沿海高桩码头主体结构耐久性影响因素分析

李 龙

（中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071）

近年来，我国海运贸易蓬勃发展，大型游轮和各类海洋科考船也接连投入使用，沿海开放城市普遍大力兴建港口码头工程。根据码头受力形式与构造方式的不同，可将码头分为重力式码头、板桩码头、高桩码头和混合式码头等[1]。当沿海地质条件较差、淤泥质土或软弱土层较多，且潮汐水位高差较大时，大多使用高桩码头。高桩码头的主体结构由桩基和上部结构组成，可在不填海的前提下，获得较大的船舶泊位空间。码头的竖向承重体系简单清晰，在沿海港口中被普遍使用。高桩码头的桩体较长且大部分处于海水腐蚀和波浪作用环境之中，构件可靠度等特性要求与重力式码头有所区别。为了保证码头结构长期正常使用，保证船舶、车辆以及人员物资的安全，钢砼高桩码头的结构耐久性备受重视。文章从材料自身特性及其与外环境相互作用的角度，结合施工工艺措施等方面，分析高桩码头结构质量退化以及使用性能降低的影响因素，探讨提升主体结构耐久性等工程质量控制的合理化思路，为后续深入研究提供参考。

1 混凝土材料的碳化

1.1 混凝土制备与施工工艺的影响

混凝土属于一种弱碱性材料，外部环境中的二氧化碳与混凝土材料中的水泥水化物发生化学反应，导致材料的杨氏模量与弹塑特性发生改变，使结构强度降低。水工工程中，较多使用矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥，而不宜使用硅酸盐水泥。不同水泥的碳化速度有异，为了兼顾混凝土的强度特性、和易性以及耐久性，往往通过外加剂来调节。当不使用任何外加剂时，粉煤灰水泥的碳化速度最快，而矿渣水泥最慢[2]。国内部分厂商也在研制推广特种海工水泥，其抗腐蚀系数颇高，通过改变水泥的种类成分从而达到增强微观颗粒间黏结强度和宏观构件整体强度的目的；也可以降低物质化学活泼性，从而减少与周围环境的交互作用。使用引气剂时，对商砼抗碳化性有明显的加强。使用早强剂时，可以大幅度增强抗碳化的能力，且对混凝土在海水中的凝结过程具有正面影响，通过实验发现，碳化速度可以放缓一倍。这是因为减水剂相当于增加了水泥的比例，使固体颗粒更加紧密，颗粒间可填充空间在减少，是在混凝土制备过程中采取的有效措施。同理，水灰比越大也会导致材料内部孔隙率增加，增加了外环境的温室气体进入的概率。因此，通过优化粗细骨料级配、加强浇筑振捣的施工工艺、提升混凝土整体强度，可以减缓主体结构，特别是高桩码头的桩身部分的混凝土碳化速率。

1.2 码头工作环境的影响

高盐、高湿是沿海环境的典型特征，由于所处地理环境的不同，还可能会有夏季高温状况，特别是我国东海与南海地区，高桩码头的夏季工作环境温度较高，极端高温天气时有发生，且伴有十分潮湿的空气。相对湿度越高或越低均不利于混凝土碳化的进程，当空气中游离水分子较多时，抑制了二氧化碳的分子运动，而空气极为干燥时，水泥水化物也缺少中和反应的调节，通常相对湿度为60%时碳化反应进展最快。随着工业化的步伐，化石能源的大规模使用正在增加空气中温室气体含量，也会加速混凝土碳化。同时，环境的气温对碳化反应影响较大，温度升高加快了分子运动速率，增加了二氧化碳分子进入码头构件内部的速度，也会具有温度催化的效应。当水化热在混凝土内部聚集较多，外部气温较高则不利于降温，通过养护措施不利于充分释放时，产生的温度裂缝就给空气进入材料内部提供了畅通的渠道。

2 高桩码头结构的化学反应

2.1 混凝土的碱骨料反应与其他化学腐蚀

砂砾和石子主要组成成分是二氧化硅，其与商砼中的氧化钠等物质发生的反应为碱骨料反应。海水环境中盐性成分极多，更加易于产生碱骨料反应[3]。这种化学变化是缓慢的、长期的，反应后的物质总体积大于原始状态，造成混凝土的开裂，若此反应普遍发生，则易形成局部贯通裂缝，使钢筋暴露，降低构件的承载能力和结构整体可靠度[4]，削弱了抗压能力。

工业污染包括汽车和工厂向空气和海洋中排放的硫化物、氮化物。空气中的二氧化硫加剧了酸雨的产生。港口码头多存在于沿海发达城市，工业规模显著，在促进地区经济发展的同时，也带来了较为严峻的环境问题，使沿海水质劣化，硫酸根离子浓度较高。混凝土在化学腐蚀作用下体积变大，易发生胀裂现象，造成构件表面裂缝和保护层剥落。另外，海水中的微生物附着于混凝土之上，其生存繁衍会释放出一些酸性物质，与碱性的混凝土相互作用，降低混凝土密度与强度，产生生物腐蚀现象；附着在桩体表面的贝类也会在生长过程中对混凝土产生影响，此类现象是沿海环境中特有的，也是高桩码头日常维护保养的重要课题。现阶段工程中，会在桩体完工后在其表面涂刷一层高密度涂层，以起到一定程度的隔离作用并增强结构耐久性。

