福建省海水環(huán)境高樁碼頭混凝土耐久性設(shè)計探討

■楊 洋

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004)

耐久性是影響結(jié)構(gòu)物安全使用年限的重要技術(shù)指標(biāo)，與同處于海洋環(huán)境的其它碼頭結(jié)構(gòu)相比，高樁碼頭結(jié)構(gòu)受侵蝕破壞的程度往往比較嚴重，原因應(yīng)歸結(jié)于它自身結(jié)構(gòu)特點造成的工作環(huán)境因素：高樁碼頭下部透空，上部為整片式梁板結(jié)構(gòu)，從碼頭前沿到后方少則十幾米，多則幾十米。在如此之大的面積覆蓋下，空氣不流通，梁板下長期有高濃度海鹽氣體的聚集，而且高濕、高溫。這就造成了比其它結(jié)構(gòu)形式的建筑物更為惡劣的外部環(huán)境，因而更容易遭到化學(xué)侵蝕和物理破壞[1]。福建省作為我國東南沿海省份，具有與其他海港類似的工作環(huán)境，在高樁碼頭設(shè)計中必須高度重視耐久性設(shè)計這項指標(biāo)。

1 工程概況

閩江馬尾對臺綜合客運碼頭1#～3#泊位工程位于福州市馬尾區(qū)瑯岐島西北部三平南兜村附近，工程概位為東經(jīng) 119°34′10″，北緯 26°07′11″。 建設(shè)規(guī)模為： 3 個對臺綜合客運碼頭，其中1號泊位為5000噸級客貨泊位(水工結(jié)構(gòu)按靠泊2萬GT客貨滾裝船設(shè)計)，采用的是高樁梁板結(jié)構(gòu)；2#、3#泊位為2個500GT客運泊位，采用的是浮碼頭結(jié)構(gòu)。

項目所在位置極端高水位+6.85m、設(shè)計高水位+5.31m、設(shè)計低水位+0.21m、極端低水位-0.57m(高程基準為羅星塔零點)，海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)部位劃分見下表1。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)部位劃分

其中，1#泊位碼頭采用典型的高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭平臺長158m，平臺寬26m，碼頭面高程為+7.3m?；鶚恫捎?00mm×600mm預(yù)應(yīng)力方樁，每榀排架布置4根直樁和2對斜度4∶1的叉樁。現(xiàn)澆構(gòu)件包括現(xiàn)澆面層和現(xiàn)澆橫梁，預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制面板、縱梁、預(yù)應(yīng)力軌道梁、靠船構(gòu)件、水平撐等。

由圖1可知，該碼頭預(yù)制面板、現(xiàn)澆面層處于大氣區(qū)，預(yù)制縱梁、預(yù)應(yīng)力軌道梁、部分現(xiàn)澆橫梁處于浪濺區(qū)，部分現(xiàn)澆下橫梁、靠船構(gòu)件、水平撐處于水位變動區(qū)，預(yù)應(yīng)力方樁處于水位變動區(qū)和水下區(qū)。筆者在設(shè)計時通過采取以下措施來提高和保障鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性：(1)嚴格控制混凝土保護層厚度、最大水膠比允許值、最低膠凝材料用量；(2)混凝土構(gòu)件表面聯(lián)合防腐；(3)為保證混凝土密實性，設(shè)計文件同時提出電通量和抗氯離子滲透性擴散系數(shù)最低指標(biāo)，聯(lián)合控制混凝土施工質(zhì)量。

2 保護層厚度、水膠比和膠凝材料用量

氯離子滲入混凝土一般通過擴散、毛細孔吸入和滲透三種遷移方式。擴散是由于水和混凝土濃度梯度引起的氯離子移動；毛細孔吸入指氯離子隨著水一起在連通的毛細孔中遷移；滲透則是在壓力水的作用下，氯離子隨著水一起進入混凝土。通常，三種遷移方式一般同時存在，其中毛細孔吸入是氯離子遷移最快的方式，而擴散則是最主要的形式。另外，遷移還受到氯離子混凝土材料之間的化學(xué)結(jié)合、物理粘結(jié)、吸附等作用的影響[2]。

(1)混凝土保護層厚度

根據(jù)氯離子在混凝土內(nèi)的擴散理論，氯離子的擴散與保護層厚度的平方成反比，即保護層較小的變化，可導(dǎo)致混凝土腐蝕年限較大的差異。因此，過薄的保護層是引起構(gòu)件過早腐蝕破壞的原因之一[3]。

(2)水膠比

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

水膠比是影響混凝土密實性的最主要因素，混凝土密實性會直接影響其抗?jié)B性和防止鋼筋銹蝕的性能。而較大的水膠比使混凝土的孔徑和孔隙率都將增大，使得海水中的氯離子更容易遷移到鋼筋表面，從而加快鋼筋銹蝕發(fā)生。

