沿海高樁碼頭主體結(jié)構(gòu)耐久性影響因素分析

李 龍

（中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071）

近年來(lái)，我國(guó)海運(yùn)貿(mào)易蓬勃發(fā)展，大型游輪和各類海洋科考船也接連投入使用，沿海開(kāi)放城市普遍大力興建港口碼頭工程。根據(jù)碼頭受力形式與構(gòu)造方式的不同，可將碼頭分為重力式碼頭、板樁碼頭、高樁碼頭和混合式碼頭等[1]。當(dāng)沿海地質(zhì)條件較差、淤泥質(zhì)土或軟弱土層較多，且潮汐水位高差較大時(shí)，大多使用高樁碼頭。高樁碼頭的主體結(jié)構(gòu)由樁基和上部結(jié)構(gòu)組成，可在不填海的前提下，獲得較大的船舶泊位空間。碼頭的豎向承重體系簡(jiǎn)單清晰，在沿海港口中被普遍使用。高樁碼頭的樁體較長(zhǎng)且大部分處于海水腐蝕和波浪作用環(huán)境之中，構(gòu)件可靠度等特性要求與重力式碼頭有所區(qū)別。為了保證碼頭結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期正常使用，保證船舶、車(chē)輛以及人員物資的安全，鋼砼高樁碼頭的結(jié)構(gòu)耐久性備受重視。文章從材料自身特性及其與外環(huán)境相互作用的角度，結(jié)合施工工藝措施等方面，分析高樁碼頭結(jié)構(gòu)質(zhì)量退化以及使用性能降低的影響因素，探討提升主體結(jié)構(gòu)耐久性等工程質(zhì)量控制的合理化思路，為后續(xù)深入研究提供參考。

1 混凝土材料的碳化

1.1 混凝土制備與施工工藝的影響

混凝土屬于一種弱堿性材料，外部環(huán)境中的二氧化碳與混凝土材料中的水泥水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的楊氏模量與彈塑特性發(fā)生改變，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。水工工程中，較多使用礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥，而不宜使用硅酸鹽水泥。不同水泥的碳化速度有異，為了兼顧混凝土的強(qiáng)度特性、和易性以及耐久性，往往通過(guò)外加劑來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)不使用任何外加劑時(shí)，粉煤灰水泥的碳化速度最快，而礦渣水泥最慢[2]。國(guó)內(nèi)部分廠商也在研制推廣特種海工水泥，其抗腐蝕系數(shù)頗高，通過(guò)改變水泥的種類成分從而達(dá)到增強(qiáng)微觀顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度和宏觀構(gòu)件整體強(qiáng)度的目的；也可以降低物質(zhì)化學(xué)活潑性，從而減少與周?chē)h(huán)境的交互作用。使用引氣劑時(shí)，對(duì)商砼抗碳化性有明顯的加強(qiáng)。使用早強(qiáng)劑時(shí)，可以大幅度增強(qiáng)抗碳化的能力，且對(duì)混凝土在海水中的凝結(jié)過(guò)程具有正面影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳化速度可以放緩一倍。這是因?yàn)闇p水劑相當(dāng)于增加了水泥的比例，使固體顆粒更加緊密，顆粒間可填充空間在減少，是在混凝土制備過(guò)程中采取的有效措施。同理，水灰比越大也會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部孔隙率增加，增加了外環(huán)境的溫室氣體進(jìn)入的概率。因此，通過(guò)優(yōu)化粗細(xì)骨料級(jí)配、加強(qiáng)澆筑振搗的施工工藝、提升混凝土整體強(qiáng)度，可以減緩主體結(jié)構(gòu)，特別是高樁碼頭的樁身部分的混凝土碳化速率。

1.2 碼頭工作環(huán)境的影響

高鹽、高濕是沿海環(huán)境的典型特征，由于所處地理環(huán)境的不同，還可能會(huì)有夏季高溫狀況，特別是我國(guó)東海與南海地區(qū)，高樁碼頭的夏季工作環(huán)境溫度較高，極端高溫天氣時(shí)有發(fā)生，且伴有十分潮濕的空氣。相對(duì)濕度越高或越低均不利于混凝土碳化的進(jìn)程，當(dāng)空氣中游離水分子較多時(shí)，抑制了二氧化碳的分子運(yùn)動(dòng)，而空氣極為干燥時(shí)，水泥水化物也缺少中和反應(yīng)的調(diào)節(jié)，通常相對(duì)濕度為60%時(shí)碳化反應(yīng)進(jìn)展最快。隨著工業(yè)化的步伐，化石能源的大規(guī)模使用正在增加空氣中溫室氣體含量，也會(huì)加速混凝土碳化。同時(shí)，環(huán)境的氣溫對(duì)碳化反應(yīng)影響較大，溫度升高加快了分子運(yùn)動(dòng)速率，增加了二氧化碳分子進(jìn)入碼頭構(gòu)件內(nèi)部的速度，也會(huì)具有溫度催化的效應(yīng)。當(dāng)水化熱在混凝土內(nèi)部聚集較多，外部氣溫較高則不利于降溫，通過(guò)養(yǎng)護(hù)措施不利于充分釋放時(shí)，產(chǎn)生的溫度裂縫就給空氣進(jìn)入材料內(nèi)部提供了暢通的渠道。

