沿海高樁碼頭主體結構耐久性影響因素分析

李 龍

（中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071）

近年來，我國海運貿易蓬勃發展，大型游輪和各類海洋科考船也接連投入使用，沿海開放城市普遍大力興建港口碼頭工程。根據碼頭受力形式與構造方式的不同，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]。當沿海地質條件較差、淤泥質土或軟弱土層較多，且潮汐水位高差較大時，大多使用高樁碼頭。高樁碼頭的主體結構由樁基和上部結構組成，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單清晰，在沿海港口中被普遍使用。高樁碼頭的樁體較長且大部分處于海水腐蝕和波浪作用環境之中，構件可靠度等特性要求與重力式碼頭有所區別。為了保證碼頭結構長期正常使用，保證船舶、車輛以及人員物資的安全，鋼砼高樁碼頭的結構耐久性備受重視。文章從材料自身特性及其與外環境相互作用的角度，結合施工工藝措施等方面，分析高樁碼頭結構質量退化以及使用性能降低的影響因素，探討提升主體結構耐久性等工程質量控制的合理化思路，為后續深入研究提供參考。

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，外部環境中的二氧化碳與混凝土材料中的水泥水化物發生化學反應，導致材料的楊氏模量與彈塑特性發生改變，使結構強度降低。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度特性、和易性以及耐久性，往往通過外加劑來調節。當不使用任何外加劑時，粉煤灰水泥的碳化速度最快，而礦渣水泥最慢[2]。國內部分廠商也在研制推廣特種海工水泥，其抗腐蝕系數頗高，通過改變水泥的種類成分從而達到增強微觀顆粒間黏結強度和宏觀構件整體強度的目的；也可以降低物質化學活潑性，從而減少與周圍環境的交互作用。使用引氣劑時，對商砼抗碳化性有明顯的加強。使用早強劑時，可以大幅度增強抗碳化的能力，且對混凝土在海水中的凝結過程具有正面影響，通過實驗發現，碳化速度可以放緩一倍。這是因為減水劑相當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，是在混凝土制備過程中采取的有效措施。同理，水灰比越大也會導致材料內部孔隙率增加，增加了外環境的溫室氣體進入的概率。因此，通過優化粗細骨料級配、加強澆筑振搗的施工工藝、提升混凝土整體強度，可以減緩主體結構，特別是高樁碼頭的樁身部分的混凝土碳化速率。

1.2 碼頭工作環境的影響

高鹽、高濕是沿海環境的典型特征，由于所處地理環境的不同，還可能會有夏季高溫狀況，特別是我國東海與南海地區，高樁碼頭的夏季工作環境溫度較高，極端高溫天氣時有發生，且伴有十分潮濕的空氣。相對濕度越高或越低均不利于混凝土碳化的進程，當空氣中游離水分子較多時，抑制了二氧化碳的分子運動，而空氣極為干燥時，水泥水化物也缺少中和反應的調節，通常相對濕度為60%時碳化反應進展最快。隨著工業化的步伐，化石能源的大規模使用正在增加空氣中溫室氣體含量，也會加速混凝土碳化。同時，環境的氣溫對碳化反應影響較大，溫度升高加快了分子運動速率，增加了二氧化碳分子進入碼頭構件內部的速度，也會具有溫度催化的效應。當水化熱在混凝土內部聚集較多，外部氣溫較高則不利于降溫，通過養護措施不利于充分釋放時，產生的溫度裂縫就給空氣進入材料內部提供了暢通的渠道。

2 高樁碼頭結構的化學反應

2.1 混凝土的堿骨料反應與其他化學腐蝕

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發生的反應為堿骨料反應。海水環境中鹽性成分極多，更加易于產生堿骨料反應[3]。這種化學變化是緩慢的、長期的，反應后的物質總體積大于原始狀態，造成混凝土的開裂，若此反應普遍發生，則易形成局部貫通裂縫，使鋼筋暴露，降低構件的承載能力和結構整體可靠度[4]，削弱了抗壓能力。

工業污染包括汽車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生。港口碼頭多存在于沿海發達城市，工業規模顯著，在促進地區經濟發展的同時，也帶來了較為嚴峻的環境問題，使沿海水質劣化，硫酸根離子濃度較高。混凝土在化學腐蝕作用下體積變大，易發生脹裂現象，造成構件表面裂縫和保護層剝落。另外，海水中的微生物附著于混凝土之上，其生存繁衍會釋放出一些酸性物質，與堿性的混凝土相互作用，降低混凝土密度與強度，產生生物腐蝕現象；附著在樁體表面的貝類也會在生長過程中對混凝土產生影響，此類現象是沿海環境中特有的，也是高樁碼頭日常維護保養的重要課題。現階段工程中，會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結構耐久性。

