沿海区域码头混凝土构件检测实例分析

白海霞1，秦网根2，徐 亮2，陈子祎2

（1.连云港港口集团有限公司，江苏 连云港 222042；2.江苏省交通规划设计院，江苏 南京210014）

摘要：本文结合某突堤码头开展混凝土保护层厚度、碳化深度、钢筋腐蚀电位、抗氯离子渗透性等耐久性指标的检测，系统分析了该突堤码头在使用过程中发生的构件劣化及混凝土腐蚀等情况，并结合《港口水工建筑物检测与评估技术规范》中相关规定，对劣化混凝土构件进行寿命预测，为海港水工建筑物耐久性评价积累了丰富经验和参考依据。

关键词：突堤码头；耐久性检测；使用寿命；水工建筑物

引 言

目前，结合以往沿海诸多码头调研情况来看，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀及混凝土破损等是致使混凝土构件材料劣化、功能降低并影响码头安全使用的重要因素之一，为查找和发现码头混凝土构件的劣化情况，需对码头进行安全性检测，检测时应结合《港口码头结构安全性检测与评估指南》（交通运输部水运局，2010年）和交通部发布的《港口水工建筑物检测与评估技术规范 》（JTJ302-2006）等执行，并应根据现场检测结果对码头各劣化构件剩余使用年限进行寿命预测，方式和方法对类似工程检测具有重要的借鉴意义。

1 实例分析

某码头泊位总长度1 400 m，宽度54 m，已投入使用2年。码头结构采用全直桩高桩梁板式结构，基桩采用φ1 200后张法双绞线预应力混凝土大管桩，排架间距为10 m，每榀排架布置11根直桩。上部结构为正交梁板体系，即现浇桩帽、现浇横梁、预制纵向梁、迭合面板的结构型式，前沿桩台与后方驳岸之间采用简支板相连，简支板为13 m跨，采用预制预应力空心大板结构。现场外观调查中发现，码头混凝土构件存在个别平台区域局部破损、漏筋现象，为掌握码头受损构件的劣化状况，评估劣化构件的剩余使用寿命，需对该劣化区域进行安全性检测。

1.1 钢筋保护层厚度检测

混凝土保护层厚度的质量情况对码头的承载力和耐久性均有明显影响，过厚则影响结构的承载能力，过薄则对结构设计使用年限内的耐久性不利，现场采用混凝土钢筋检测仪对外观调查中发现的码头劣化构件进行了实际钢筋保护层厚度检测，依据《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》（JTS239-2015），对外观调查的劣化构件应至少测定3个测区，各测区抽取至少包含6根受力钢筋进行剩余保护层厚度检测，每根钢筋应在有代表性的部位选取2～3个测点，考察其与设计保护层厚度的偏差情况。检测结果见表1。

表1 混凝土构件钢筋保护层厚度检测结果

名称设计净保护层厚度/mm规定值或允许偏差/mm测值范围/mm标准差/mm平均厚度/mm合格率/%纵梁1 75 12或-5 55～785.86 68.5 60.0纵梁2 75 12或-5 58～744.68 67.9 6.33纵梁3 75 12或-5 57～744.52 68.2 66.7

由表1可见，所抽检纵梁钢筋保护层厚度整体控制一般，实测钢筋保护层厚度平均值低于原设计值，纵梁保护层厚度合格率范围为60.0 %～66.7 %。

1.2 碳化深度检测

通过1%的酚酞酒精溶液和碳化深度测量尺测量混凝土构件碳化深度值，构件测点不少于2个并取其平均值，考察码头不同区域、不同构件的代表性部位的老化程度。混凝土抗碳化性能的等级根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193-2009）划分如表2所示。

表2 混凝土性能等级划分及耐久性评定标准

等级 碳化深度d/mm 混凝土耐久性水平推荐意见T-Ⅰ d≥30 差T-Ⅱ 20≤d＜30 较差T-Ⅲ 10≤d＜20 较好T-Ⅳ 0.1≤d＜10 好T-Ⅴ d＜0.1 很好

根据现场测结果，码头纵梁碳化深度均为0 mm，依据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）3.0.3条混凝土抗碳化性能等级划分标准，该码头纵梁混凝土抗碳化性能等级为T-Ⅴ级，抗碳化耐久性水平推荐意见为“很好”。

1.3 钢筋腐蚀电位检测

对外观调查中发现的劣化构件，应对钢筋的腐蚀电位进行检测。测定仪测定腐蚀电位宜在构件表面布置网格形式布置测点，测点纵、横向间距为100～300 mm，相邻两测点测值差超过150 mV时，适当缩小测点间距；测量前对待测定钢筋的混凝土表面用喷淋的方法预湿，确保测值稳定。钢筋腐蚀电位锈蚀评定方法依据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》（JTJ 302-2006）和《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》（JTS 239-2015）划分如表3所示。

