海洋环境混凝土结构劣化调研及应用

长期以来，由于钢筋混凝土结构的耐久性不足而带来的危害时有发生，结构耐久性问题逐渐引起了人们高度的重视。其中，氯离子侵蚀而引发的钢筋腐蚀问题，被视为一种典型的耐久性问题。海洋气候环境下的钢筋混凝土结构，由于长期暴露而受到氯盐污染的影响，引发的钢筋锈蚀问题比较普遍和突出。

4.1.1.1　国内外海洋环境混凝土结构劣化资料

1963 年，我国交通部首次组织了大规模的海港码头调查。其中湛江港一区老码头建成于1956年，在 1963 年的调查时，发现起重机梁底部普遍发生了顺筋开裂现象，有些横梁也有这种顺筋开裂的现象。在1964年曾经进行了一次修补，但1979年发现锈蚀情况更严重了，钢筋混凝土底板因锈胀而大面积剥落，露筋面积达到21%。

1981年4月至8月，我国交通部再次组织了大规模的海港码头调查。此次调查，针对我国华南地区包括海南、湛江、北海、汕尾4个地区7个港口的18座码头进行了调查。调查的结果：这18座码头大部分建成于20世纪五六十年代，调查时使用时间多在10～20年，其中的16座有不同程度的锈蚀损坏，占调查总数的88.9%。建成时间最长的是25年，最短的只有7年。

1988年7月至12月，受交通部水利规划设计院规范管理室委托，由交通部三航局科研所、上海交通大学土建系组织了联合调查和分析课题组，对华东地区的连云港、华东某海军驻地、舟山海洋渔业公司所辖码头做了调研。这次调查发现，华东地区的海港码头因氯离子侵蚀而导致保护层混凝土开裂、剥落现象也比较严重。但对于不同码头、不同构件、不同工作部位，锈蚀损坏程度不同。破坏最严重的是位于浪溅区的码头上部结构中的纵梁，尤以外边梁为主。这类纵梁出现破坏的原因属于施工质量差、保护层厚度严重不足或者使用不当。以连云港老煤码头为例，使用10年时就出现了锈迹、纵裂现象；使用10～15年后，多数纵梁会发生较严重的损坏。调查还发现，一般钢筋混凝土面板、横梁的锈蚀损伤程度比华南地区轻，而下部结构包括桩帽、桩身，基本上没发现因锈蚀引起的损伤。

湛江港一区作业码头是新中国成立后首次建成的大型码头，从1963年开始就对其进行了多次调查，为彻底查明其锈蚀破坏原因，交通部水利规划设计院规范管理室委托四航局科研所，于1987年12月至1988年1月对改造过程中剩余的部分上部结构构件进行了调查。调查结果表明，该码头的锈蚀破坏主要发生在浪溅区以上的横梁、起重机梁及面板中；处于潮差区的桩柱、斜撑及斜梁，仅在平均高潮位附近以上的部位受到轻度的腐蚀损坏；斜板及水平梁基本保持完好。

1990年4月，四航局科研所对湛江海军某码头劣化状况进行了调查，该码头建成于1972年7月。调查发现，锈蚀的主要原因是氯离子侵蚀，锈蚀破坏最严重的是码头次梁、引桥Ⅱ形板肋梁、主梁及U形管沟。码头次梁共228片，其中发生底面角部露筋的共141片，占62%，严重锈蚀损坏的83片，占36%，基本完好的仅4片，占2%；而桩及混凝土面板则腐蚀破坏轻微，绝大部分仍保持完好。钢筋横截面平均损失率35%。引桥Π形板肋梁296片，发生剥落露筋的240片，占81%；严重开裂的54片，占18%；仅2片保持完好，占1%。

1997年11月至12月，四航局科研所对赤湾港码头使用5年以上的泊位进行了普查。所调查的泊位，使用期基本在10年上下，其中的油码头浪溅区钢筋锈蚀最为严重，桩帽的腐蚀损伤率为84%，横梁、靠船构件损伤率为64%。

1998年9月，四航局科研所对湛江港一区南一期工程高桩码头进行现场调查发现，处于大气区的Ⅱ形面板、潮差区的桩帽完好无损，腐蚀破坏基本发生在浪溅区，锈迹、锈斑非常多，顺筋胀裂、剥落、露筋比较普遍。

2000年8月至9月，广州四航工程技术研究院（原四航局科研所）对惠州港3万吨级油码头进行了调查，该码头建成于1992年。调查发现，腐蚀损伤破坏主要集中在处于浪溅区的Π形梁板体系底面，约有 86% 以上的梁底出现宽度3 mm以上的顺筋裂缝，部分顺筋裂缝纵贯梁长，且出现了严重的胀裂现象。