2 高樁碼頭結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)

2.1 混凝土的堿骨料反應(yīng)與其他化學(xué)腐蝕

砂礫和石子主要組成成分是二氧化硅，其與商砼中的氧化鈉等物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)為堿骨料反應(yīng)。海水環(huán)境中鹽性成分極多，更加易于產(chǎn)生堿骨料反應(yīng)[3]。這種化學(xué)變化是緩慢的、長(zhǎng)期的，反應(yīng)后的物質(zhì)總體積大于原始狀態(tài)，造成混凝土的開(kāi)裂，若此反應(yīng)普遍發(fā)生，則易形成局部貫通裂縫，使鋼筋暴露，降低構(gòu)件的承載能力和結(jié)構(gòu)整體可靠度[4]，削弱了抗壓能力。

工業(yè)污染包括汽車(chē)和工廠向空氣和海洋中排放的硫化物、氮化物。空氣中的二氧化硫加劇了酸雨的產(chǎn)生。港口碼頭多存在于沿海發(fā)達(dá)城市，工業(yè)規(guī)模顯著，在促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了較為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，使沿海水質(zhì)劣化，硫酸根離子濃度較高?；炷猎诨瘜W(xué)腐蝕作用下體積變大，易發(fā)生脹裂現(xiàn)象，造成構(gòu)件表面裂縫和保護(hù)層剝落。另外，海水中的微生物附著于混凝土之上，其生存繁衍會(huì)釋放出一些酸性物質(zhì)，與堿性的混凝土相互作用，降低混凝土密度與強(qiáng)度，產(chǎn)生生物腐蝕現(xiàn)象；附著在樁體表面的貝類也會(huì)在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)混凝土產(chǎn)生影響，此類現(xiàn)象是沿海環(huán)境中特有的，也是高樁碼頭日常維護(hù)保養(yǎng)的重要課題?，F(xiàn)階段工程中，會(huì)在樁體完工后在其表面涂刷一層高密度涂層，以起到一定程度的隔離作用并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的化學(xué)銹蝕

在鋼-砼結(jié)構(gòu)中，混凝土的主要作用是承受豎向壓力以及通過(guò)抵抗水壓來(lái)形成相對(duì)封閉的環(huán)境從而保護(hù)內(nèi)部鋼筋。鋼筋在樁體中既承擔(dān)豎向承載力又承擔(dān)側(cè)向承載力的任務(wù)，有著承重、抗波浪激勵(lì)、抗震、抗側(cè)彎等作用，也是影響結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素，耐久性喪失的主要指標(biāo)就是鋼筋強(qiáng)度的下降。當(dāng)高樁碼頭的混凝土持續(xù)碳化和被環(huán)境因素腐蝕，進(jìn)而造成開(kāi)裂失去保護(hù)作用，就會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，使海水中的氯離子大量與鋼筋接觸，形成電化學(xué)銹蝕。氯離子浸入構(gòu)件的深度通常是判斷鋼結(jié)構(gòu)受腐蝕程度的重要因素[5]，由于鋼材銹蝕后體積變大，使得構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力增大，易撐裂包裹的混凝土，即造成銹脹開(kāi)裂現(xiàn)象。開(kāi)裂的構(gòu)件使鋼材裸露面進(jìn)一步擴(kuò)大，又加劇了鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕。當(dāng)鋼砼構(gòu)件的酸堿度下降、氯離子濃度上升時(shí)，鋼筋就進(jìn)入了腐蝕的快車(chē)道，在海水環(huán)境中尤為突出。在碼頭等水工項(xiàng)目中，通常使用增加混凝土保護(hù)層厚度、提高商砼標(biāo)號(hào)的方式來(lái)增加保護(hù)，也可以使用在鋼材外部涂刷防腐涂料、陰極保護(hù)、犧牲陽(yáng)極等方法保護(hù)鋼材。

