陳 環(huán)，齊中華，房靖超，汪峻峰

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228;2.海南八所港務(wù)有限責(zé)任公司，海南 東方 572601)

在海洋近海環(huán)境中，由于海水中氯離子腐蝕、海風(fēng)鹽霧侵蝕、雨水洗刷等，加上混凝土結(jié)構(gòu)本身材料的組成、養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響，容易引發(fā)不同程度的破壞，進(jìn)而直接影響到臨海建筑物、構(gòu)筑物的安全使用壽命。在中東的沙特阿拉伯等海灣地區(qū)，因受海洋惡劣環(huán)境的影響，74%的混凝土結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)重的鋼筋腐蝕破壞［1］;日本沿海的眾多高速公路鋼筋混凝土橋梁也因海水、海風(fēng)侵蝕，一般使用10 ～20年后都得不斷進(jìn)行維修［2］。鋼筋混凝土腐蝕這一問題早已引起了國際上的廣泛關(guān)注。

針對上述嚴(yán)重問題，國內(nèi)外專家和一些科研機構(gòu)對此已做了大量的現(xiàn)場調(diào)查和研究［3－7］。研究結(jié)果表明，海洋近海環(huán)境中氯離子滲透是引發(fā)港口混凝土結(jié)構(gòu)破損的主要因素，氯離子滲透至一定濃度后鋼筋銹蝕，導(dǎo)致體積膨脹，當(dāng)膨脹到一定程度后，會導(dǎo)致保護(hù)層混凝土脹裂，甚至大塊混凝土剝落。早在20 世紀(jì)80年代，我國交通運輸部各科研機構(gòu)就針對華南、華東及連云港以北等多個碼頭進(jìn)行了廣泛調(diào)查［8］。方璟等［9］對20 世紀(jì)80 至90年代碼頭混凝土破壞狀況結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為影響海港鋼筋混凝土建筑物鋼筋銹蝕的因素是多方面的。這里將對海南八所港礦砂碼頭混凝土梁、柱、甬道等結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，主要針對氯離子侵蝕引發(fā)的混凝土腐蝕破壞進(jìn)行研究，同時探究混凝土局部環(huán)境與混凝土腐蝕的相關(guān)性。

1 八所港碼頭基本概況

1.1 港口地理環(huán)境和氣候條件

八所港位于海南島西海岸中部，原系日本軍國主義者為掠奪石碌鐵礦于1943年修筑的出口港，北黎灣西南角上，面臨北部灣東部海面，近岸多為淺海［10］。港口屬不規(guī)則全日潮港口，季候風(fēng)區(qū)，大潮升1.6 m，小潮升1.3 m，平均海面1.5 m，回歸潮高潮潮高2.7 m，低潮潮高0.5 m，潮差2.2 m，港口受東北及西南季節(jié)強風(fēng)影響。每年1 ～3月早上或傍晚有霧，一般持續(xù)1 ～2 小時，海水含鹽量平均為3.34%，最高3.5%，最低3.08%(根據(jù)統(tǒng)計資料)，附近沒有大型污染源，水質(zhì)清潔。

1.2 碼頭修建和擴(kuò)建改造情況

八所港礦砂碼頭，位于海南島八所港港池東側(cè)，東棧橋長約40 m，西棧橋長約70 m。碼頭的東北端與第一號防波提弧形相對。1942年5月，八所港大規(guī)模的建港工程開始建造，并于1984年對其礦砂碼頭進(jìn)行技術(shù)改造和擴(kuò)建，其梁、柱結(jié)構(gòu)至今已使用近30 余年。而東面甬道只做了局部的混凝土表面保護(hù)層翻修處理。

2 礦砂碼頭混凝土腐蝕現(xiàn)狀

2.1 碼頭梁、柱、甬道分布情況

礦砂碼頭主體結(jié)構(gòu)分為西棧橋、東棧橋和甬道，棧橋柱截面尺寸為50 cm×40 cm，間距10 m，梁長2 m，實驗中已對混凝土柱進(jìn)行了簡單編號，詳細(xì)示意如圖1 所示。整個礦砂碼頭因年代久遠(yuǎn)，加上所處海洋環(huán)境惡劣，其混凝土結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)不同程度的腐蝕破壞。碼頭甬道中主要由素混凝土建造，內(nèi)部無鋼筋結(jié)構(gòu)。

