浙江高桩板梁式码头腐蚀状况调查与分析

浙江高桩板梁式码头腐蚀状况调查与分析

1钢管桩上部腐蚀浙江省成立于1992年。经过10年的运行和维护，管道顶部被腐蚀，混凝土构件发生了不同程度的腐蚀和破坏。对码头的腐蚀状况进行了调查和检测,做出了相应的评价与分析,反映了典型的南方高桩板梁式码头的腐蚀状况和特点。2“t”型布置码头为高桩梁板式结构,桩基分别采用钢管桩、混凝土大管桩和混凝土方桩。主要由卸煤码头、综合码头、引桥、变电所平台组成,呈“T”型布置。码头前沿水深-14m,可同时停靠3.5万t级运煤船和1000t级甲板驳船。码头地处杭州湾,无掩护,水域宽广,风大、浪高、流急、潮差大,腐蚀环境相对恶劣。3混凝土结构试验的结果3.1混凝土破坏评价对混凝土破坏状况进行分级便于对不同构件和不同部位进行相对比较,国内及国际上目前尚无统一的评级标准,参考有关文献、资料的评级方法,将混凝土的破坏状况分为四级。分级标准见表1。(1)钢筋偏位和偏位对双管桩设施基础薄弱引桥共30个墩台,无明显的腐蚀破坏状况,评价结果见表2。墩台及箱形梁总体状况良好,未发现因混凝土中钢筋腐蚀而引起的混凝土层裂、剥落、保护层开裂和锈斑等现象,局部有一些因施工造成的破损,面积不大于总表面积的1～2%。混凝土方桩总体状况尚好,大多数方桩无明显大面积腐蚀破坏现象,只有大约10%的方桩在偏筋、露筋处钢筋保护层剥落、钢筋锈蚀,但面积不大。混凝土大管桩总体状况较好,局部出现因钢筋偏位而产生的钢筋锈蚀,约占引桥大管桩总数的10%。检查时发现在大管桩的上部有数量较多垂直向裂纹,裂纹宽度不大于0.2mm,长度一般大于1m,未见裂纹处有锈迹和锈斑,分析是在管桩施打时受力造成。(2)大管桩、水平剪刀撑腐蚀情况码头分卸煤码头和综合码头。卸煤码头长243m,宽27.6m,共28个排架;综合码头长87m,宽20m。从总体来看码头的混凝土构件的腐蚀程度远远要高于引桥部分,受海浪影响较大的位置及构件腐蚀较为严重。面板处于浪溅区以上,受海浪作用小,钢筋未受腐蚀,基本完好无损。走道板、水平撑等处于潮差区构件,受海水浸泡盐份难于结晶,腐蚀现象不明显。大管桩未发现任何破坏现象,完好无损。桩帽侧面及底面有锈斑,但未见混凝土开裂、剥落,总体来说尚好。横梁偏筋、露筋现象严重,普遍有钢筋锈蚀现象,有的发生保护层空鼓,有的出现顺筋开裂,但比例不是太大。边纵梁是所有构件中腐蚀最为严重的构件,大多出现钢筋腐蚀,保护层开裂、剥落等现象。其余纵梁、轨道梁相对边纵梁要好一些,也不同程度的出现钢筋腐蚀。水平剪刀撑的腐蚀程度仅次于边纵梁,大多数剪刀撑底面锈斑较多。对码头部分混凝土构件的破坏状况进行评级,结果见表3。(3)要构件的混凝土构件变电所平台采用现浇混凝土墩台结构,主要构件有混凝土大管桩、桩帽和现浇面板。由于变电所平台在码头后方,受海浪影响较小,变电所平台相对码头腐蚀较轻。3.2混凝土保护厚度在引桥、综合码头和卸煤码头各选取典型跨,对其各类构件测定混凝土保护层厚度。结果表明各类构件的混凝土保护层厚度明显小于设计值,大多在40mm左右,平均约为设计值的60%。特别是纵梁底面、侧面偏筋尤为明显,测点中最小保护层厚度只有10mm左右。混凝土保护层厚度是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素,当混凝土密实度及所处的外界条件一定时,其氯离子渗透速度基本一定。因此混凝土保护层越薄,氯离子及其它有害物质到达钢筋的时间越短,钢筋开始锈蚀的时间越早,构件的耐久性越差,腐蚀现象越严重。3.3构件与混凝土碳基检测结果表明:(1)处于不同高程构件的碳化深度有显著的差别。高程较低的构件,浸没于水中的时间较长,碳化深度很浅,如走道板桩的水面以上区域等碳化深度接近为零;相同高程的构件不同部位的碳化深度也有较大的差别。通风条件好,混凝土中水分易蒸发,混凝土碳化深度也相对较大,如水平剪刀撑侧面的混凝土碳化深度(3.2～6.9mm)要大于通风条件较差、混凝土湿度较高的顶面的碳化深度(0.2～1.9mm)。(2)纵、横梁和桩帽等构件的相同高层混凝土碳化深度有较大差别,预制构件和现浇构件最大值与最小值之间可达5倍左右,构件密实性影响碳化深度。