表3 钢筋腐蚀电位锈蚀评定方法

钢筋电位状况/mV钢筋锈蚀状况判别正向大于-200 钢筋发生锈蚀的概率小于10 %负向大于-350 钢筋发生锈蚀的概率大于90 % -200～-350 钢筋锈蚀性状不确定（概率50 %）

所抽码头纵梁腐蚀电位最小值大于-200 mV，根据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》（JTJ 302-2006）附录B.2.5.4条钢筋腐蚀情况判定规定，该码头抽检纵梁目前钢筋发生锈蚀的概率小于10 %。

1.4 混凝土抗氯离子渗透性能检测

氯离子渗入引起钢筋锈蚀已成为影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，且混凝土构件使用寿命受到严重威胁。为此，对该码头结构在有代表性的部位钻取芯样，测定混凝土氯离子扩散系数，每组抽取的同类结构芯样试件数量不少于3个，按现行行业标准《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）的要求，采用电迁移试验方法检测混凝土的抗氯离子渗透性能，并依此对混凝土结构使用年限进行计算。

扩散系数电迁移试验方法抗氯离子渗透性能的判定应符合下列规定。氯离子扩散系数平均值应按式(1)进行计算，同时满足式(2)和式(3)时，判为合格，反之，则判为不合格。

式中：为氯离子扩散系数平均值（×10-12m2/s），精确至0.1×10-12m2/s；Dj为第j个氯离子扩散系数测定值（×10-12m2/s），精确至0.1×10-12m2/s；Ds为设计氯离子扩散系数的最大值（×10-12m2/s）；n为试件个数（个）；为氯离子扩散系数最大值（×10-12m2/s），精确至0.1×10-12m2/s。

对该码头工程现浇胸墙钻取芯样，测定混凝土氯离子扩散系数，每组抽取的同类结构芯样试件数量不少于3个，按现行行业标准《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）的要求，采用电迁移试验方法检测混凝土的抗氯离子渗透性能，为基于耐久性考虑的码头结构剩余使用年限计算提供依据。

表4 氯离子扩散系数 /(×10-12m2·s-1)

构件编号 设计氯离子扩散系数氯离子扩散系数氯离子扩散系数平均值现浇桩帽 4.5 0.76、0.86、0.89 0.84

由表4测试结果，结合式(1)～式(3)判定得知，通过扩散系数电迁移试验方法所测得现浇胸墙抗氯离子渗透性能合格。

1.5 耐久寿命预测

1.5.1 预测方法

依据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》（JTJ 302-2006）、《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）中相关规定，海水环境下混凝土中钢筋腐蚀过程一般可以分为以下3个阶段（见图1）。

图1 海洋环境下混凝土结构钢筋锈蚀劣化时间进程

1）混凝土中钢筋开始锈蚀时间ti：混凝土结构暴露于海水环境至氯离子渗入到钢筋周围达到引起钢筋腐蚀的临界含量所经历的时间（a），计算式根据费克第二定律确定，计算参数与混凝土氯离子在效扩散系数、临界氯离子深度、表面深度、混凝土保护层和环境条件等因素有关。

2）钢筋开始锈蚀至保护层开裂时间tc：钢筋从开始锈蚀至保护层胀裂的时间与混凝土的强度、保护层厚度与钢筋直径的比值有极大关系，由于混凝土中钢筋发生锈蚀时，其锈蚀产物会发生体积膨胀，体积一般可以钢材体积增大3～4 倍，当体积膨胀产生的拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时就会产生顺筋裂缝，造成混凝土保护层沿钢筋开裂。

3）混凝土结构功能明显退化时间td：从保护层开裂至钢筋截面因锈蚀减小至原截面90 %所经历的时间。国内外大量试验结果表明，当钢筋截面损失率在10 %～60 %范围内时，钢筋屈服点已不明显，钢筋的各项力学性能严重下降。在《港口水工建筑物检测与评估技术规范》(JTJ302-2006)中将钢筋混凝土结构自构件出现顺筋开裂至钢筋截面因锈蚀减少至原截面90 %的时间作为功能明显退化阶段时间。

该规范将混凝土结构使用年限按钢筋锈蚀劣化的三个时间进程之和定义为钢筋混凝土结构使用年限，即钢筋开始锈蚀的时间ti、保护层锈胀开裂时间tc以及功能明显退化阶段的时间td，钢筋混凝土结构使用年限预测按下式计算：

