碼頭工程混凝土耐久性試驗研究

鐘志勇，張鳴洲

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

混凝土耐久性問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外工程界的重視，而針對耐久性規(guī)定要按環(huán)境類別和設(shè)計使用年限進行設(shè)計。引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要因素有混凝土的碳化、保護層脹裂、氯化物入侵等，促使鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，特別海水中含有多種鋼筋腐蝕質(zhì)，浪濺區(qū)混凝土與海水、空氣交替接觸，加速了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的失效。現(xiàn)以深圳某集裝箱碼頭擴建工程突堤南端886 m岸線工程16#泊位梁格構(gòu)件為研究對象，通過施工過程原材料的選擇、混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、混凝土澆筑過程控制，采用結(jié)構(gòu)使用10年后的檢測數(shù)據(jù)，以鋼筋開始銹蝕作為耐久性極限狀態(tài)，計算出結(jié)構(gòu)的使用年限，并總結(jié)本工程控制、提高混凝土耐久性的經(jīng)驗，為同類工程提供參考。

1 工程概況

深圳某集裝箱碼頭擴建工程突堤南端886 m岸線工程16#泊位于2005年3月1日開工建設(shè)，2008年1月25日竣工驗收并交付使用，水工結(jié)構(gòu)按靠泊15萬t級集裝箱船舶設(shè)計，碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。碼頭上部結(jié)構(gòu)由橫梁、縱梁、軌道梁、面板等構(gòu)件組成，各構(gòu)件均為非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁、縱梁、軌道梁為現(xiàn)澆混凝土，十字結(jié)構(gòu)體系，橫梁、縱梁、軌道梁節(jié)點均位于基樁樁頂。梁格構(gòu)件混凝土處于海洋環(huán)境浪濺區(qū)，設(shè)計強度等級為C45/20。結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋最小混凝土保護層厚度（鋼筋外緣的凈保護層，包括箍筋和綁扎鐵絲）為：梁頂面60 mm，其它面75 mm。梁格鋼筋分布如圖1、圖2所示。

圖1 橫梁配筋Fig.1 Beam Reinforcement

2 混凝土配合比

2.1 混凝土配合比基本要求［1］

本工程執(zhí)行中國及英國雙重標準，設(shè)計要求如下：

⑴ 設(shè)計混凝土強度等級為C45/20高性能混凝土；

⑵ 要求28 d抗氯離子滲透能力小于1 000 cc，水灰比不得大于0.38，混凝土終凝時間不得大于20 h；

圖2 縱梁配筋Fig.2 Reinforcement of Longitudinal Beam

⑶ 要求水泥采用快干硅酸鹽波特蘭水泥或者硅酸鹽粉煤灰波特蘭水泥，最小膠凝材料用量為300 kg，最大水泥用量為400 kg；

⑷ 使用I級粉煤灰，摻量為膠凝材料用量的25%；膠凝材料最小用量為375 kg，最大用量為450 kg；

⑸ 要求采用碎石粒徑不超過20 mm；

⑹ 采用河砂，且氯離子含量不得超過膠凝材料重量的0.20。

2.2 原材料處理

2.2.1 原材料選取［2］

⑴ 水泥：用廣州某水泥廠生產(chǎn)的“粵秀”42.5RⅡ型硅酸鹽水泥，其需水量26%，初凝時間2.5 h，28 d抗壓強度長期穩(wěn)定在50 MPa左右；

⑵ 粉煤灰：用某電廠I級粉煤灰，細度8.0%，吸水量92%，燒失量1.0%，SO30.2%；

⑶ 碎石：某石場粒徑為5～16 mm及10～20 mm，壓碎指標6.0%，含泥量分別為≤0.7%和≤0.4%，母巖抗壓強度為140 MPa花崗巖碎石。

⑷ 砂：惠州河砂，細度模數(shù)2.6～3.0之間，含泥量0.6%，氯離子含量0.001%；

⑸ 外加劑：選用某公司生產(chǎn)的SP432MS萘系外加劑，含固量40%，減水率26%；

⑹ 硅粉：國外某公司生產(chǎn)，SiO2成分93%，活性指數(shù)125%。

2.2.2 優(yōu)化配合比

嚴格篩選骨料，由國家建材行業(yè)堿活性試驗中心（南京工業(yè)大學(xué)科研開發(fā)中心）對骨料堿活性檢測，委托專業(yè)檢測機構(gòu)對混凝土原材料（粗骨料、細骨料）供應(yīng)地進行實地取樣分析。