圖1 礦砂碼頭主體分布示意Fig.1 Schematic diagram of the port

2.2 混凝土腐蝕現(xiàn)場調(diào)查

鋼筋混凝土腐蝕現(xiàn)狀主要以港口使用30年的梁柱作為調(diào)查對象。其混凝土柱東西方向平行于海岸線，北部迎海。主要針對混凝土構(gòu)件外觀腐蝕情況進(jìn)行分析。調(diào)查發(fā)現(xiàn)其混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕特別嚴(yán)重，混凝土柱和梁都出現(xiàn)不同程度的損傷。

混凝土破損狀態(tài)呈現(xiàn)多種表現(xiàn)形式:隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)行，混凝土表面形成與混凝土內(nèi)部鋼筋基本平行的順筋裂縫(見圖2(a));或者因鋼筋生銹引起保護(hù)層起鼓、層裂(見圖2(b));部分構(gòu)件上混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、剝落，甚至出現(xiàn)鋼筋外露和銹斷等現(xiàn)象。

圖2(a)中是柱Xb2 上一個典型的鋼筋銹蝕引發(fā)的縱向裂縫圖。由圖2(a)中可以看出，混凝土柱的東北面出現(xiàn)脹裂，東面右下角混凝土塊早已剝落，鐵銹外露，暴露的鋼筋已基本生銹?？v向裂縫平行鋼筋沿著混凝土破損處逐漸向上延伸，裂縫寬度大于3 mm，可見混凝土構(gòu)件已出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。

混凝土柱Xa1 的北面偏東垂直距離地面約為3.5 m 處也出現(xiàn)嚴(yán)重破損，如圖2(b)所示。北面正好是迎海面，部分混凝土保護(hù)層已剝落，鋼筋暴露，銹蝕非常嚴(yán)重。從圖中可以清晰的看出混凝土破損處順著鋼筋出現(xiàn)擴(kuò)展裂縫，如果不及時修補，將出現(xiàn)更加嚴(yán)重的破損。

圖2 混凝土柱鋼筋銹蝕引起的縱向裂縫、保護(hù)層剝落Fig.2 Damaged concrete column showing longitudinal cracking and large spalls by corrosion of reinforcement

除此之外，混凝土梁上也出現(xiàn)嚴(yán)重破損，暴露的主筋和箍筋部分已經(jīng)銹斷，如圖3 所示。從圖中仔細(xì)觀察，混凝土脹裂基本是沿著銹蝕鋼筋產(chǎn)生，銹蝕主筋底部混凝土保護(hù)層早已剝落，還有部分混凝土沿著箍筋處脹裂，可見混凝土脹裂主要是由于鋼筋銹蝕引發(fā)。

除此之外，通過宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，刮除鋼筋表面鐵銹層后，其鋼筋表面出現(xiàn)不同大小的蝕坑，如圖4 所示。主要原因是海港碼頭混凝土內(nèi)鋼筋遭受氯鹽腐蝕的形態(tài)是大陰極、小陽極［11］，其腐蝕狀態(tài)屬于局部腐蝕，如果小陽極周圍都是鈍化膜，腐蝕就容易縱向深入，局部腐蝕集中在小區(qū)域，造成鋼筋表面呈現(xiàn)坑蝕、孔蝕，混凝土表面裂縫不大時，鋼筋已經(jīng)腐蝕很嚴(yán)重了，若任其發(fā)展下去，則銹蝕裂縫的發(fā)展相當(dāng)迅速。

圖3 混凝土梁上保護(hù)層脹裂或剝落Fig.3 Damaged concrete beam showing cover cracking or spalling

圖4 刮除鐵銹層之后的鋼筋Fig.4 View of a corroded surface rebar after removing corrosion products