2.2 鋼結構的化學銹蝕

在鋼-砼結構中，混凝土的主要作用是承受豎向壓力以及通過抵抗水壓來形成相對封閉的環境從而保護內部鋼筋。鋼筋在樁體中既承擔豎向承載力又承擔側向承載力的任務，有著承重、抗波浪激勵、抗震、抗側彎等作用，也是影響結構耐久性的關鍵因素，耐久性喪失的主要指標就是鋼筋強度的下降。當高樁碼頭的混凝土持續碳化和被環境因素腐蝕，進而造成開裂失去保護作用，就會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，形成電化學銹蝕。氯離子浸入構件的深度通常是判斷鋼結構受腐蝕程度的重要因素[5]，由于鋼材銹蝕后體積變大，使得構件內部應力增大，易撐裂包裹的混凝土，即造成銹脹開裂現象。開裂的構件使鋼材裸露面進一步擴大，又加劇了鋼結構的銹蝕。當鋼砼構件的酸堿度下降、氯離子濃度上升時，鋼筋就進入了腐蝕的快車道，在海水環境中尤為突出。在碼頭等水工項目中，通常使用增加混凝土保護層厚度、提高商砼標號的方式來增加保護，也可以使用在鋼材外部涂刷防腐涂料、陰極保護、犧牲陽極等方法保護鋼材。

3 高樁碼頭混凝土的凍融循環破壞

水的物理特性是從液態變為固態時體積膨脹。當冬季碼頭樁基或上部結構的混凝土內游離水降溫結冰后，體積會變大，對固體孔隙有向外的應力，有擴大水合物間隙的趨勢；而春夏之季，溫度升高后冰結晶融化，液態水進入孔隙中，冬季再次結冰膨脹，此種作用周而復始，造成了混凝土構件的疏松與細微裂縫，加大了比表面積。我國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冰封，常年往復，凍融循環破壞是影響高樁碼頭耐久性的重要因素。當然，也不是所有游離水都會產生凍融作用，實驗表明，只有當混凝土內水飽和度達到臨界值時，才會引發凍融循環。由于海水的冰點更低，含有的鹽離子更多，結冰后體積的變化率更大，則會產生較之陸地基建結構更大的凍融循環破壞。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混凝土，混凝土出廠品質有了一定的保證，但施工過程中依舊有些不確定因素，最常見的就是混凝土澆筑振搗不充分。當構件內鋼筋排布較密時，振搗應分層且使用合適工具，降低產生較大孔隙的風險。再者，應在支模時充分清理模板內雜物，避免混凝土表面的麻面或裂隙[6]。反復檢查模板內壁與鋼筋外沿之間的距離，保證充足的保護層厚度，避免因為鋼筋位置偏移、綁扎質量不高而導致部分位置保護層厚度不夠的問題。眾多工程實踐表明，混凝土的厚度直接影響內部鋼筋的銹蝕速度，因而設計保護層厚度時，應充分考慮周圍環境的影響以及工作狀態的因素，按照耐久性要求的不同制訂不同的保護層厚度，并考慮施工的偏差，留有一定的設計冗余。

優化施工組織設計，混凝土齡期未滿不得拆模，否則達不到設計強度。混凝土抗水壓的能力尤為重要，標號越高、強度越高的混凝土抵抗外部壓強的能力越強，目前工程中普遍使用C50、C60標號的混凝土，若由于施工因素使混凝土的強度達不到設計要求，在施工階段中海水便會過多浸入結構內部，會對碼頭整體耐久性產生不利影響。在夏季施工時，應加強養護，避免溫度裂縫的產生。由于碼頭使用期限一般較長，在長時間的使用過程中前期細小的裂縫都有可能繼續發展，在海水環境中愈加嚴重。鋼筋進場查驗后，通常會在場內放置一段時間后再投入施工，此時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卡。構件的施工要求合理規劃澆筑層次、規范留置施工縫，避免因為施工縫的存在導致外部鹽分過早進入結構構件之內。施工時應充分考慮海洋波浪作用對施工測量定位、搭接對接產生的影響，避免因為波浪影響導致樁位偏心，偏心距產生后在長時間的海浪往復拍打、多方向激勵作用后，可能產生局部變形、局部受拉、應力集中、不利受力等情況。

以上施工注意事項均是做好高樁碼頭鋼筋混凝土結構防腐蝕、防銹蝕、防凍融的關鍵措施，對提高結構耐久性具有積極意義。

5 結論

沿海高樁碼頭建設發展迅速，影響其主體結構耐久性的因素也較為復雜，有混凝土材料的碳化、堿骨料反應與化學腐蝕、鋼筋銹蝕、混凝土凍融循環以及施工工藝因素等。需從材料分子、內部結構、化學變化、宏觀表現以及作用機理等各方面分析其影響耐久性的原理，并由此總結出對應的防治措施，主要表現在提升鋼砼材料特性、減緩腐蝕作用發展、優化工藝質量等方面，在建造材料制備、設計方案制訂和施工過程中加以體現，為高樁碼頭工程的健康發展提供技術保障。