骨料合格后，混凝土在試驗室試拌，并委托第三方進行配合比驗證，最終采用配合比材料用量如表1所示。

3 混凝土過程控制

3.1 配合比使用前機械試拌

設(shè)備試拌在混凝土攪拌站進行，技術(shù)條件書要求：每天生產(chǎn)一批擬采用的設(shè)計配合比混凝土，并連續(xù)生產(chǎn)3 d，每批應(yīng)至少為攪拌器常規(guī)攪拌能力的60%。攪拌完成后，立即開始出料。按照承包商預(yù)計的澆注地點，在攪拌完成和出料期間最長時間內(nèi)平均以6等分間隔出料，分別進行和易性、泌水性、凝結(jié)時間以及溫度測試，同時留置試件進行強度、抗氯離子滲透性能試驗［3］。機械試拌所需做的試驗如圖3所示，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 混凝土配合比材料用量Tab.1 Material for Concrete Mix PRatio（kg/m3）

表2 檢測結(jié)果Tab.2 Ddetection Result

3.2 施工過程試驗

3.2.1 進出場混凝土檢測

工程對結(jié)構(gòu)混凝土要求高，對混凝土質(zhì)量要求全面，耐久性指標要求高，并對混凝土的入模溫度、內(nèi)部最高溫度和溫差等都有明確規(guī)定。因此對每車混凝土，在其出攪拌站以及進入現(xiàn)場時，均做溫度、坍落度及流動性檢測，并按要求預(yù)留混凝土試塊。

3.2.2 混凝土抗壓強度以及抗氯離子滲透試驗［4］

選取部分施工部位，在第7 d和第28 d時進行混凝土抗壓強度以及28 d混凝土抗氯離子滲透能力檢測，檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 鹽田西港區(qū)水工結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)備試拌所需要做的試驗Fig.3 Test for Trial Mixing of Hydraulic Structure Concrete Equipment in West Port Area of Yantian

表3 混凝土抗壓強度及抗氯離子滲透能力檢測數(shù)據(jù)［5］Tab.3 Test Data of Concrete Compressive Strength and Chloride Ion Penetration Resistance

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，混凝土強度在第7 d時均已超過設(shè)計要求的45 MPa，且抗氯離子滲透數(shù)據(jù)均小于1 000 cc，因此均達到設(shè)計要求數(shù)據(jù)。

4 以梁格為例，計算結(jié)構(gòu)使用壽命［6，7］

按照《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范：JTJ 302-2006》要求，對梁格混凝土耐久性進行檢測。

4.1 結(jié)構(gòu)外觀

橫梁和縱梁混凝土未見銹跡，未見銹蝕裂縫和剝落情況發(fā)生，構(gòu)件外形完整性非常好，如圖4所示，軌道梁底面未見銹跡、裂縫和剝落情況發(fā)生。雖然在表面普遍存在橫向裂縫，但裂縫寬度小于0.1 mm，未見銹蝕裂縫，因此16#泊位梁類構(gòu)件裂縫符合規(guī)范要求。

圖4 縱梁、橫梁外觀完好Fig.4 The Appearance of Longitudinal Beam and Cross Beam is Intact

4.2 混凝土強度及混凝土碳化深度檢測［8］

隨機抽取7條梁格，每條梁格上布置3個測區(qū)，總共21個測區(qū)，每個測區(qū)上布置16個回彈測點和1個碳化深度測點。按照文獻［8］要求推定測區(qū)強度，計算平均值。強度分布在55～70 MPa之間，碳化深度平均值在0.0～0.5 mm之間。混凝土強度回彈法檢測結(jié)果如表4所示。

4.3 混凝土氯離子含量檢測［9］

在浪濺區(qū)選取24根梁構(gòu)件，每根構(gòu)件鉆取芯樣以10 mm為一層磨粉制樣，采用電位滴定法進行混凝土不同深度的氯離子檢測。通過試驗得到各試件的氯離子濃度分布情況，如表5所示（C1-含量為C1-占膠凝材料質(zhì)量的百分率）。由圖5和表5可知，構(gòu)件中氯離子含量隨深度的增加而逐漸降低，在70～80 mm范圍氯離子最大濃度為0.127%，小于文獻［9］給出的導(dǎo)致鋼筋銹蝕的最小氯離子含量臨界值0.40%，據(jù)此判定構(gòu)件尚未有因氯離子侵蝕導(dǎo)致的鋼筋腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

