感潮河段钢筋混凝土桩基的典型病害与处治对策

张聿盛

(福建省福宁高速公路有限责任公司，宁德 352000)

1 前言

任何一个矗立于地球表面的工程结构， 基础是其最重要的组成部分，并且直接决定着整个结构是否安全。对于采用钢筋混凝土桩基建造的桥梁而言， 在桥梁投入正常运行期间， 桩基的安全性备受工程师和管理人员的关注。 随着高速公路建设发展，特别是跨海跨江桥梁，由于桥梁通车运营过程中桩基出现病害问题威胁桥梁使用安全，需要及时采取处治对策，确保桥梁使用安全。 对于感潮河段桥梁，钢筋混凝土桩基的病害原因更为复杂，因为其涉及到海水侵蚀等海洋环境问题。为此，本文针对感潮河段钢筋混凝土桩基的典型病害与处治对策进行阐述与分析。

2 感潮河段环境特点

所谓感潮河段一般指的是河口至潮区界的河段，此区域的水位与流量均受到潮汐的明显影响。 感潮河段与一般的内河不同， 它存在着高盐度海水沿底层上爬的盐水入侵现象， 以及在盐淡水交界面形成密度流的现象[1]。因此， 感潮河段环境有着类似海洋环境的特点。 除此之外，感潮河段的水流反复冲刷明显。

2.1 海洋环境

海洋环境是一种非常复杂的腐蚀环境。 海水中的氯离子、硫酸根离子、海洋生物污损等都是影响工程结构腐蚀的重要因素， 海洋环境的腐蚀性比陆地环境的腐蚀性要高得多。 海洋环境根据其影响的程度不同从上到下可以分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区等5 个腐蚀区带[2]。 其中，浪花飞溅区是海洋环境中腐蚀最严重的区域。主要原因在于：浪花飞溅区的构件表面受到海水的周期性润湿， 且处于干湿交替状态、氧供应充分、盐分不断浓缩；加之阳光、风吹和海水环境等协同作用导致发生最严重的腐蚀。 通过钢材在海洋环境中的腐蚀试验，结果表明：钢材在海洋大气区的平均腐蚀速率为0.03～0.08mm/a，在浪花飞溅区的平均腐蚀速率为0.3～0.5mm/a；此外，浪花飞溅区的腐蚀速率为海水全浸区的3～10 倍以上[3]。

海洋生物污损， 是指海洋污损生物(包括海洋微生物、海洋植物和海洋动物)附着在桩基的钢护筒上造成的危害，主要表现为加速金属的锈蚀。

2.2 河床下切

河床下切是指现有河床比设计时河床基准面下降，下切按其成因可分为冲刷产生河床下切和人为挖砂产生河床下切。跨河桥梁在建设后，原来的河床过水断面因桩基的存在而减小，从而使得河道的水流提速，这会对河床产生强烈的冲刷作用，特别在桩基紊流处。 除此之外，部分感潮河段由于人工挖砂至粉砂层， 由于粉砂起动流速较小， 容易被水流冲起形成强烈冲刷， 形成较大的冲刷坑，最大冲刷深度达12.85m[4]。

3 典型病害与机理分析

3.1 典型病害

感潮河段桩基的典型病害包括： 桩基外包钢护筒受到海水、海洋污损物的锈蚀；混凝土腐蚀后开裂、脱落；钢筋锈蚀；河床冲刷。

钢护筒是桩身施工时的附属工具， 在浇筑桩身混凝土时预埋在桩孔内，起到成孔护桩的作用。桩体浇筑好混凝土之后，钢护筒与桩身连在一起，一般不拆除。 钢护筒的锈蚀通常仅是护筒外部的钢板锈蚀(图1)，病害较为常见，且桩身保护层混凝土仍然完好，可以不处理。但是，如果钢护筒已经锈蚀穿孔了， 则桩身混凝土后期被腐蚀的可能性以及腐蚀速率会大幅增加。

图1 钢护筒轻微锈蚀

混凝土一旦发生腐蚀后，混凝土的pH 值下降，同时其密实性下降。 pH 值的下降，使得内部钢筋表面的钝化膜容易发生破坏。混凝土的密实性降低之后，随着水流的冲刷作用，混凝土随之脱落，桩身表面细颗粒脱落，出现粗糙、麻面与露骨现象(图2)。 这种现象持续发展时，桩身出现缩颈(图3)。

混凝土发生腐蚀后使得氯离子等有害物质更容易侵蚀到钢筋表面。当混凝土内部的钢筋形成腐蚀电池时，钢筋就会发生锈蚀。 锈蚀部分钢筋的体积膨胀至原来的2～6 倍，从而使得混凝土产生开裂、脱落。 严重时，桩身出现露筋现象(图4)。 此时，钢筋在感潮河段环境下更容易发生锈蚀。 投入使用了近8 年的东河大桥，桩基经过多年海水的侵蚀、冲刷，均存在不同程度的病害。病害主要表现为混凝土出现剥落、空洞、裂缝、露筋等现象，部分混凝土剥落深度达到270mm，使构件的截面尺寸受到严重削弱。

图2 桩体粗糙、麻面、露骨

图3 桩身缩径

图4 露筋现象

桩基受到上述因素影响后，桩身混凝土、钢筋有效截面面积减小，受力性能劣化。因此，桩基的抗压、抗弯和抗剪承载能力相应地降低，从而降低桥梁安全储备，埋下安全隐患。

3.2 机理分析

(1)钢材锈蚀

海洋污损生物附着在钢护筒的表面， 由于硫酸盐还原细菌、铁细菌的作用，使金属的锈蚀加剧；一些污损生物会破坏金属表面的涂层， 使金属裸露而导致金属的锈蚀；有石灰外壳的污损生物覆在金属表面，改变了金属表面的局部供氧，形成氧浓差电池而加速锈蚀；一些藻类由于光合作用产生氧气，增加水中的溶解氧的浓度，从而加速金属的锈蚀。