(3)除局部保护层严重不足部位,一般构件的碳化深度均小于现有保护层厚度,远小于设计保护层厚度,碳化深度尚不足于引起钢筋锈蚀。3.4混凝土有效扩散系数测定在引桥2l号墩台、综合码头第1跨、卸煤码头第30跨的各类构件上,选取不同高程的测点,用电锤钻取0～20mm、20～40mm、40～60mm和60～80mm四个深度层的混凝土粉末样品,按照《水运工程混凝土试验规程》JTJ270-98标准测定混凝土不同深度游离氯离子含量,了解氯离子在混凝土中的渗透深度及含量,计算氯离子混凝土中有效扩散系数。(1)混凝土内的渗透能力从混凝土游离氯离子含量检测结果表4看出。①所有测点的混凝土中氯离子含量都随深度的增加而下降,说明氯离子主要是由外部渗入;②混凝土中氯离子含量与测点位置有显著关系,特别是与高程的关系尤为明显。混凝土中氯离子含量与高程的总体关系是:随着测点高程的增加,混凝土中氯离子含量增加,到高程增加到一定程度后,混凝土中氯离子含量又随着高程的增加而降低。这是因为氯离子向混凝土内的渗透能力取决于混凝土的密实度和混凝土孔隙中游离水的含量。在高程较低的部位,被海水浸没时间较长,风干时间较短,混凝土内含水率较高,氯离子不易向内部渗透,所以在此部位,浅层混凝土中氯离子含量虽略高,但内部较低。在混凝土润湿风干时间适中的某一高程区域(4.52～4.81m),氯离子含量就较高;高于该区域,混凝土构件被海水润湿机会很少或不能直接接触到海水,氯离子只能靠海风刮起的盐尘、溶盐沉积到混凝土表面后再侵入,因此该部位混凝土内氯离子含量较低。③混凝土中氯离子含量还与构件所处在码头的位置及周围条件有关。如同处于5.91m高程的第30跨的纵横梁上5个测点,氯离子含量不同。靠海的南侧面被海浪飞溅机会较大,氯离子含量较高;码头内部风浪较小,位于码头内部横梁上的测点氯离子含量较低。④混凝土中氯离子含量还与构件的强度、制作方式有一定的关系,混凝土强度大、密实度高,氯离子含量小,反之则大,如混凝土大管桩、方桩中的含盐量远远小于现浇构件的桩帽和部分横梁等。国内外研究和港口钢筋混凝土建筑物腐蚀调查资料表明,钢筋锈蚀的氯离子临界含量约为0.07～0.18%,结合各类构件所处的高程范围和实测混凝土保护层厚度可能发生锈蚀为纵梁、横梁、水平剪刀撑和桩帽4类构件。(2)混凝土试件中氯离子扩散方程的确定和确定氯离子在混凝土中的有效扩散系数是依赖于混凝土品质的材料“常数”,其大小决定氯离子向混凝土内部扩散快慢程度,求得各构件氯离子有效扩散系数,比较各构件抗氯离子渗透性能的情况,并预测若干年后混凝土中氯离子的分布状况,推断钢筋开始活化腐蚀的年限,为确定修复范围提供指导。一般认为混凝土试件中氯离子浓度随时间的变化,符合Fick第二扩散定律,解得氯离子扩散方程有下列形式:C=CO[1−erf(x2Defft√)(1)C=CΟ[1-erf(x2Defft)(1)式中:C为暴露时间t时距取样面x深度处氯离子的含量;CO为混凝土表面的氯离子含量;Deff为氯离子在混凝土中的有效扩散系数;erf(x)为误差函数。按公式(1)算出Deff,但实际上暴露试件表面氯离子含量是未知的,所以对表4所示的各测点氯离子含量随深度分布按公式(1)进行计算机拟合,以得到最适合的CO和Deff,计算结果列于表5。由表5可见,构件的氯离子有效扩散系数Deff与其强度和制作方式有明显关系,强度愈大,氯离子有效扩散系数愈小;预应力构件及预制构件的氯离子有效扩散系数较小。3.5钢筋腐蚀损失率从混凝土外观调查来看,纵梁底面的破坏最为严重和普遍,重点对纵梁底面检查测量钢筋腐蚀损失率。结果表明,纵梁底层主、箍筋已出现不同程度的锈蚀,主筋截面损失率为0%～15.4%;箍筋锈蚀相对严重,严重部位处箍筋截面最高损失率最高达74.8%。4mn钢制作码头钢管桩直径为1200mm,壁厚为上端18mm,下端14mm,采用16Mn钢制作,共78根,其中卸煤码头76根,综合码头2根。钢管桩全部实施外加电流阴极保护。4.1钢桩腐蚀情况卸煤码头的76根钢管桩的表面全部包覆玻璃钢,综合码头2根钢管桩采用涂料防腐蚀。