基于全局觀的鋼筋混凝土高樁碼頭耐久性修復(fù)研究

龐崇安，李 俊，謝有福

（1.浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海201315）

引 言

結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)系統(tǒng)的剩余使用年限是修復(fù)工程考慮的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)站在全局觀的高度進行耐久性修復(fù)方案的設(shè)計與施工[1]。基于全局觀的高樁碼頭耐久性修復(fù)方案涉及技術(shù)層面和管理層面兩個層面。技術(shù)層面涵蓋結(jié)構(gòu)本體子系統(tǒng)、粘結(jié)子系統(tǒng)和修復(fù)材料子系統(tǒng)等三部分；管理層面涉及檢測評估、修復(fù)設(shè)計、工程施工、工程監(jiān)理和碼頭使用方等五方單位。

有別于新建結(jié)構(gòu)，修復(fù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性影響因素較為復(fù)雜[2]。修復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性不僅受到外部物理化學(xué)條件的侵蝕，而且還受修復(fù)造成的內(nèi)部環(huán)境改變的影響。修復(fù)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，相互影響。而目前碼頭的耐久性修復(fù)側(cè)重于修復(fù)材料的耐久性，忽視了各子系統(tǒng)之間的相互作用[3-4]。結(jié)構(gòu)修復(fù)的目的是為了獲得良好的完整結(jié)構(gòu)修復(fù)系統(tǒng)。因此，修復(fù)系統(tǒng)中三個子系統(tǒng)均應(yīng)滿足耐久性要求，達到目標(biāo)使用年限；修復(fù)材料子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)本體子系統(tǒng)具有良好相容性；修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有整體性和耐久性，能防止結(jié)構(gòu)外觀劣化和鋼筋的再銹蝕。

在碼頭耐久性修復(fù)項目中，碼頭使用方是核心。實際工程處于腐蝕環(huán)境下，修復(fù)構(gòu)件往往在3～5年后會再次發(fā)生腐蝕損壞。建議采用基于全局觀的修復(fù)方案，以達到良好的修復(fù)效果。修復(fù)方案和修復(fù)流程分別見圖1和圖2。在這個過程中，檢測評估方是結(jié)構(gòu)修復(fù)的主體，負(fù)責(zé)全過程耐久性修復(fù)工程。

圖1 全局觀的修復(fù)方案

圖2 修復(fù)流程

1 高樁碼頭檢測結(jié)果

1.1 碼頭工程概況

碼頭建于 1997年，地處舟山市本島。碼頭包括一座碼頭平臺和一座引橋，平面呈反“L”型布置，長208.2 m，寬18.0 m。碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為敞開式平臺，由縱橫梁和預(yù)制疊合面板組成，下部為預(yù)制混凝土高樁結(jié)構(gòu)，縱橫梁下設(shè)二層撐桿系統(tǒng)。基礎(chǔ)為600 mm×600 mm預(yù)制鋼筋混凝土方樁，樁長為55.5～57.5 m，總樁數(shù)171根。

碼頭自建成15年先后進行了三次結(jié)構(gòu)耐久性檢測和兩次修復(fù)，具體內(nèi)容見表1。

三次對結(jié)構(gòu)本體和工作環(huán)境進行檢測，結(jié)構(gòu)本體檢測內(nèi)容包括：構(gòu)件外觀質(zhì)量、混凝土強度、混凝土保護層厚度、混凝土碳化深度、混凝土中氯離子滲透擴散情況、鋼筋腐蝕電位、銹蝕鋼筋斷面損失、基樁完整性等；環(huán)境檢測內(nèi)容包括海水氯離子含量和pH值。第二次檢測是針對第一次修復(fù)工程的質(zhì)量，檢測內(nèi)容包括修復(fù)工程整體外觀和混凝土防腐涂層質(zhì)量。第三次檢測針對的是第二次修復(fù)工程的質(zhì)量，檢測內(nèi)容包括修復(fù)工程整體外觀、混凝土防腐涂層質(zhì)量、碳纖維修復(fù)、丙乳砂漿及環(huán)氧樹脂質(zhì)量、質(zhì)量鋼板加固質(zhì)量等。

表1 碼頭檢測評估及修復(fù)情況

三次檢測評估的側(cè)重點各有不同。第一次檢測和第二次檢測屬于“事后控制”，反映碼頭耐久性客觀情況；第三次檢測屬于“事中控制”，主要是為了把控工程質(zhì)量。

1.2 檢測結(jié)果

第一次檢測結(jié)果顯示，碼頭縱向梁系和二層撐桿普遍存在腐蝕損壞現(xiàn)象，混凝土保護層開裂，局部混凝土脫落，鋼筋嚴(yán)重銹蝕甚至銹斷；橫梁也有一定程度的腐蝕損壞。碼頭的腐蝕損壞現(xiàn)象經(jīng)過第一次修復(fù)后有所改觀。然而，三年后第二次檢測時碼頭縱向梁系和二層撐桿的腐蝕損壞現(xiàn)象依然普遍存在，且碼頭橫梁同樣存在一定程度的腐蝕損壞。

