李 龍

（中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071）

近年來，我國海運(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(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(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，往往通過外加劑來調(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，從而減少與周圍環(huán)境的交互作用。使用引氣劑時(shí)，對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，且對混凝土在海水中的凝結(jié)過程具有正面影響，通過實(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，是在混凝土制備過程中采取的有效措施。同理，水灰比越大也會導(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，通過優(yōu)化粗細(xì)骨料級配、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，還可能會有夏季高溫狀況，特別是我國東海與南海地區(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，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，也會加速混凝土碳化。同時(shí)，環(huán)境的氣溫對碳化反應(yīng)影響較大，溫度升高加快了分子運(yùn)動速率，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)污染包括汽車和工廠向空氣和海洋中排放的硫化物、氮化物?？諝庵械亩趸蚣觿×怂嵊甑漠a(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)，也帶來了較為嚴(yán)峻的環(huán)境問題，使沿海水質(zhì)劣化，硫酸根離子濃度較高。混凝土在化學(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在生長過程中對混凝土產(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抵抗水壓來形成相對封閉的環(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)而造成開裂失去保護(hù)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(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，即造成銹脹開裂現(xiàn)象。開裂的構(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)號的方式來增加保護(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，體積會變大，對固體孔隙有向外的應(yīng)力，有擴(kuò)大水合物間隙的趨勢；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(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(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)充分考慮周圍環(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瑯?biāo)號越高、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過多浸入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會對碼頭整體耐久性產(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，在長時(shí)間的使用過程中前期細(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)場查驗(yàn)后，通常會在場內(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施工測量定位、搭接對接產(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。