3 樣品采集和測試方法

3.1 樣品采集

針對八所港礦砂碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受近海環(huán)境氯離子侵蝕破損現(xiàn)狀，分別從甬道、柱、橫梁及柱基座中截取混凝土和鐵銹樣品。由于梁柱破損過于嚴(yán)重，為了防止混凝土梁、柱因鉆孔機取粉時振動引發(fā)倒塌事故，不便鉆孔和鉆芯，因此在棧橋梁柱上(Xb2 柱、梁L4)截取裸露在空氣中帶銹蝕鋼筋的混凝土剝落塊，并刮下鋼筋表面上的鐵銹裝袋。因基座不容易受海風(fēng)、海霧侵蝕，在開挖地面基座中采用HZ－15 型混凝土取芯機鉆取芯樣，芯樣深度大于8 cm，從芯樣底部(即基座內(nèi)部)敲取部分混凝土塊測其氯離子含量，用作對比實驗。

另外，采用直徑為22 mm 的沖擊鉆頭鉆孔，從甬道東、西兩側(cè)分別按照2 cm 的深度分層取粉，取粉深度最大為10 cm;同時在甬道北側(cè)(迎海面)采用HZ －15 型混凝土取芯機鉆取芯樣，并將芯樣沿深度方向以2 cm為單位切塊、研磨，目的是探究甬道東西北三側(cè)不同深度處的水溶性氯離子含量。

為了探究氯離子在混凝土塊和鐵銹中的分布，對從柱Xb2 截取的鋼筋混凝土樣品進(jìn)行分區(qū)域取樣。首先，在其鋼筋表面刮取靠近鋼筋表層鐵銹和遠(yuǎn)離鋼筋且靠近混凝土的鐵銹，分別命名為S －1 和S －2;其次，在樣品中截取出靠近鐵銹層和遠(yuǎn)離鐵銹層的混凝土塊，分別命名為S－3 和S －4，其鋼筋混凝土分區(qū)域取樣示意如圖5 所示。

圖5 柱Xb2 上鋼筋混凝土分區(qū)域取樣示意Fig.5 Schematic diagram of area－sampling on reinforced concrete from column

3.2 測試方法

實驗中混凝土和鐵銹中氯離子含量統(tǒng)一采用NJCL －B 氯離子含量測定儀進(jìn)行測試。由于只有溶解在混凝土孔隙溶液中的氯離子(自由氯離子)對鋼筋腐蝕起作用［12］，因此測試過程中首先將混凝土塊和鐵銹采用錘子擊碎，剔除明顯可見的砂石，瑪瑙缽研磨成足夠細(xì)的粉末，稱取一定質(zhì)量的粉樣溶于一定體積的去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌30 分鐘以上，從而保證氯離子完全溶于水中，通過測其溶液中氯離子含量可以得到水溶性氯離子含量(按混凝土重量或鐵銹重量的百分?jǐn)?shù)表示)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對實驗中每組數(shù)據(jù)都進(jìn)行三次以上測試，最后求平均值所得。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 氯離子測試結(jié)果

實驗在相同的外界環(huán)境下進(jìn)行，對所制備的粉末樣品進(jìn)行氯離子含量測試。其氯離子測試結(jié)果記錄如表1 所示。

表1 礦砂碼頭不同部位混凝土或鐵銹中氯離子含量Tab.1 Chloride content of concrete and rust at different sections in the port

一般情況下，柱基座內(nèi)部混凝土難以受到外界環(huán)境的影響，同時也就不容易受到海風(fēng)、海霧中氯離子的侵蝕。從表1 中實驗數(shù)據(jù)可以看出，基座內(nèi)部混凝土中氯離子含量為0.058%，而其它混凝土樣品中氯離子含量遠(yuǎn)大于這一數(shù)值，可見礦砂碼頭梁、柱及甬道等暴露于空氣中的混凝土構(gòu)件都已受氯離子嚴(yán)重侵蝕，如果不及時修復(fù)，將導(dǎo)致更大的破損。同時，對比服役70年的混凝土和30年混凝土中氯離子含量，可以發(fā)現(xiàn)使用年限越長，其氯離子侵蝕越嚴(yán)重。

