淺談水運(yùn)工程建筑物混凝土耐久性檢測(cè)與評(píng)估

楊蘇楠 掌東升 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

我國(guó)現(xiàn)今仍在服役的很多老碼頭等水工建筑物，始建于八、九十年代甚至更早，已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限，建筑物材料出現(xiàn)劣化、功能降低等現(xiàn)象，其耐久性和剩余使用年限逐漸成為業(yè)主或使用部門(mén)關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)今，混凝土耐久性檢測(cè)的方法主要有：結(jié)構(gòu)的外觀劣化度探摸、混凝土中氯離子含量和滲透擴(kuò)散、碳化的深度、抗壓強(qiáng)度、保護(hù)層的厚度、鋼筋腐蝕電位等。通過(guò)以上多種檢測(cè)手段進(jìn)而對(duì)碼頭進(jìn)行耐久性評(píng)估推算其剩余使用年限，并為碼頭的安全運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、加固改造提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

1.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的一般要求

水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)不同于陸域房屋建筑類(lèi)結(jié)構(gòu)，往往是臨水建筑，其自然環(huán)境具有特殊性，具有更強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)構(gòu)筑物的耐腐蝕性也提出了更高的要求。根據(jù)所處水環(huán)境的不同對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)又進(jìn)一步的進(jìn)行了劃分，對(duì)于海水環(huán)境，按設(shè)計(jì)水位或天文潮位劃分，可分為：浪濺、水位變動(dòng)、水下和大氣區(qū)；對(duì)于淡水環(huán)境，按設(shè)計(jì)水位劃分，可分為：水上、水位變動(dòng)和水下區(qū)。不同的區(qū)域其腐蝕條件也明顯不同，在對(duì)混凝土耐久性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意區(qū)別。

2.工程環(huán)境信息的調(diào)查與收集

（1）潮汐、水溫、濕度和其他侵蝕介質(zhì)等，海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕介質(zhì)調(diào)查內(nèi)容還應(yīng)包括海水中氯離子含量。

（2）工程情況的調(diào)查內(nèi)容還應(yīng)包括原勘察設(shè)計(jì)文件和竣工資料、構(gòu)筑物檢查和維護(hù)資料以及耐久性檢查檢測(cè)記錄等，對(duì)于碼頭在使用過(guò)程中是否存在升級(jí)改造及海損事故等情況也應(yīng)做到充分的了解。

3.混凝土鋼筋銹蝕劣化耐久性檢測(cè)

（1）水工建筑物外觀檢測(cè)應(yīng)包括：混凝土破損、露筋、露石、剝落、蜂窩麻面等。

外觀檢測(cè)人員一般通過(guò)船只到達(dá)被測(cè)結(jié)構(gòu)附近，采用目測(cè)、記錄、拍照、測(cè)量等手段進(jìn)行檢測(cè)，其中測(cè)量?jī)x器主要有鋼卷尺、裂縫觀測(cè)儀、塞尺、卡尺等。在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)觀察結(jié)構(gòu)受力較為集中的部位，如縱梁跨中、基樁與橫梁的節(jié)點(diǎn)等，在構(gòu)筑物服役期間，隨年限的增加或外力作用，受力集中的部分往往首先產(chǎn)生損傷。

在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)觀察混凝土的表面是否有裂縫、剝落、露筋、銹脹等情況，其中，裂縫是最為常見(jiàn)的損傷形式，應(yīng)記錄裂縫的寬度、長(zhǎng)度、深度、位置、走向、表面狀態(tài)等信息，裂縫寬度一般采用裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，選取目測(cè)裂縫最寬的三個(gè)位置分別進(jìn)行測(cè)量，取最大值作為裂縫的寬度代表值，裂縫深度一般取一類(lèi)構(gòu)件的典型裂縫進(jìn)行抽檢，采用超聲波或取芯等方法。留意觀察裂縫的走向是否為順筋裂縫，裂縫部位是否屬于高應(yīng)力部位，初步判斷裂縫的產(chǎn)生原因是結(jié)構(gòu)受力還是鋼筋銹脹或其他原因并予以記錄。對(duì)于剝落、破損、露筋等損傷應(yīng)記錄其位置、外觀尺寸、表面狀態(tài)等信息。對(duì)于所有損傷建議進(jìn)行筆錄和拍照，以備后期追述。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的信息，對(duì)各類(lèi)構(gòu)件分別按受損程度進(jìn)行外觀劣化度分級(jí)，分為A、B、C、D四級(jí)。一般A、B級(jí)為完好或基本完好，C級(jí)需要立即進(jìn)行修復(fù)加固，而D級(jí)為嚴(yán)重?fù)p傷必須修復(fù)加固或報(bào)廢。

（2）水工建筑物耐久性專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)除上述的檢測(cè)方法外，尚應(yīng)考慮以下內(nèi)容：

各檢測(cè)方法均為抽樣檢測(cè)，應(yīng)選取具有代表性的典型構(gòu)件并符合隨機(jī)、均勻的原則進(jìn)行抽樣，對(duì)于氯離子和腐蝕電位還應(yīng)該考慮水環(huán)境對(duì)大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)分別進(jìn)行取樣。取樣數(shù)量按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行。

通過(guò)以上各參數(shù)的檢測(cè)，可以了解混凝土腐蝕條件下的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求，碳化深度在鋼筋保護(hù)層中的腐蝕深度，不同區(qū)域鋼筋腐蝕的概率，表層氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù)等，進(jìn)而綜合評(píng)估耐久性等級(jí)和剩余使用年限。

