感潮河段鋼筋混凝土樁基的典型病害與處治對策

張聿盛

(福建省福寧高速公路有限責任公司，寧德 352000)

1 前言

任何一個矗立于地球表面的工程結構， 基礎是其最重要的組成部分，并且直接決定著整個結構是否安全。對于采用鋼筋混凝土樁基建造的橋梁而言， 在橋梁投入正常運行期間， 樁基的安全性備受工程師和管理人員的關注。 隨著高速公路建設發展，特別是跨海跨江橋梁，由于橋梁通車運營過程中樁基出現病害問題威脅橋梁使用安全，需要及時采取處治對策，確保橋梁使用安全。 對于感潮河段橋梁，鋼筋混凝土樁基的病害原因更為復雜，因為其涉及到海水侵蝕等海洋環境問題。為此，本文針對感潮河段鋼筋混凝土樁基的典型病害與處治對策進行闡述與分析。

2 感潮河段環境特點

所謂感潮河段一般指的是河口至潮區界的河段，此區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河不同， 它存在著高鹽度海水沿底層上爬的鹽水入侵現象， 以及在鹽淡水交界面形成密度流的現象[1]。因此， 感潮河段環境有著類似海洋環境的特點。 除此之外，感潮河段的水流反復沖刷明顯。

2.1 海洋環境

海洋環境是一種非常復雜的腐蝕環境。 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構腐蝕的重要因素， 海洋環境的腐蝕性比陸地環境的腐蝕性要高得多。 海洋環境根據其影響的程度不同從上到下可以分為海洋大氣區、浪花飛濺區、海水潮差區、海水全浸區和海底泥土區等5 個腐蝕區帶[2]。 其中，浪花飛濺區是海洋環境中腐蝕最嚴重的區域。主要原因在于：浪花飛濺區的構件表面受到海水的周期性潤濕， 且處于干濕交替狀態、氧供應充分、鹽分不斷濃縮；加之陽光、風吹和海水環境等協同作用導致發生最嚴重的腐蝕。 通過鋼材在海洋環境中的腐蝕試驗，結果表明：鋼材在海洋大氣區的平均腐蝕速率為0.03～0.08mm/a，在浪花飛濺區的平均腐蝕速率為0.3～0.5mm/a；此外，浪花飛濺區的腐蝕速率為海水全浸區的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、海洋植物和海洋動物)附著在樁基的鋼護筒上造成的危害，主要表現為加速金屬的銹蝕。

2.2 河床下切

河床下切是指現有河床比設計時河床基準面下降，下切按其成因可分為沖刷產生河床下切和人為挖砂產生河床下切。跨河橋梁在建設后，原來的河床過水斷面因樁基的存在而減小，從而使得河道的水流提速，這會對河床產生強烈的沖刷作用，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， 由于粉砂起動流速較小， 容易被水流沖起形成強烈沖刷， 形成較大的沖刷坑，最大沖刷深度達12.85m[4]。

3 典型病害與機理分析

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。

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

圖1 鋼護筒輕微銹蝕

混凝土一旦發生腐蝕后，混凝土的pH 值下降，同時其密實性下降。 pH 值的下降，使得內部鋼筋表面的鈍化膜容易發生破壞。混凝土的密實性降低之后，隨著水流的沖刷作用，混凝土隨之脫落，樁身表面細顆粒脫落，出現粗糙、麻面與露骨現象(圖2)。 這種現象持續發展時，樁身出現縮頸(圖3)。

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

圖2 樁體粗糙、麻面、露骨

圖3 樁身縮徑

圖4 露筋現象

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地降低，從而降低橋梁安全儲備，埋下安全隱患。

3.2 機理分析

(1)鋼材銹蝕

海洋污損生物附著在鋼護筒的表面， 由于硫酸鹽還原細菌、鐵細菌的作用，使金屬的銹蝕加劇；一些污損生物會破壞金屬表面的涂層， 使金屬裸露而導致金屬的銹蝕；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滿足三個條件： 鋼筋的鈍化膜破壞、水分和氧氣到達鋼筋表面。水泥水化的高堿性使混凝土內鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜。但是，氯離子是極強的去鈍化劑，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Cl-/OH-的濃度比值大于0.61 這個臨界值時，鋼筋開始銹蝕。鐵基體作為陽極受到腐蝕，大面積鈍化膜區域作為陰極。由于大陰極對應小陽極，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， 它具有導電性、高含鹽、生物活性等。 這些離子對鋼筋混凝土結構有很強的腐蝕作用。 由于結構部位所處的環境不一樣，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， 其有很多的孔隙。因此，在海洋環境下，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，海水中的各種成分也隨之到混凝土的內部。 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。

雖然海洋環境中SO42-的含量并不高，但由于超長時間的作用，SO42-對混凝土的影響是不能忽視的。SO42-與混凝土的成分發生如下的化學反應：

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， 其不會造成很大的影響；但如果鈣礬石含量很高，其會導致混凝土發生膨脹破壞。 Cl-的腐蝕機理同SO42-一樣，也是由于產生大體積的固化物，使混凝土膨脹而破裂。

此外，凍融循環及堿-骨料反應也能直接導致混凝土膨脹破壞，降低其密實性。凍融循環主要是混凝土毛細孔受冰凍脹力反復作用，形成累計損傷。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重。文獻[5]開展了海洋環境下鋼筋約束混凝土墩柱的凍融循環試驗研究， 結果表明：鹽水環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， 這種反應能在混凝土成型后持續數十年，其生成物吸水膨脹，并導致混凝土破壞。堿-骨料反應的三個必要條件是高含堿量、 骨料中有活性成分、潮濕環境。此外，碳化作用在相對濕度50%～80%的條件下最容易發生，海洋環境下濕度較大，而且隨著高標號混凝土的使用，碳化作用已經不是主要因素。

(3)河床下切使得橋梁樁基的自由長度增加，即對其側向剛度有較大影響。當河床下切深度過大時，樁基可能會因抗彎承載能力不足而出現跨橋事故。此外，河床下切對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受到削減。

4 處治對策

針對既有樁基存在的上述病害， 可以采取如下處治對策：

(1)對于混凝土的腐蝕，清理掉損壞部分。若混凝土內部鋼筋尚未遭到銹蝕， 則采用耐久性更優的混凝土進行修補，修補完后在混凝土表面再涂刷耐腐、抗滲、無毒、持久的涂料， 這是海洋環境下提高混凝土耐久性的主要手段；若混凝土內部的鋼筋遭到銹蝕，則應對鋼筋進行除銹與防銹處理；嚴重時，采用外加電流陰極防護措施[6]。若鋼筋截面削弱嚴重，還應增加補強鋼筋。

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

(3)針對河床下切病害，可通過加強下游采砂管理，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墻進行攔沙防沖[7]。

(4)采用玻纖套筒進行維修加固，該方法主要針對樁基的耐久性加固。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 結束語

感潮河段具有類似海洋環境， 同時存在河床下切問題， 所處橋梁樁基易出現鋼護筒、 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、加強河道管理、玻纖套筒加固等措施加以防范，確保橋梁結構安全、穩定。