鋼筋銹蝕是鋼筋表面的氯離子達(dá)到一定濃度時發(fā)生的現(xiàn)象。臨界氯離子濃度一般是指鋼筋去鈍化所需的氯離子濃度。早在20 世紀(jì)80年代，Browne 就提出了鋼筋銹蝕的危險性與氯離子百分含量的關(guān)系［13］，如表2 所示。這一關(guān)系在許多實際工程調(diào)查中得到了證實。表2 中顯示臨界氯離子濃度具有一個變化范圍，這是由于氯離子臨界濃度受混凝土質(zhì)量和環(huán)境綜合因素的影響。

表2 鋼筋銹蝕危險性與氯離子百分含量Tab.2 The risk of steel corrosion and chloride ion content

結(jié)合表2 可以看出，當(dāng)混凝土中氯離子含量超過0.18%時，其鋼筋極易被腐蝕，而當(dāng)氯離子超過0.36%時，鋼筋百分百已經(jīng)腐蝕。結(jié)合表1 中實驗數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)于甬道東側(cè)、西側(cè)及北側(cè)混凝土中不同深度氯離子含量，除暴露于空氣中的混凝土表層0 ～2 cm 處含量偏低外，其余深度位置(2 ～8 cm)混凝土中氯離子百分含量都已達(dá)到甚至超過0.36%，同時結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查可以分析得出礦砂碼頭混凝土中鋼筋大部分已遭受嚴(yán)重腐蝕。

4.2 甬道中氯離子侵蝕規(guī)律

圖6 甬道不同深度處氯離子含量分布Fig.6 Chloride content at different depths in tunnel

實驗中針對服役70年的甬道東、西、北(迎海面)三側(cè)不同深度處氯離子分布進(jìn)行了測試分析，其分布對比情況如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，甬道中東、西、北三側(cè)的氯離子含量分布呈現(xiàn)相似變化趨勢，混凝土表層0 ～2 cm處氯離子含量較低，不同深度氯離子含量分布整體呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，這一分布規(guī)律在其他碼頭混凝土構(gòu)件中也同樣被觀察到［14］。從氯離子含量分布的整體趨勢來看，其分布主要集中在4 ～6 cm 和6 ～8 cm 深度范圍內(nèi)，且不同方位其氯離子含量存在一定差異，可見局部環(huán)境的不同也會影響到混凝土中氯離子的侵蝕和分布，這可能與港口風(fēng)向、風(fēng)速、干濕交替周期、日照、局部降雨速率、空氣中相對濕度等各方面因素有關(guān)［7］。而關(guān)于混凝土表層0 ～2 cm 處氯離子含量偏低的情況，可能是受碼頭混凝土年代久遠(yuǎn)，表面受風(fēng)化、雨水沖刷等的影響。

4.3 鋼筋混凝土界面區(qū)域氯離子侵蝕規(guī)律

鋼筋混凝土是由水泥石基體、骨料和鋼筋所組成的建筑材料，混凝土破損往往與鋼筋銹蝕有關(guān)，氯離子侵蝕通過鋼筋－混凝土界面區(qū)到達(dá)鋼筋表面，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，體積可膨脹到原來的5 ～10 倍，最后引發(fā)混凝土脹裂。實驗中對裸露在空氣中的鋼筋混凝土樣塊進(jìn)行分區(qū)域取樣測試，圖5 中已給出取樣示意圖。另外，不同區(qū)域氯離子含量分布在表1 中給出，由表1 中數(shù)據(jù)可知柱Xb2 混凝土中氯離子含量在鋼筋混凝土界面區(qū)域呈現(xiàn)規(guī)律性變化，其氯離子百分含量從鋼筋表層鐵銹、鐵銹層、靠近銹層混凝土、到遠(yuǎn)離銹層混凝土依次是0.026% ＜0.046% ＜0.160% ＜0.226%。且其氯離子含量從混凝土到鋼筋表面呈現(xiàn)跳躍式降低，這一跳躍式變化現(xiàn)象同樣在本實驗的橫梁結(jié)構(gòu)樣品中觀測到，鐵銹中氯離子百分含量明顯低于混凝土中。同時結(jié)合圖2 和圖3 鋼筋銹蝕圖片可知，氯離子在鐵銹中盡管含量較低，但其鋼筋依然會發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。

