣，增加水中的溶解氧的濃度，從而加速金屬的銹蝕。

鋼筋的銹蝕必須同時(shí)滿足三個(gè)條件： 鋼筋的鈍化膜破壞、水分和氧氣到達(dá)鋼筋表面。水泥水化的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。但是，氯離子是極強(qiáng)的去鈍化劑，氯離子吸附于局部鈍化膜處，使該處的pH 值迅速降低，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。研究表明，當(dāng)Cl-/OH-的濃度比值大于0.61 這個(gè)臨界值時(shí)，鋼筋開始銹蝕。鐵基體作為陽極受到腐蝕，大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極。由于大陰極對(duì)應(yīng)小陽極，腐蝕速度很快。因此，氯離子是造成鋼筋銹蝕的主要原因。

(2)混凝土腐蝕

海洋中含有豐富的Cl-、SO42-、Na+、Mg2+等離子， 它具有導(dǎo)電性、高含鹽、生物活性等。 這些離子對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的腐蝕作用。 由于結(jié)構(gòu)部位所處的環(huán)境不一樣，故造成的破壞形式及程度也不同。

混凝土從微觀上來看并不完全密實(shí)， 其有很多的孔隙。因此，在海洋環(huán)境下，海水與混凝土表面直接接觸后，可以慢慢地滲透到混凝土的孔隙中。同時(shí)，海水中的各種成分也隨之到混凝土的內(nèi)部。 影響混凝土耐久性的根本原因就是侵入到混凝土中的硫酸根離子和氯離子。

雖然海洋環(huán)境中SO42-的含量并不高，但由于超長時(shí)間的作用，SO42-對(duì)混凝土的影響是不能忽視的。SO42-與混凝土的成分發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

最后的生成物為鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·nH2O)，如果混凝土中鈣礬石的含量不高， 其不會(huì)造成很大的影響；但如果鈣礬石含量很高，其會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹破壞。 Cl-的腐蝕機(jī)理同SO42-一樣，也是由于產(chǎn)生大體積的固化物，使混凝土膨脹而破裂。

此外，凍融循環(huán)及堿-骨料反應(yīng)也能直接導(dǎo)致混凝土膨脹破壞，降低其密實(shí)性。凍融循環(huán)主要是混凝土毛細(xì)孔受冰凍脹力反復(fù)作用，形成累計(jì)損傷。由于混凝土的飽和度在有鹽溶液的條件下是非常高的， 因此海水中混凝土的凍融破壞比普通混凝土更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[5]開展了海洋環(huán)境下鋼筋約束混凝土墩柱的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究， 結(jié)果表明：鹽水環(huán)境大大增加了混凝土的腐蝕程度，并且在凍融初期(0～40 次)是腐蝕速度最快，尤其是表面腐蝕尤為迅速。 堿-骨料反應(yīng)則是混凝土中的堿性成分(Na2O 或K2O)與骨料中的活性成分反應(yīng)， 這種反應(yīng)能在混凝土成型后持續(xù)數(shù)十年，其生成物吸水膨脹，并導(dǎo)致混凝土破壞。堿-骨料反應(yīng)的三個(gè)必要條件是高含堿量、 骨料中有活性成分、潮濕環(huán)境。此外，碳化作用在相對(duì)濕度50%～80%的條件下最容易發(fā)生，海洋環(huán)境下濕度較大，而且隨著高標(biāo)號(hào)混凝土的使用，碳化作用已經(jīng)不是主要因素。

(3)河床下切使得橋梁樁基的自由長度增加，即對(duì)其側(cè)向剛度有較大影響。當(dāng)河床下切深度過大時(shí)，樁基可能會(huì)因抗彎承載能力不足而出現(xiàn)跨橋事故。此外，河床下切對(duì)端承樁的豎向承載力影響較小， 但在采用摩擦樁的情況下，樁基的豎向承載力也會(huì)受到削減。

4 處治對(duì)策

針對(duì)既有樁基存在的上述病害， 可以采取如下處治對(duì)策：

(1)對(duì)于混凝土的腐蝕，清理掉損壞部分。若混凝土內(nèi)部鋼筋尚未遭到銹蝕， 則采用耐久性更優(yōu)的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)完后在混凝土表面再涂刷耐腐、抗?jié)B、無毒、持久的涂料， 這是海洋環(huán)境下提高混凝土耐久性的主要手段；若混凝土內(nèi)部的鋼筋遭到銹蝕，則應(yīng)對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹與防銹處理；嚴(yán)重時(shí)，采用外加電流陰極防護(hù)措施[6]。若鋼筋截面削弱嚴(yán)重，還應(yīng)增加補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。

(2)采用增大截面法進(jìn)行加固，增大截面部分的混凝土采用耐久性更優(yōu)的混凝土。該方法適用于混凝土腐蝕、鋼筋銹蝕以及河床下切導(dǎo)致樁基長細(xì)比變大的情況。

(3)針對(duì)河床下切病害，可通過加強(qiáng)下游采砂管理，杜絕非法采砂； 或者在下游河段布置一道或多道灌注樁連續(xù)墻進(jìn)行攔沙防沖[7]。

(4)采用玻纖套筒進(jìn)行維修加固，該方法主要針對(duì)樁基的耐久性加固。其施工工藝流程為：受損樁基混凝土表面處理(圖5a)→玻纖套筒鎖扣注膠→水下安裝玻纖套筒(圖5b)→安裝緊固帶、不銹鋼釘→底部安裝密封條、水下環(huán)氧灌漿料配制(圖5c)、少量灌漿密封→整體灌注水下灌漿料(圖5d)→頂部密封。

圖5 玻纖套筒加固樁基過程

5 結(jié)束語

感潮河段具有類似海洋環(huán)境， 同時(shí)存在河床下切問題， 所處橋梁樁基易出現(xiàn)鋼護(hù)筒、 鋼筋銹蝕及混凝土腐蝕、沖刷破壞等。為此，可采取鋼筋除銹與防銹、樁基外表混凝土修補(bǔ)、加強(qiáng)河道管理、玻纖套筒加固等措施加以防范，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。