钢管桩玻璃钢包覆层施工后已近10年时间,不同程度的出现老化和破损,主要表现在以下几方面:(1)部分玻璃钢已出现与钢管桩的脱壳现象。在检查中局部敲开玻璃钢,发现敲开处有水冒出,说明玻璃钢与钢桩的粘接强度已为零。在抽样检查中大约有30%的钢桩出现上述情况;(2)玻璃钢表面退色,有的己接近无色,但未见玻璃钢表面有开裂现象;(3)几乎所有钢桩在桩帽下都有不同程度的锈蚀;(4)有15根钢桩表面的玻璃钢有不同程度的破损,占钢桩总数的20%,破损处钢桩锈蚀严重,在玻璃钢完好区域未见钢桩腐蚀。(5)从10年的保护效果看,在钢管桩的潮差浪溅区包覆玻璃钢是1种不错的保护方法。4.2钢桩保护电位测量钢桩水面、水中、泥面3个不同高程的阴极保护电位,以检查钢桩的阴极保护状况。测量结果表明钢桩最负保护电位为-1142mV(相对于银/氯化银/海水参比电极,以下同),最正为-863mV,最大电位相差279mV,平均保护电位为-996mV。所有钢桩的电位均在规范所要求的范围内,而且电位分布均匀,钢管桩的水下部分得到充分有效地阴极保护。4.3钢桩初始蚀深度及最大腐蚀深度在玻璃钢破损处,钢管桩已发生明显腐蚀。在抽查的7根钢桩中,最大腐蚀深度达1.6mm,为钢管桩原始厚度的8.89%,7根钢桩平均最大腐蚀深度为1.07mm,为钢管桩原始厚度的5.92%;所有70个测点平均蚀余厚度为17.45mm,为钢管桩原始厚度的96.90%。5氯离子的侵入(1)码头地处杭州湾,港区无掩护,水域宽广。风大、浪高、流急,潮差大,腐蚀环境相对恶劣;(2)从调查检测结果看,混凝土碳化深度较浅,尚未达到钢筋表面,海港码头的钢筋锈蚀不是由碳化引起;(3)混凝土中氯离子含量较高,有些部位己超过了氯离子临界浓度,引起钢筋腐蚀,因此氯离子的侵入是导致钢筋锈蚀混凝土破坏的原因;(4)混凝土保护层偏薄的位置腐蚀较重,保护层厚的地方钢筋锈蚀较轻,锈蚀严重的纵梁底等均为严重偏筋的部位。如果混凝土保护层厚度能保证达到设计厚度70mm,根据实测氯离子渗透深度和含量,构件腐蚀就不会如此严重;(5)处于浪溅区的混凝土构件,如纵梁、边梁、轨道梁、横梁、水平剪刀撑等腐蚀比较严重;处于浪溅区以上部位的各类面板以及引桥箱梁等构件因海浪飞溅不到腐蚀较轻,或几乎未发现明显的腐蚀现象,处于潮差区的构件走道板等盐份难于聚集腐蚀较轻;靠海侧的构件受海浪影响比较大,腐蚀比码头后侧构件的腐蚀严重。综上所述环境条件恶劣,保护层不足,氯离子渗透是混凝土结构腐蚀的主要原因。6保证氯离子渗透途径的长度和厚度自然环境因素是影响码头腐蚀的最重要因素,如何降低海浪对构件的影响程度对码头使用寿命及维修周期起到至关重要的作用,这牵涉到码头选址和是否需要建设防波堤的大问题,在对以上问题进行可行性论证时应充分考虑海浪对结构腐蚀的影响,考虑到对码头寿命的影响。在码头设计时,尽量使码头重要构件的板、梁避开浪溅区,可采取优化结构形式,如降低胸墙高程,在码头前沿有意识的采取一些遮挡措施增加走道板宽度等。保护层的厚薄直接影响氯离子渗入途径的长度。保护层厚,渗透途径长,钢筋腐蚀开始发生的时间就迟;反之就会较早出现腐蚀,混凝土破坏严重。在港口码头设计时应严格按现有标准执行,在施工过程中应有确实有效措施防止钢筋跑位、偏筋,在对预制件进行安装前进行保护层厚度测量,确保保护层厚度达到设计值。对现采取的垫块控制保护层厚度的方法应加以改进,否则确保保护层厚度可能流于形式。混凝土强度和密实性是直接影响氯离子有效扩散系数Deff,大管桩、方桩强度高,密实度好,几乎没发现明显的腐蚀现象,一些现浇件腐蚀相对较重,尽量多采用预应力构件和预制件。采用高性能混凝土及高效减水剂、粉煤灰、矿渣等提高混凝土密实度,延长氯离子渗透到钢筋附近的时间。对腐蚀环境相对恶劣区域的构建同时采用缓蚀剂、混凝土表面封闭等措施,才有可能保证码头在30年内不大修。对钢管桩的防腐蚀,阴极保护可有效防止水下钢桩的腐蚀,具有保护效果好、投资低、经济技术优势明显等优势,应积极采用。在潮差浪溅区包覆玻璃钢,从保护效果看应该说基本达到了防腐蚀的目的,应及时对已破损的玻璃钢进行修补。桩帽下50cm左右范围内钢管桩腐蚀严重,是因为海水易于从玻璃钢端头处渗入,建议玻璃钢包覆到桩帽中5～10cm,有望保护效果得到改善。