3 高樁碼頭混凝土的凍融循環(huán)破壞

水的物理特性是從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)體積膨脹。當(dāng)冬季碼頭樁基或上部結(jié)構(gòu)的混凝土內(nèi)游離水降溫結(jié)冰后，體積會(huì)變大，對(duì)固體孔隙有向外的應(yīng)力，有擴(kuò)大水合物間隙的趨勢(shì)；而春夏之季，溫度升高后冰結(jié)晶融化，液態(tài)水進(jìn)入孔隙中，冬季再次結(jié)冰膨脹，此種作用周而復(fù)始，造成了混凝土構(gòu)件的疏松與細(xì)微裂縫，加大了比表面積。我國(guó)北方沿海碼頭冬季氣溫普遍偏低，甚至有些高緯度港口還會(huì)冰封，常年往復(fù)，凍融循環(huán)破壞是影響高樁碼頭耐久性的重要因素。當(dāng)然，也不是所有游離水都會(huì)產(chǎn)生凍融作用，實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)混凝土內(nèi)水飽和度達(dá)到臨界值時(shí)，才會(huì)引發(fā)凍融循環(huán)。由于海水的冰點(diǎn)更低，含有的鹽離子更多，結(jié)冰后體積的變化率更大，則會(huì)產(chǎn)生較之陸地基建結(jié)構(gòu)更大的凍融循環(huán)破壞。樁基的水線以下部分常年接觸海水，凍融損傷往往更明顯。

4 高樁碼頭施工因素的影響

水工工程中已普遍使用商業(yè)混凝土，混凝土出廠品質(zhì)有了一定的保證，但施工過(guò)程中依舊有些不確定因素，最常見(jiàn)的就是混凝土澆筑振搗不充分。當(dāng)構(gòu)件內(nèi)鋼筋排布較密時(shí)，振搗應(yīng)分層且使用合適工具，降低產(chǎn)生較大孔隙的風(fēng)險(xiǎn)。再者，應(yīng)在支模時(shí)充分清理模板內(nèi)雜物，避免混凝土表面的麻面或裂隙[6]。反復(fù)檢查模板內(nèi)壁與鋼筋外沿之間的距離，保證充足的保護(hù)層厚度，避免因?yàn)殇摻钗恢闷?、綁扎質(zhì)量不高而導(dǎo)致部分位置保護(hù)層厚度不夠的問(wèn)題。眾多工程實(shí)踐表明，混凝土的厚度直接影響內(nèi)部鋼筋的銹蝕速度，因而設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度時(shí)，應(yīng)充分考慮周?chē)h(huán)境的影響以及工作狀態(tài)的因素，按照耐久性要求的不同制訂不同的保護(hù)層厚度，并考慮施工的偏差，留有一定的設(shè)計(jì)冗余。

優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，混凝土齡期未滿不得拆模，否則達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度?；炷量顾畨旱哪芰τ葹橹匾?，標(biāo)號(hào)越高、強(qiáng)度越高的混凝土抵抗外部壓強(qiáng)的能力越強(qiáng)，目前工程中普遍使用C50、C60標(biāo)號(hào)的混凝土，若由于施工因素使混凝土的強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在施工階段中海水便會(huì)過(guò)多浸入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會(huì)對(duì)碼頭整體耐久性產(chǎn)生不利影響。在夏季施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，避免溫度裂縫的產(chǎn)生。由于碼頭使用期限一般較長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中前期細(xì)小的裂縫都有可能繼續(xù)發(fā)展，在海水環(huán)境中愈加嚴(yán)重。鋼筋進(jìn)場(chǎng)查驗(yàn)后，通常會(huì)在場(chǎng)內(nèi)放置一段時(shí)間后再投入施工，此時(shí)就要做好鋼筋防銹工作。在綁扎之前，必須先除銹再施工，把住防腐的第一道關(guān)卡。構(gòu)件的施工要求合理規(guī)劃澆筑層次、規(guī)范留置施工縫，避免因?yàn)槭┕たp的存在導(dǎo)致外部鹽分過(guò)早進(jìn)入結(jié)構(gòu)構(gòu)件之內(nèi)。施工時(shí)應(yīng)充分考慮海洋波浪作用對(duì)施工測(cè)量定位、搭接對(duì)接產(chǎn)生的影響，避免因?yàn)椴ɡ擞绊憣?dǎo)致樁位偏心，偏心距產(chǎn)生后在長(zhǎng)時(shí)間的海浪往復(fù)拍打、多方向激勵(lì)作用后，可能產(chǎn)生局部變形、局部受拉、應(yīng)力集中、不利受力等情況。

以上施工注意事項(xiàng)均是做好高樁碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕、防銹蝕、防凍融的關(guān)鍵措施，對(duì)提高結(jié)構(gòu)耐久性具有積極意義。

5 結(jié)論

沿海高樁碼頭建設(shè)發(fā)展迅速，影響其主體結(jié)構(gòu)耐久性的因素也較為復(fù)雜，有混凝土材料的碳化、堿骨料反應(yīng)與化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕、混凝土凍融循環(huán)以及施工工藝因素等。需從材料分子、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)變化、宏觀表現(xiàn)以及作用機(jī)理等各方面分析其影響耐久性的原理，并由此總結(jié)出對(duì)應(yīng)的防治措施，主要表現(xiàn)在提升鋼砼材料特性、減緩腐蝕作用發(fā)展、優(yōu)化工藝質(zhì)量等方面，在建造材料制備、設(shè)計(jì)方案制訂和施工過(guò)程中加以體現(xiàn)，為高樁碼頭工程的健康發(fā)展提供技術(shù)保障。