2.2 钢结构的化学锈蚀

在钢-砼结构中，混凝土的主要作用是承受竖向压力以及通过抵抗水压来形成相对封闭的环境从而保护内部钢筋。钢筋在桩体中既承担竖向承载力又承担侧向承载力的任务，有着承重、抗波浪激励、抗震、抗侧弯等作用，也是影响结构耐久性的关键因素，耐久性丧失的主要指标就是钢筋强度的下降。当高桩码头的混凝土持续碳化和被环境因素腐蚀，进而造成开裂失去保护作用，就会破坏钢筋表面的钝化膜，使海水中的氯离子大量与钢筋接触，形成电化学锈蚀。氯离子浸入构件的深度通常是判断钢结构受腐蚀程度的重要因素[5]，由于钢材锈蚀后体积变大，使得构件内部应力增大，易撑裂包裹的混凝土，即造成锈胀开裂现象。开裂的构件使钢材裸露面进一步扩大，又加剧了钢结构的锈蚀。当钢砼构件的酸碱度下降、氯离子浓度上升时，钢筋就进入了腐蚀的快车道，在海水环境中尤为突出。在码头等水工项目中，通常使用增加混凝土保护层厚度、提高商砼标号的方式来增加保护，也可以使用在钢材外部涂刷防腐涂料、阴极保护、牺牲阳极等方法保护钢材。

3 高桩码头混凝土的冻融循环破坏

水的物理特性是从液态变为固态时体积膨胀。当冬季码头桩基或上部结构的混凝土内游离水降温结冰后，体积会变大，对固体孔隙有向外的应力，有扩大水合物间隙的趋势；而春夏之季，温度升高后冰结晶融化，液态水进入孔隙中，冬季再次结冰膨胀，此种作用周而复始，造成了混凝土构件的疏松与细微裂缝，加大了比表面积。我国北方沿海码头冬季气温普遍偏低，甚至有些高纬度港口还会冰封，常年往复，冻融循环破坏是影响高桩码头耐久性的重要因素。当然，也不是所有游离水都会产生冻融作用，实验表明，只有当混凝土内水饱和度达到临界值时，才会引发冻融循环。由于海水的冰点更低，含有的盐离子更多，结冰后体积的变化率更大，则会产生较之陆地基建结构更大的冻融循环破坏。桩基的水线以下部分常年接触海水，冻融损伤往往更明显。

4 高桩码头施工因素的影响

水工工程中已普遍使用商业混凝土，混凝土出厂品质有了一定的保证，但施工过程中依旧有些不确定因素，最常见的就是混凝土浇筑振捣不充分。当构件内钢筋排布较密时，振捣应分层且使用合适工具，降低产生较大孔隙的风险。再者，应在支模时充分清理模板内杂物，避免混凝土表面的麻面或裂隙[6]。反复检查模板内壁与钢筋外沿之间的距离，保证充足的保护层厚度，避免因为钢筋位置偏移、绑扎质量不高而导致部分位置保护层厚度不够的问题。众多工程实践表明，混凝土的厚度直接影响内部钢筋的锈蚀速度，因而设计保护层厚度时，应充分考虑周围环境的影响以及工作状态的因素，按照耐久性要求的不同制订不同的保护层厚度，并考虑施工的偏差，留有一定的设计冗余。

优化施工组织设计，混凝土龄期未满不得拆模，否则达不到设计强度。混凝土抗水压的能力尤为重要，标号越高、强度越高的混凝土抵抗外部压强的能力越强，目前工程中普遍使用C50、C60标号的混凝土，若由于施工因素使混凝土的强度达不到设计要求，在施工阶段中海水便会过多浸入结构内部，会对码头整体耐久性产生不利影响。在夏季施工时，应加强养护，避免温度裂缝的产生。由于码头使用期限一般较长，在长时间的使用过程中前期细小的裂缝都有可能继续发展，在海水环境中愈加严重。钢筋进场查验后，通常会在场内放置一段时间后再投入施工，此时就要做好钢筋防锈工作。在绑扎之前，必须先除锈再施工，把住防腐的第一道关卡。构件的施工要求合理规划浇筑层次、规范留置施工缝，避免因为施工缝的存在导致外部盐分过早进入结构构件之内。施工时应充分考虑海洋波浪作用对施工测量定位、搭接对接产生的影响，避免因为波浪影响导致桩位偏心，偏心距产生后在长时间的海浪往复拍打、多方向激励作用后，可能产生局部变形、局部受拉、应力集中、不利受力等情况。

以上施工注意事项均是做好高桩码头钢筋混凝土结构防腐蚀、防锈蚀、防冻融的关键措施，对提高结构耐久性具有积极意义。

5 结论

沿海高桩码头建设发展迅速，影响其主体结构耐久性的因素也较为复杂，有混凝土材料的碳化、碱骨料反应与化学腐蚀、钢筋锈蚀、混凝土冻融循环以及施工工艺因素等。需从材料分子、内部结构、化学变化、宏观表现以及作用机理等各方面分析其影响耐久性的原理，并由此总结出对应的防治措施，主要表现在提升钢砼材料特性、减缓腐蚀作用发展、优化工艺质量等方面，在建造材料制备、设计方案制订和施工过程中加以体现，为高桩码头工程的健康发展提供技术保障。