4.混凝土剩余使用年限的預(yù)測(cè)與計(jì)算

4.1 海水環(huán)境下氯鹽引起鋼筋銹蝕劣化的使用年限預(yù)測(cè)

一般來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)使用年限是指從始建之日起到混凝土出現(xiàn)0.3mm順筋裂縫的時(shí)間。

（1）常見(jiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)按式（4.1-1）計(jì)算

（2）對(duì)于常見(jiàn)的非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水工結(jié)構(gòu)，其氯鹽引起鋼筋銹蝕劣化的結(jié)構(gòu)剩余使用年限是指從澆筑至鋼筋截面損失至原截面0.9倍所經(jīng)歷的計(jì)算使用年限，減去建成至檢測(cè)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，即可大致估算其剩余時(shí)間。

上式中“CS混凝土表面氯離子含量”和“D氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)”兩個(gè)關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)計(jì)算取得。其中：混凝土表面氯離子含量是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆取具有代表性的混凝土粉末，并于試驗(yàn)室中采用硝酸銀、鉻酸鉀、氯化鈉等溶液進(jìn)行一系列化學(xué)試驗(yàn)計(jì)算得出；氯離子實(shí)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)需現(xiàn)場(chǎng)鉆取混凝土芯樣制作成直徑100mm厚度100mm的試件，然后在實(shí)驗(yàn)室中采用電遷移法用氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀和測(cè)量計(jì)算得出。

需注意的是，除抽樣數(shù)量滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求外，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)記錄取樣的結(jié)構(gòu)位置、結(jié)構(gòu)名稱(chēng)、所處水環(huán)境情況、混凝土種類(lèi)、配合比、項(xiàng)目所在地理位置等信息。因?yàn)樵诤罄m(xù)的計(jì)算中諸多參數(shù)需要考慮各種環(huán)境條件來(lái)進(jìn)行選取。

混凝土的結(jié)構(gòu)使用年限受自身設(shè)計(jì)參數(shù)、自然環(huán)境、防腐措施、維護(hù)保養(yǎng)等很多因素的影響。氯離子滲入混凝土導(dǎo)致鋼筋銹蝕是海水環(huán)境的主要腐蝕破壞形式，而處于水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)部位由于干濕交替加劇了腐蝕的速度，是結(jié)構(gòu)最嚴(yán)重的的腐蝕部位，因此也就成為耐久性檢測(cè)時(shí)應(yīng)予重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

4.2 碳化引起鋼筋銹蝕劣化的鋼筋混凝土使用年限預(yù)測(cè)

淡水環(huán)境混凝土耐久性主要受到水流沖刷、大氣中腐蝕氣體等的影響?；炷撂蓟g主要取決于CO2、H2O、O2的供給程度。當(dāng)相對(duì)濕度小于60%的水上區(qū)，由于缺少水的參與，鋼筋的銹蝕較難發(fā)生；當(dāng)結(jié)構(gòu)處于水下區(qū)，由于缺少與CO2的接觸，碳化速度也會(huì)很緩慢；只有相對(duì)濕度較大的水位變動(dòng)區(qū)，碳化銹蝕最容易發(fā)生。

混凝土碳化引起鋼筋銹蝕劣化的結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測(cè)應(yīng)為自檢測(cè)時(shí)刻起至鋼筋開(kāi)始銹蝕的剩余年限。一般可采用已有的碳化模型、校準(zhǔn)碳化模型或?qū)崪y(cè)碳化模型的方法進(jìn)行推定。其步驟如下：

首先，將實(shí)測(cè)的鋼筋保護(hù)層厚度代入選定的碳化模型計(jì)算碳化達(dá)到鋼筋表面所需要的的時(shí)間。

其次，由計(jì)算得出的碳化到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間減去自建成至檢測(cè)時(shí)已使用的時(shí)間即為預(yù)測(cè)的剩余使用年限。

關(guān)于碳化模型國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出了多種碳化深度預(yù)測(cè)模型。例如：Nishi模型、朱安民模型、牛荻濤模型、張海燕模型等等。目前認(rèn)可度較高的實(shí)測(cè)碳化模型公式為（4.2-1）

式中D——實(shí)測(cè)碳化深度（mm）；

kc——碳化系數(shù)（mm2/a）;

t——時(shí)間（a）。

在實(shí)測(cè)的檢驗(yàn)中，各碳化模型均有不同程度的偏差，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)實(shí)測(cè)比對(duì)后選擇使用。

5.結(jié)束語(yǔ)

水運(yùn)工程建筑物耐久性檢測(cè)與評(píng)估已經(jīng)是一項(xiàng)重要的全壽命技術(shù)指標(biāo)，其可以指導(dǎo)日常生產(chǎn)、維護(hù)與保養(yǎng)，也是改造加固的重要技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。水工建筑物結(jié)構(gòu)形式多樣，受環(huán)境影響復(fù)雜，檢測(cè)與評(píng)估工作專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)要求高，需要從業(yè)人員具有大量專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)積累，才能在檢測(cè)過(guò)程中根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇相適應(yīng)的檢測(cè)方法，在評(píng)估計(jì)算時(shí)能夠選擇正確的計(jì)算參數(shù)和模型，綜合全面的進(jìn)行評(píng)估。