(3)最低膠凝材料用量

為保證混凝土具有足夠的耐久性，國內(nèi)外大多數(shù)規(guī)范都規(guī)定了海港混凝土的最低膠凝材料用量。因為，一方面足夠的膠凝材料用量可保證混凝土的均勻性，減少在施工振搗過程中可能產(chǎn)生的局部缺陷；另一方面能保證混凝土內(nèi)鋼筋周圍的堿度，使鋼筋鈍化膜不易破壞[3]。

我國水運行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范[4，5]按不同部位分別給出了最小混凝土保護層厚度、混凝土水膠比最大允許值和最低膠凝材料用量。在進行高樁碼頭耐久性設(shè)計時，首先應(yīng)判別各構(gòu)件所處部位，再根據(jù)所處部位進行最小混凝土保護層厚度、混凝土水膠比最大允許值和最低膠凝材料用量設(shè)計，各設(shè)計參數(shù)見表2。

由于預(yù)制面板屬于薄細構(gòu)件，設(shè)計中保護層厚度建議統(tǒng)一采取50mm。預(yù)制構(gòu)件是在預(yù)制廠統(tǒng)一預(yù)制，施工工藝能滿足標(biāo)準化，施工質(zhì)量容易保證，處于浪濺區(qū)時保護層厚度建議采用70mm；現(xiàn)澆構(gòu)件施工時容易受外界干擾，如模板剛度不夠造成漏漿或混凝土現(xiàn)場振搗不密實等影響，處于浪濺區(qū)時保護層厚度建議比預(yù)制構(gòu)件增加10mm，取80mm；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不產(chǎn)生裂縫，鋼筋預(yù)拉，鋼筋一旦開始銹蝕，對結(jié)構(gòu)壽命影響較大，因此處于浪濺區(qū)時保護層厚度建議取90mm。

表2 各構(gòu)件混凝土保護層厚度、水膠比、膠凝材料用量設(shè)計值

3 混凝土構(gòu)件表面防腐

混凝土構(gòu)件表面防腐一般包括表面涂層和硅烷浸漬。因為潮濕或飽水的混凝土表層毛細孔處于充水狀態(tài)，硅烷較難滲透，所以硅烷不適用于表面潮濕或水下構(gòu)件。樁帽、橫梁、懸臂板等現(xiàn)澆構(gòu)件多處于浪濺區(qū)和水位變動區(qū)，表面干濕交替，可以采用表面涂層；預(yù)制構(gòu)件在預(yù)制廠統(tǒng)一制作[6，7]，可以在安裝之前硅烷浸漬。在進行高樁碼頭設(shè)計時，涂層設(shè)計保護年限一般按20年考慮。

3.1 表面涂層

表面涂層防腐原理是在混凝土表面形成一層連續(xù)的高分子材料或水泥基材料而起到防護作用，一般包括面漆、中間漆和底漆，底層涂料應(yīng)具備一定的滲透能力，使涂層與混凝土牢固粘接，也是滿足整個涂層體系粘結(jié)強度的基礎(chǔ)；中間層涂料主要是具有較好的防腐蝕能力，能抵抗外界有害介質(zhì)的入侵，起到屏蔽效果；面層涂料要求有較高的耐老化性能，使涂層耐候性好，避免過早褪色、粉化、開裂、脫落而影響保護效果。涂層系統(tǒng)施工方式宜采用高壓無氣噴涂，可采用輥、刷或噴涂方式，涂層材料和干膜厚度可以參考表3執(zhí)行。

表3 涂層材料及厚度設(shè)計

當(dāng)平均干膜厚度不小于設(shè)計干膜總厚度且最小干膜厚度應(yīng)不小于設(shè)計干膜厚度的75%時方為合格[8]；當(dāng)粘結(jié)強度算術(shù)平均值滿足設(shè)計要求時方為合格。

3.2 硅烷浸漬

硅烷浸漬防腐的原理是：硅烷單體滲透到混凝土毛細孔內(nèi)后，縮聚為有機硅樹脂，脫出醇，有機硅樹脂能與混凝土表面形成化學(xué)鍵，其長碳鏈烷基是非極性憎水性官能團，在混凝土表面和毛細孔內(nèi)形成致密的憎水性保護膜，從而降低海水中氯離子的吸收率。