1974年建成的天津港三突堤码头，在1994年调查时发现，在26、27段码头的连接段，有70多块面板因钢筋锈蚀而造成保护层混凝土大面积剥落。而且，20 世纪80年代以来所建成的码头都普遍维修过一次，可见在我国北方地区的码头劣化问题也很突出。

通过国内调查主要得出以下结论：

（1）极个别构件劣化呈现出先裂后锈的特点，这些构件的裂缝与钢筋的方向垂直或者成一定的角度。

（2）大部分构件的劣化是先锈后裂，即因锈蚀而引起混凝土开裂。这些海港码头损坏的根本原因是氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀，随着锈蚀产物增多而引起保护层混凝土的开裂，甚至大面积剥落，从而使钢筋完全暴露在环境条件下。

（3）对每个码头不同结构部位的比较分析，发现潮差区（又称水位变动区）和浪溅区的腐蚀锈胀、剥落状况最为严重。原因是这些部位经历着海水的干湿循环作用，有足够数量的氯离子、水分、氧的供给条件，具备腐蚀所必需的条件。

在国外，在纬度比较高的加拿大和美国等国家的北美地区，冬季大量使用除冰盐的公路钢筋混凝土桥面板腐蚀也非常普遍和严重。根据美国国家标准局（NBS）1975年的调查，美国全年因这种腐蚀造成的损失达到700亿美元。在英格兰岛中部环形快车道上的11座混凝土高架桥，1972年建成的费用为2 800万英镑，截止到1989年，为修补而花费了4 500万英镑，相当于建设费用的1.6倍。从这一结论看，因结构劣化而影响到使用功能，为保持结构使用功能所花费的费用大大超出了人们所预计的额度。

国内外大量海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性的调查表明：

（1）氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀，是沿海钢筋混凝土结构劣化的主导因素。

（2）浪溅区的结构部位钢筋锈蚀劣化最为严重，潮差区次之，而大气区和水下区锈蚀程度较低。

（3）绝大部分腐蚀损伤表现为顺筋开裂，甚至保护层剥落，导致钢筋腐蚀加速。(www.xing528.com)

（4）腐蚀劣化现象在梁、板、柱等构件类型里都普遍存在，而且开裂或剥落区域占整个结构表面积的比重也非常大，腐蚀劣化具有严重性和普遍性的特点。

4.1.1.2　海南环岛铁路混凝土结构劣化情况调研

课题组对海南省区域的既有桥梁的桥墩受腐蚀情况进行调查，尤其针对既有海西线跨越近海的既有桥墩进行了现场调查和采样，图4.1-1为2007年建成的既有海西线抱套河桥，图4.1-2为1977年建成的抱套河既有公路桥。从图片中可看到，随着修建年代的增长，处于水位变动区部位的墩身或承台锈蚀劣化现象也越大。对于这些并未做有效防护的承台墩身混凝土结构，长期与腐蚀介质直接接触，其耐久性问题会逐渐凸显。随着服役时间延长，将会严重影响混凝土的结构安全性。

图4.1-1　2007年建成的既有海西线抱套河桥

图4.1-2　1977年建成的抱套河既有公路桥

昌八支线卸矿栈桥位于海南省东方市八所港，系八所港专用铁矿石卸矿栈桥。栈桥包括坑道栈桥和高架引桥两部分，其中坑道栈桥分为东线栈桥和西线栈桥，均为31孔简支梁桥；高架引桥为四孔一联的连续刚构桥，共计7联。栈桥主体结构为1942年日本占领时期建成，1969年西线栈桥由“T构＋挂孔”结构更换为简支梁桥，1985年东线栈桥采用同样方式更换为简支梁桥，90年代对坑道栈桥部分桥墩进行外包钢板或喷锚混凝土、高架引桥梁部外喷混凝土修补。2014年铁科院对昌八支线卸矿栈桥进行调研，调研结果如下：

（1）连续刚构桥墩外侧涂有白色涂料，涂料层有不同程度开裂或剥落，如图4.1-3所示。

图4.1-3　高架引桥涂料层剥落

（2）东线栈桥32#墩：东侧墩墩底外露竖向主筋基本锈断，如图4.1-4所示。

图4.1-4　东线栈桥32# 墩钢筋锈断

（3）东西线栈桥 54# 墩：东侧墩柱局部混凝土破损、钢筋裸露，表层涂有涂料，未见明显锈蚀。现场量测纵、横向钢筋保护层厚度均为8cm，如图4.1-5。

图4.1-5　高架引桥东西线栈桥54# 墩墩身混凝土掉块、钢筋裸露

综上所述，框构桥桥墩的整体使用状况良好，表面涂刷的保护涂层对桥墩起到了一定的防护作用，但由于使用年限已久，涂层已经局部开裂、脱落，逐渐失效；桥墩局部区域混凝土破损，钢筋外露、锈蚀严重。