鋼筋腐蝕與構(gòu)件外觀質(zhì)量有很大關(guān)系，因此又對腐蝕損壞嚴(yán)重的軌道梁、縱梁和二層撐桿檢測鋼筋截面損失這一指標(biāo)。檢測結(jié)果表明，鋼筋截面損失普遍存在于這三類構(gòu)件中。只有軌道梁和縱梁的鋼筋截面損失較小，二層撐桿因保護層開裂，其截面損失嚴(yán)重。支撐和斜撐的鋼筋截面損失分別在6 %和20 %左右，部分撐桿鋼筋銹斷。

評估結(jié)論表明，腐蝕損壞嚴(yán)重的二層撐桿的剩余使用年限最短，其次為橫梁、縱梁、軌道梁，只有碼頭面板和基樁能達到50年的設(shè)計使用年限。

2 基于全局觀的高樁碼頭修復(fù)工程

2.1 修復(fù)方案

兩次修復(fù)工程在管理層面和技術(shù)層面的區(qū)別如表2所示。

表2 兩次修復(fù)工程比較

2.2 修復(fù)效果分析

1）構(gòu)件外觀質(zhì)量

兩次修復(fù)效果比較，二層撐桿、橫梁、縱梁等構(gòu)件修復(fù)效果差別明顯，如表3所示。第一次修復(fù)后的幾年內(nèi)，很多修復(fù)構(gòu)件依然出現(xiàn)腐蝕損壞現(xiàn)象；相比之下，第二次修復(fù)的構(gòu)件外觀質(zhì)量完好。

表3 完好構(gòu)件統(tǒng)計結(jié)果

2）鋼筋腐蝕電位

四類構(gòu)件修復(fù)前后的鋼筋腐蝕電位數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3 鋼筋銹蝕曲線

第一次檢測時，二層撐桿和縱梁的腐蝕電位負(fù)向大于-350 mV，鋼筋銹蝕概率大于90 %；軌道梁和橫梁的腐蝕電位在-200～-350 mV之間，鋼筋腐蝕性狀不確定。

第一次修復(fù)后，只有軌道梁的腐蝕電位正向大于-200 mV，鋼筋腐蝕概率小于10 %，修復(fù)效果不理想。第二次修復(fù)效果明顯，四類構(gòu)件腐蝕電位均達到正向大于-200 mV，鋼筋腐蝕概率小于10 %，鋼筋電化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定。

3）鋼筋截面損失

修復(fù)前后軌道梁、縱梁和二層撐桿這三類構(gòu)件的鋼筋截面損失對比見圖4。第一次檢測時發(fā)現(xiàn)軌道梁和縱梁的鋼筋截面損失在規(guī)范[5]規(guī)定的5 %之內(nèi)，而二層撐桿的鋼筋截面損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個范圍，因此沒有對軌道梁和縱梁進行補筋或換筋，僅對二層撐桿進行補筋或換筋。4年后第二次的檢測數(shù)據(jù)表明，二層撐桿鋼筋截面損失重新達到2.36 %，鋼筋再次被腐蝕，說明第一次修復(fù)后構(gòu)件內(nèi)殘留了大量的氯離子。另外，軌道梁和縱梁經(jīng)第一次修復(fù)后，鋼筋截面損失略有增加，分別為0.03 %和0.07 %。第二次修復(fù)后，第二年再次檢測時，各桿件均不再發(fā)生腐蝕損壞。

圖4 鋼筋截面損失

4）混凝土中氯離子含量

修復(fù)后再次檢測發(fā)現(xiàn)軌道梁、縱梁和二層撐桿這三類構(gòu)件中的氯離子含量仍然高于引起鋼筋銹蝕的臨界含量。盡管構(gòu)件表面的修復(fù)措施對阻止氯離子進一步滲透有一定的作用，但因為環(huán)境中的氯離子增加，未進行氯離子脫鹽處理的構(gòu)件，其內(nèi)部仍然有較高含量的氯離子殘留。

為有效減少混凝土中的氯離子含量，第二次修復(fù)時采取了有針對性的修復(fù)措施。由圖5可見，重新澆筑混凝土或聚合物材料的方法是最有效的，此類構(gòu)件的氯離子含量顯著低于引起銹蝕的臨界值；同時電化學(xué)脫鹽法的平均脫鹽率達40 %以上，可以有效降低氯離子含量。

圖5 縱梁氯離子含量曲線

3 結(jié) 語

在分析鋼筋混凝土碼頭結(jié)構(gòu)腐蝕損壞影響因素的基礎(chǔ)上，采用全局觀思路設(shè)計結(jié)構(gòu)并使之貫穿整個過程的修復(fù)方案是行之有效的。全局觀的結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)理念包括管理層面和技術(shù)層面。在碼頭結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)過程中，使用方、設(shè)計方、檢測評估方、施工方和監(jiān)理方共同參與，檢測評估方全程貫穿始終。修復(fù)技術(shù)方案不只局限于損壞部位本身，而是充分考慮修復(fù)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的有機相容，根據(jù)構(gòu)件的重要性、損壞原因和類型，有針對性地采取修復(fù)方法。以全局觀的理念來指導(dǎo)碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性修復(fù)，可以獲得良好的修復(fù)效果、經(jīng)濟效益和社會效益。