現(xiàn)行《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準》對混凝土硅烷浸漬推薦了異辛基三乙氧基膏狀硅烷和異丁基三乙氧基液體硅烷兩種材料。膏體硅烷具有粘附性好、揮發(fā)性低、與混凝土表面接觸的時間長、浸漬深度更深等特點，與液體硅烷相比，其對提高混凝土抗氯離子滲透性效果更優(yōu)。特別是在高性能混凝土中，由于高性能混凝土水膠比低，摻加了活性摻合料，混凝土更密實，液體硅烷難以浸入混凝土中，膏體硅烷更體現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢。建議在耐久性設(shè)計時對高性能混凝土或者需仰面作業(yè)的構(gòu)件采用異辛基三乙氧基膏狀硅烷，對其它普通混凝土構(gòu)件可以采用異丁基三乙氧基液體硅烷。閩江馬尾對臺綜合客運碼頭1#～3#泊位工程設(shè)計采用的是異丁基三乙氧基液體硅烷，施工單位在涂層施工后檢驗結(jié)果見表4，根據(jù)檢測結(jié)果，采用異丁基三乙氧基液體硅烷涂層防腐效果較好。

4 電通量和抗氯離子滲透性擴散系數(shù)

長期處于海水環(huán)境的混凝土構(gòu)件，海水中的氯離子逐漸向構(gòu)件內(nèi)部擴散，構(gòu)件中鋼筋周圍的氯離子濃度會隨著時間的增加而逐漸變大。當(dāng)氯離子濃度達到鈍化膜破壞臨界的濃度時，鋼筋開始銹蝕，鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致混凝土順筋開裂，從而使混凝土失去效能。氯離子擴散速度取決于混凝土構(gòu)件的抗氯離子滲透能力，電通量和抗氯離子滲透性擴散系數(shù)均是描述抗氯離子滲透能力主要指標(biāo)。

表4 硅烷浸漬實驗檢測結(jié)果

設(shè)計中對鋼筋混凝土提出了電通量≤2000C和快速試驗抗氯離子滲透性擴散系數(shù) (按標(biāo)準養(yǎng)護條件下56d齡期的試驗結(jié)果)≤2.8×10-12m2/s雙重指標(biāo)以確保抗氯離子滲透能力。施工現(xiàn)場混凝土檢測實驗結(jié)果見表5。

表5 混凝土現(xiàn)場實驗檢測結(jié)果

從表5可知，設(shè)計時按抗氯離子滲透性擴散系數(shù)≤2.8×10-12m2/s是合理的。同時，隨著混凝土強度等級的提高，電通量和抗氯離子滲透性擴散系數(shù)均有降低的趨勢；這是因為隨著混凝土強度等級的提高，混凝土水膠比降低，混凝土更加密實，氯離子擴散速率更慢。

5 壽命預(yù)測

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限指的是從建成到鋼筋銹蝕導(dǎo)致保護層出現(xiàn)0.3mm順筋裂縫時的狀態(tài)所經(jīng)歷的時間；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限指的是從建成到氯離子侵入混凝土導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋開始腐蝕時的狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。現(xiàn)行《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準》分別按鋼筋開始銹蝕階段和保護層銹脹開裂階段分別給出了準確的時間計算公式。

鋼筋開始腐蝕階段所經(jīng)歷的時間可按下式計算：

式中，ti為鋼筋開始腐蝕階段混凝土結(jié)構(gòu)使用年限(年)；x為混凝土保護層厚度計算值(mm)；Dcl(t)為時間函數(shù)的混凝土氯離子擴散系數(shù) (10-12m2/s)；ccr為混凝土臨界氯離子濃度計算值(%)；c0為混凝土初始氯離子濃度計算值(%)；cs為混凝土表面氯離子濃度計算值(%)。

混凝土保護層銹脹開裂階段所經(jīng)歷的時間應(yīng)按下式計算：

式中，tc為混凝土保護層銹脹開裂階段所經(jīng)歷的時間(年)；p為混凝土產(chǎn)生順筋裂縫時鋼筋的臨界銹蝕深度(mm)；λ 為鋼筋腐蝕速率(mm/年)。

按照前面的設(shè)計條件對該碼頭各構(gòu)件的壽命進行計算，結(jié)果見表6。

從表6可知，按現(xiàn)行耐久性設(shè)計，各構(gòu)件的使用壽命均能達到50年以上。其中，預(yù)制縱梁的設(shè)計使用年限最低，為提高預(yù)制縱梁的壽命，建議以后在設(shè)計縱梁時，可以將保護層厚度提高至75mm或80mm；軌道梁作為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其保護層取90mm是有必要的；處于同一部位的現(xiàn)澆構(gòu)件要得到預(yù)制構(gòu)件一致的壽命，則其保護層需適當(dāng)加大。

表6 各構(gòu)件使用壽命計算

6 結(jié)語

在進行高樁碼頭耐久性設(shè)計時，采取以下措施：通過分部位確定不同構(gòu)件的混凝土保護層最小厚度、最大水膠比、最低膠凝材料用量；聯(lián)合表面涂層或硅烷浸漬附加防腐措施；以電通量和抗氯離子滲透性擴散系數(shù)雙重指標(biāo)控制混凝土施工質(zhì)量。經(jīng)計算，高樁碼頭構(gòu)件壽命均能達到50年以上，滿足規(guī)范要求。