沿海服役混凝土結(jié)構(gòu)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測和分析

延永東，劉榮桂，陸春華，陳 妤

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

對海洋環(huán)境中服役的鋼筋混凝土構(gòu)件來說，海水中所含的氯離子侵入混凝土造成鋼筋銹蝕是其耐久性失效的主要原因[1]。已有研究表明，一般沿海碼頭在服役20～30年即出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土脹裂等現(xiàn)象[2-4]，使用壽命無法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計壽命。了解氯離子在沿?；炷链a頭內(nèi)的侵蝕及分布規(guī)律，可預(yù)測混凝土內(nèi)鋼筋開始銹蝕及混凝土脹裂的時間，從而為沿海碼頭的設(shè)計、維護(hù)提供重要理論依據(jù)。

目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面已進(jìn)行了一些研究。姬永生等[5]檢測發(fā)現(xiàn)水位變動區(qū)(包括潮差區(qū)、浪濺區(qū))混凝土的耐久性劣化最為嚴(yán)重。金偉良等[6]檢測分析了杭州灣區(qū)域水位變動區(qū)混凝土碼頭內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)海水年浸潤時間比例為0.3～0.5區(qū)域的平均表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均較大。董建鋒等[7]通過試驗指出，迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所不同。Da Costa等[8]對一服役25年的近海鉆井平臺取樣，分析了非飽和狀態(tài)下混凝土中氯離子的分布情況，指出進(jìn)行海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)壽命分析時必須考慮水分對氯離子傳輸?shù)淖饔谩won等[9]現(xiàn)場觀測了服役7年和11年后碼頭混凝土中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到了不同服役時間段內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)取值，在此基礎(chǔ)上采用Monte Carlo方法預(yù)測了開裂混凝土的壽命。

上述文獻(xiàn)各從某一方面指出實際環(huán)境中影響氯離子在混凝土內(nèi)侵蝕的因素。實際上影響氯離子在混凝土構(gòu)件內(nèi)侵蝕的因素眾多，且部分因素之間存在耦合作用。為此，有必要對沿?；炷两Y(jié)構(gòu)不同暴露區(qū)域的氯離子積累規(guī)律進(jìn)行研究，分析實際環(huán)境中的各種因素對氯離子傳輸?shù)挠绊懀瑥亩鵀榇ńY(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工提供指導(dǎo)。本文以江蘇沿海的連云港碼頭為例，通過現(xiàn)場取樣檢測來探究服役年限、海水接觸頻率、混凝土開裂、維修等因素對氯離子在混凝土內(nèi)分布規(guī)律的影響，以期為沿海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、評估提供參考。

1 工程資料

表1 連云港港區(qū)海水及潮位相關(guān)數(shù)據(jù)

連云港港位于江蘇省東北部，處于季風(fēng)海洋性氣候地帶，四季分明，光照充足，雨量適中。常風(fēng)向偏東，強(qiáng)風(fēng)向偏北。年最大風(fēng)速為28m/s；年平均降水量852.8mm，每年6—9月為雨季，占全年降水量60%以上，年均降雨天數(shù)近百日；年平均氣溫14 ℃[10]。海域海水的化學(xué)組成見表1[11]。

連云港港主港區(qū)和灌河口港區(qū)均為不凍港區(qū)，為不規(guī)則淺海半日潮港。平均漲潮歷時5.62 h，落潮歷時6.8 h。潮位相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示(采用1985國家高程基準(zhǔn))。

2 檢測方案

針對連云港港區(qū)碼頭眾多，建成時間不一致的特點，根據(jù)實際可操作性選擇了部分代表性的泊位進(jìn)行檢測。并對同一泊位盡可能考慮區(qū)域、構(gòu)件、高程、方位的差異進(jìn)行取樣。具體方案如下：

(1)4號泊位：位于港區(qū)的海峽南岸中部，建成于1974年[12]，取樣時已服役39年，采用的混凝土強(qiáng)度等級為C40，水灰比為0.4。2003年曾對表面保護(hù)層40mm厚的混凝土進(jìn)行過替換處理。該泊位主要用于裝卸通用件雜貨和一些小袋裝的散雜貨。設(shè)計吞吐能力為30萬t。其結(jié)構(gòu)形式及取樣區(qū)域、編號如圖1所示。

根據(jù)4號泊位的實際布置及可操作性制定了取樣方案，詳情見表2，示意見圖1。其中編號4-9的位置存在1條最大寬度0.15mm，長度1.2m的裂縫，如圖1所示。

表2 4號泊位取樣詳情Tab.2 Sampling from 4th berth

圖1 4號泊位結(jié)構(gòu)分布、取樣區(qū)域及取樣編號Fig.1 Structure distribution, sampling area and sampling ID of 4th berth

(2)60號泊位：60號泊位建成于1995年，取樣時已服役20年，采用C40混凝土。取樣位置分別為：浪濺區(qū)的蓋梁(區(qū)域1，逆時針方向四邊分別記為A1，B1，C1，D1)，潮差區(qū)的橋墩(區(qū)域2，從上到下分別為1,2,3)，潮差區(qū)的橋臺(區(qū)域3，從上到下分別為4,5,6,7)。取樣位置如圖2所示，取樣詳情見表3。