表4 混凝土強度回彈法檢測結(jié)果Tab.4 Test Results of Concrete Strength Rebound Method

表5 混凝土中不同深度的氯離子溶液Tab.5 Chloride Solution of Different Depth in Concrete（%）

4.4 混凝土結(jié)構(gòu)剩余年限計算

圖5 取樣深度及氯離子含量折線圖Fig.5 Line Chart of Sampling Depth and Chloride Ion Content

引起混凝土耐久性失效的主要因素為鋼筋銹蝕破壞，因此推算出混凝土中氯離子含量達到引起鋼筋銹蝕的臨界值時所需要的時間即為使用年限。［10］鋼筋銹蝕劣化進程分為鋼筋開始銹蝕、保護層銹脹開裂和功能明顯退化3個階段。根據(jù)這3個時間段預(yù)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用年限和剩余使用壽命?，F(xiàn)場在浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)隨機抽取10個部位檢測出混凝土氯離子有效擴散系數(shù)，根據(jù)圖紙設(shè)計的鋼筋保護層厚度進行計算。

4.4.1 鋼筋開始銹蝕階段所經(jīng)歷的時間ti

混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋開始銹蝕階段所經(jīng)歷的時間可按式⑴、⑵計算。構(gòu)件計算結(jié)果及計算參數(shù)取值如表6所示。

式中：ti為從混凝土澆筑到鋼筋開始銹蝕所經(jīng)歷的時間；c為混凝土保護層厚度，按設(shè)計圖紙取75 mm；kci為氯離子侵蝕系數(shù)；D為混凝土有效擴散系數(shù)，按檢測數(shù)值；erf表示高斯誤差函數(shù)；Ct為引起混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的氯離子含量臨界值，按規(guī)范取0.40%；Cs為混凝土表面氯離子含量，按規(guī)范取4.5；γ為氯離子雙向滲透系數(shù)，按規(guī)范取1.2。

4.4.2 保護層銹脹開裂階段所經(jīng)歷的時間tc

混凝土結(jié)構(gòu)保護層銹脹開裂階段所經(jīng)歷的時間可按式⑶、⑷、⑸計算。梁類構(gòu)件計算結(jié)果及計算參數(shù)取值如表6所示。

式中：tc為自鋼筋開始銹蝕至保護層開裂所經(jīng)歷的時間；δcr為保護層開裂時鋼筋臨界銹蝕深度；λ1為保護層開裂前鋼筋平均腐蝕速度；c為混凝土保護層厚度；d為鋼筋原始直徑；fcuk為混凝土立方體抗壓強度標準值；i為鋼筋的腐蝕電流密度。

表6 鋼筋開始銹蝕階段所經(jīng)歷的時間計算Tab.6 Calculation of Time during the Initial Corrosion Stage of Reinforcement

4.4.3 功能明顯退化階段所經(jīng)歷的時間td

混凝土結(jié)構(gòu)功能明顯退化階段所經(jīng)歷的時間可按式⑹計算。梁類構(gòu)件計算結(jié)果及計算參數(shù)取值如表7所示。

式中：td為自保護層開裂到鋼筋截面面積減小至原截面90%所經(jīng)歷的時間；λ2為保護層開裂后鋼筋平均腐蝕速度。

表7 梁類構(gòu)件功能明顯退化階段經(jīng)歷時間計算Tab.7 Calculation of the Time Experienced in the Stage of Obvious Functional Degradation of Beam Components

4.4.4 結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用年限te按式⑺計算。

式中：te為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用年限。梁構(gòu)件的使用年限te的計算結(jié)果如表8所示。

表8 梁類結(jié)構(gòu)使用年限和剩余使用年限預(yù)測結(jié)果Tab.8 Prediction Results of Service Life and Remaining Service Life of Beam Structures

5 結(jié)論

10年后的檢測、計算數(shù)據(jù)表明，梁格結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)混凝土裂縫，能滿足大體積混凝土的裂縫要求；混凝土在10年后的碳化深度最大值為0.5 mm，能更長時間保護好結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕；構(gòu)件的最少使用年限為72.3年，因此滿足業(yè)主方提出的“50年不大修”這一耐久性要求。

混凝土的耐久性是影響工程結(jié)構(gòu)使用壽命的主要因素，因此控制、提高混凝土的耐久性就意味著增加工程結(jié)構(gòu)的使用壽命。本工程從混凝土的原材料選取、配合比設(shè)計、混凝土生產(chǎn)至投入使用監(jiān)控、檢測以及施工過程中的精細化控制等方面，闡述控制混凝土耐久性的方法，總結(jié)施工經(jīng)驗，為類似工程提供參考。