钢筋的锈蚀必须同时满足三个条件： 钢筋的钝化膜破坏、水分和氧气到达钢筋表面。水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。但是，氯离子是极强的去钝化剂，氯离子吸附于局部钝化膜处，使该处的pH 值迅速降低，从而破坏钢筋表面的钝化膜。研究表明，当Cl-/OH-的浓度比值大于0.61 这个临界值时，钢筋开始锈蚀。铁基体作为阳极受到腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。由于大阴极对应小阳极，腐蚀速度很快。因此，氯离子是造成钢筋锈蚀的主要原因。

(2)混凝土腐蚀

海洋中含有丰富的Cl-、SO42-、Na+、Mg2+等离子， 它具有导电性、高含盐、生物活性等。 这些离子对钢筋混凝土结构有很强的腐蚀作用。 由于结构部位所处的环境不一样，故造成的破坏形式及程度也不同。

混凝土从微观上来看并不完全密实， 其有很多的孔隙。因此，在海洋环境下，海水与混凝土表面直接接触后，可以慢慢地渗透到混凝土的孔隙中。同时，海水中的各种成分也随之到混凝土的内部。 影响混凝土耐久性的根本原因就是侵入到混凝土中的硫酸根离子和氯离子。

虽然海洋环境中SO42-的含量并不高，但由于超长时间的作用，SO42-对混凝土的影响是不能忽视的。SO42-与混凝土的成分发生如下的化学反应：

最后的生成物为钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·nH2O)，如果混凝土中钙矾石的含量不高， 其不会造成很大的影响；但如果钙矾石含量很高，其会导致混凝土发生膨胀破坏。 Cl-的腐蚀机理同SO42-一样，也是由于产生大体积的固化物，使混凝土膨胀而破裂。

此外，冻融循环及碱-骨料反应也能直接导致混凝土膨胀破坏，降低其密实性。冻融循环主要是混凝土毛细孔受冰冻胀力反复作用，形成累计损伤。由于混凝土的饱和度在有盐溶液的条件下是非常高的， 因此海水中混凝土的冻融破坏比普通混凝土更为严重。文献[5]开展了海洋环境下钢筋约束混凝土墩柱的冻融循环试验研究， 结果表明：盐水环境大大增加了混凝土的腐蚀程度，并且在冻融初期(0～40 次)是腐蚀速度最快，尤其是表面腐蚀尤为迅速。 碱-骨料反应则是混凝土中的碱性成分(Na2O 或K2O)与骨料中的活性成分反应， 这种反应能在混凝土成型后持续数十年，其生成物吸水膨胀，并导致混凝土破坏。碱-骨料反应的三个必要条件是高含碱量、 骨料中有活性成分、潮湿环境。此外，碳化作用在相对湿度50%～80%的条件下最容易发生，海洋环境下湿度较大，而且随着高标号混凝土的使用，碳化作用已经不是主要因素。

(3)河床下切使得桥梁桩基的自由长度增加，即对其侧向刚度有较大影响。当河床下切深度过大时，桩基可能会因抗弯承载能力不足而出现跨桥事故。此外，河床下切对端承桩的竖向承载力影响较小， 但在采用摩擦桩的情况下，桩基的竖向承载力也会受到削减。

4 处治对策

针对既有桩基存在的上述病害， 可以采取如下处治对策：

(1)对于混凝土的腐蚀，清理掉损坏部分。若混凝土内部钢筋尚未遭到锈蚀， 则采用耐久性更优的混凝土进行修补，修补完后在混凝土表面再涂刷耐腐、抗渗、无毒、持久的涂料， 这是海洋环境下提高混凝土耐久性的主要手段；若混凝土内部的钢筋遭到锈蚀，则应对钢筋进行除锈与防锈处理；严重时，采用外加电流阴极防护措施[6]。若钢筋截面削弱严重，还应增加补强钢筋。

(2)采用增大截面法进行加固，增大截面部分的混凝土采用耐久性更优的混凝土。该方法适用于混凝土腐蚀、钢筋锈蚀以及河床下切导致桩基长细比变大的情况。

(3)针对河床下切病害，可通过加强下游采砂管理，杜绝非法采砂； 或者在下游河段布置一道或多道灌注桩连续墙进行拦沙防冲[7]。

(4)采用玻纤套筒进行维修加固，该方法主要针对桩基的耐久性加固。其施工工艺流程为：受损桩基混凝土表面处理(图5a)→玻纤套筒锁扣注胶→水下安装玻纤套筒(图5b)→安装紧固带、不锈钢钉→底部安装密封条、水下环氧灌浆料配制(图5c)、少量灌浆密封→整体灌注水下灌浆料(图5d)→顶部密封。

图5 玻纤套筒加固桩基过程

5 结束语

感潮河段具有类似海洋环境， 同时存在河床下切问题， 所处桥梁桩基易出现钢护筒、 钢筋锈蚀及混凝土腐蚀、冲刷破坏等。为此，可采取钢筋除锈与防锈、桩基外表混凝土修补、加强河道管理、玻纤套筒加固等措施加以防范，确保桥梁结构安全、稳定。