4）钢筋开始锈蚀阶段所经历的时间按下式计算：

式中：ti为混凝土从浇筑到钢筋开始锈蚀所经历的时间（a）；c为混凝土保护层厚度（mm）；Dt为混凝土氯离子有效扩散系数（×10-12m2/s）；erf为误差函数；Ccr为混凝土中钢筋开始发生腐蚀的临界氯离子浓度（%）；C0为混凝土中的初始氯离子浓度（%）；γ为氯离子双向渗透系数，角部区取1.2，非角部区取1.0；Cs为混凝土表面氯离子浓度（%）。

混凝土氯离子有效扩散系数可按下列公式计算：

式中：Dt为混凝土氯离子有效扩散系数（×10-12m2/s）；Dref为快速试验方法测定的混凝土氯离子扩散系数（×10-12m2/s）；ke为环境系数；tref为参考试验时间（a）；t为混凝土氯离子扩散系数衰减期（a）；n为混凝土氯离子扩散系数衰减系数；U为混凝土氯离子扩散过程的活化能（J/mol），取35 000 J/mol；R为理想气体常数[J/(K·mol)]，取8.314 J/(K·mol)；T0为参考温度（K），取293 K；T为环境温度（K）。

5）保护层锈胀开裂阶段所经历的时间按下式计算：

式中：tc为混凝土保护层锈胀开裂阶段所经历的时间（a）；δcr为保护层开裂时钢筋锈蚀临界锈蚀深度（mm）；1λ为保护层开裂前钢筋平均腐蚀速度（mm/a）。

其中λ1=0.0116i，c、d、fcuk、i分别为混凝土保护层厚度（mm）、钢筋原始直径（mm）、混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）以及钢筋的腐蚀电流密度（μA/cm2）。

6）功能明显退化阶段所经历的时间按下式计算：

式中：d、2λ分别为钢筋原始直径（mm）和保护层开裂后钢筋平均腐蚀速度（mm/a）。

7）混凝土结构剩余使用年限则按下式计算：

式中：tre为混凝土结构剩余使用年限（a）；t0为混凝土结构自建成至检测时已使用的时间（a）。

1.5.2 寿命预测结果

按照以上寿命预测方法，对该码头纵梁进行寿命预测，寿命预测结果见表5。

表5 结构寿命预测计算结果

构件名称结构使用年限te/a结构已使用年限t0/a结构剩余使用年限tre/a纵梁 59 2 57

2 结 论

本文结合具体工程，针对影响混凝土耐久性的保护层厚度、碳化深度、钢筋腐蚀程度、抗氯离子渗透等指标开展检测，并对码头纵梁进行剩余使用寿命预测，得出以下几点结论：

1）从钢筋保护层检测结果来看，所抽检各类型构件钢筋保护层厚度整体控制一般，纵梁实测钢筋保护层厚度平均值低于原设计值。

2）根据混凝土碳化深度检测和钢筋腐蚀电位检测结果可以看出，该码头混凝土均匀致密，抗渗性能优良。

3）基于当前的技术水平推测，该码头纵梁剩余使用寿命预测57年。

3 结 语

沿海海域氯离子侵蚀钢筋混凝土，引起混凝土内部钢筋锈蚀及破损，从而影响混凝土构件材料劣化、功能降低，并最终影响码头的安全使用寿命，为查找和发现码头混凝土构件的劣化情况，应按照先外观调查，并针对外观调查中发现的劣化构件开展混凝土保护层厚度、碳化深度、钢筋腐蚀电位、抗氯离子渗透等的检测，并根据现场检测结果开展混凝土结构剩余使用年限预测。

Analysis on Detection of Concrete Structural Members of Coastal Berths

Baihaixia1, Qin Wanggen2, Xu Liang2, Chen Ziyi2
(1.Lianyungang Port Holding Group Co., Ltd., Lianyungang Jiangsu 222042, China; 2.China Design Group Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210014, China)

Abstract：One jetty is based on to carry out the detection of durability index such as the thickness of concrete protective coating, the carbonation depth, the rebar corrosion potential, and the resistance to chloride ion penetration etc. An analysis is made systematically for the deterioration of structural members and concrete corrosion occurred in the operation of the above jetty. According to relevant stipulations specified in Technical Specification of Maritime Structure Detection and Evaluation, the service life of the deteriorated concrete structural members is predicted, which will accumulate rich experiences and references for evaluating the durability of maritime structures.

Key words：jetty; durability test; service life; maritime structure

中图分类号：U656.107

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2017）01-0055-04 

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170113

收稿日期：2016-10-11

作者简介：白海霞（1982-），女，工程师，主要从事港口水运工程研究和管理工作。