表3 60號泊位取樣詳情Tab.3 Sampling from 60th berth

圖2 60號泊位結(jié)構(gòu)布置及取樣區(qū)域、編號 Fig.2 Structure distribution, sampling area and sampling ID of 60th berth

圖3 69號泊位取樣編號Fig.3 Sampling ID of areas 1, 2 and 3 of 69th berth

(3)69號泊位：建成于2008年，取樣時已服役5年，采用C40混凝土。主要用于裝卸通用件雜貨和小袋裝的散雜貨。設(shè)計吞吐能力30萬t。

69號泊位的取樣位置分別為：大氣區(qū)的橋臺(區(qū)域1，從上到下為1，2)，潮差區(qū)的橋墩(區(qū)域2，從上到下為3,4)，潮差區(qū)的橋臺(區(qū)域3，從上到下為5,6,7,見圖3)。

對每一區(qū)域用直徑12mm的鉆頭取3個位置，同一位置沿深度每5mm取1個粉樣，取至50mm深。將取得的粉樣密封裝入自封袋，帶回實驗室后將同一深度的試樣混合均勻，放入烘箱內(nèi)烘干，然后用孔徑為0.63mm的方孔篩篩除較大顆粒，取出1.5 g進(jìn)行水溶性RCT測試。此方法檢測準(zhǔn)確性高、速度快。

3 結(jié)果分析

3.1 4號泊位的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4號泊位不同區(qū)域的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，大氣區(qū)(區(qū)域1)的混凝土橫梁由于進(jìn)行過維修，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)降低-增加-降低的趨勢。與采用常規(guī)擴(kuò)散定律計算出的曲線走向(沿深度增加逐漸降低)有所不同。這是因為在維修過程中曾對表層(0～40mm)的混凝土進(jìn)行過替換處理。由此導(dǎo)致表層混凝土(0～40mm)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降，不同標(biāo)高處混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別不大。另外，比較圖4(a)與圖4(b)的數(shù)據(jù)可知，相同深度處開裂位置的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于非開裂位置，且開裂位置混凝土表層20mm內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到峰值。

圖4 4號泊位各區(qū)域取樣點氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Chloride ion concentration distribution at sampling points of 4th berth

蓋梁位于浪濺區(qū)，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在表層一定深度內(nèi)(0～25mm)基本恒定，之后隨深度增加逐漸減小。橋墩位于潮差區(qū)，除表層0～5mm的分布較為特殊外，其余深度的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈現(xiàn)隨深度增加逐漸減小的趨勢，其分布基本符合采用Fick第二定律計算的結(jié)果。

3.2 60號泊位氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

60號泊位不同取樣位置檢測得到的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度分布見圖5。其中圖5(a)展示了相同高度處不同方位混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖5(a)和(b)展示了同一構(gòu)件相同方位不同高程處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖5 60號泊位取樣點氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Chloride ion concentration distribution at sampling point of 60th berth

可以看出，不同方位處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布有所不同，向海一側(cè)混凝土(C1，D1)淺層處(0～15mm)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而背海一側(cè)混凝土(A1，B1)深層處(15～50mm)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。這可能是因為外側(cè)混凝土接觸太陽照射較多，且無其他構(gòu)筑物掩護(hù)，造成干燥期此部位的混凝土表面水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致水分由內(nèi)向外遷移，因此會帶動內(nèi)部部分氯離子向外輸運，由此造成淺層混凝土內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，而深層混凝土內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。

3.3 69號泊位氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

取樣檢測得到的69號泊位的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖6所示。

圖6 69號泊位氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Chloride ion concentration distribution at sampling point of 69th berth

可見，自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈現(xiàn)隨深度增加逐漸減小的趨勢，另外還可以看出：①對同一種構(gòu)件來說，大氣區(qū)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)要明顯小于水位變動區(qū)，這主要是因為大氣區(qū)環(huán)境中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于水位變動區(qū)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由此造成大氣區(qū)混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也小于水位變動區(qū)的表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。②對均處于水位變動區(qū)的混凝土構(gòu)件來說，相同深度的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨高程增加而增大。

4 結(jié) 語

通過對連云港碼頭部分泊位混凝土進(jìn)行的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測及分析可得出如下結(jié)論：

(1)水位變動區(qū)的氯離子侵蝕速度要大于大氣區(qū)，且隨高程增加而增大。

(2)混凝土開裂后其內(nèi)部氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)要明顯大于非開裂位置的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(3)同一構(gòu)件不同方位混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定差別，其中外側(cè)(向海側(cè))混凝土淺層處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，內(nèi)側(cè)(背海側(cè))混凝土深層處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

(4)混凝土表面維修后內(nèi)部氯離子會重新分布，其中部分氯離子會向外表面遷移，造成質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在試件中間某一部位。