由于近海環(huán)境中，海風(fēng)、海霧中氯離子含量較高，氯鹽對混凝土和鋼筋均有一定的腐蝕作用。當(dāng)氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面時，氯離子與鋼筋構(gòu)成腐蝕電池，其中氯離子與鐵離子生成FeCl2，再溶于水，轉(zhuǎn)換成Fe(OH)2，釋放出氯離子，周而復(fù)始，使得鋼筋進(jìn)一步腐蝕，致使混凝土保護(hù)層沿鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落，直至鋼筋完全失去保護(hù)。其鋼筋簡單銹蝕原理如圖7 所示［15］，鋼筋表面出現(xiàn)坑蝕。礦砂碼頭實際工程中鋼筋表面出現(xiàn)類似蝕坑現(xiàn)象，已在圖4 中給出。

圖7 鋼筋銹蝕原理示意Fig.7 Schematic diagram of typical corrosion on reinforcement

氯離子對鋼筋的腐蝕起著陽極去極化作用，加速鋼筋的陽極反應(yīng)，促進(jìn)鋼筋局部腐蝕，這是氯離子侵蝕鋼筋的特點。同時，氯離子在鋼筋銹蝕過程中具有催化作用，并且氯離子不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕中也未被消耗，反復(fù)對鋼筋進(jìn)行腐蝕。因此，鋼筋表面鐵銹中氯離子含量盡管較低，但其對鋼筋的銹蝕可以一直循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行下去，鐵銹中低濃度的氯離子對鋼筋的銹蝕作用不容忽視。

5 結(jié) 語

通過八所港礦砂碼頭腐蝕現(xiàn)狀調(diào)研測試分析，初步研究了港口服役70年甬道和30年梁柱混凝土氯離子侵蝕狀況，探索了甬道東西北三側(cè)不同深度處的氯離子分布及柱上鋼筋－混凝土界面區(qū)域氯離子侵蝕情況，得出以下結(jié)論:

1)現(xiàn)場調(diào)查了海南八所港礦砂碼頭混凝土破損情況。調(diào)查結(jié)果表明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部分已出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，主要表現(xiàn)為內(nèi)部鋼筋銹蝕、混凝土開裂、剝落等現(xiàn)象。這與海洋近海環(huán)境中所處的海霧環(huán)境條件惡劣、混凝土構(gòu)件年代久遠(yuǎn)有關(guān)。

2)服役70年的甬道混凝土中氯離子百分含量隨取樣深度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，表層混凝土氯離子百分含量較低，隨著取樣深度的加深，氯離子含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且東、西、北三個不同方位上所取混凝土樣品中氯離子含量存在一定差異，可見局部環(huán)境的差異對混凝土中氯離子分布具有一定影響。

3)從裸露在空氣中的鋼筋混凝土樣品測試結(jié)果可得，氯離子分布在鋼筋混凝土界面區(qū)域也呈規(guī)律性變化，氯離子含量從遠(yuǎn)離銹層混凝土、靠近銹層混凝土、鐵銹層到鋼筋表層依次遞減，并且從混凝土到鋼筋表面呈現(xiàn)跳躍式降低。

4)在海洋環(huán)境中，混凝土使用年限越長，其受氯離子侵蝕越嚴(yán)重，且鐵銹中低濃度的氯離子對鋼筋的銹蝕作用不容忽視。針對文中調(diào)研的碼頭混凝土腐蝕破損情況，后期將會對其破損位置進(jìn)行現(xiàn)場維修。

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