随着社会经济发展, 海岛作为我国重要资源, 其产业发展日新月异。然而, 我国海岛钢筋混凝土建筑处于典型海洋腐蚀环境中, 混凝土耐久性问题非常突出。50年前在我国南方地区建造的码头, 服役5年左右混凝土表面便出现微细裂缝和轻度锈斑, 服役15年左右结构便需要维修和加固^[1]。引起钢筋混凝土结构耐久性失效的因素很多, 如氯盐侵蚀、冻融破坏、碱骨料反应等, 其中, 氯盐引起钢筋锈蚀是海岛建筑耐久性失效的主要原因。氯离子进入混凝土内部主要存在两种方式^[2]:一种是建造过程中掺用含氯离子的建筑材料;另一种是结构服役期间, 环境中的氯离子通过混凝土宏观、微观缺陷渗入和扩散。当钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度时, 钢筋表面将出现局部坑蚀^[3], 进而引起保护层胀裂、钢筋与混凝土粘结性降低, 最后影响结构的服役性能^[4]。

　　 随着海岛的开发和利用, 大量既有海岛建筑的使用功能从民居变更为民宿、餐厅等公共建筑。随着使用功能和荷载工况的改变, 如果不对既有海岛建筑进行必要的维修和加固, 则存在严重的安全隐患。目前, 钢筋混凝土结构的加固方法主要包括粘贴纤维复合材料、外粘钢板、增大截面、置换混凝土等^[5], 均已较为成熟。然而, 将其应用于海岛建筑时, 即便进行了结构加固, 混凝土内部存在的有害氯离子将持续腐蚀钢筋, 从而降低结构的安全性。因此, 既有海岛建筑在结构加固之前应先进行混凝土耐久性提升。目前, 混凝土结构耐久性提升的主要技术^[6]包括电化学再碱化法、电化学沉积修复技术、电化学除氯技术、电渗阻锈法、双向电渗技术^[7], 上述技术主要应用于桥梁、码头等基础设施, 在钢筋混凝土建筑中应用报道较少。

　　 本文以宁波市某海岛建筑群为研究对象, 对其进行了混凝土耐久性现场检测、关键构件的破坏性试验, 并进行了基于双向电渗技术的海岛建筑混凝土耐久性提升应用。

　　 宁波市某海岛建筑群于1984~1987年期间建造, 结构形式为砖混结构。梁为预制混凝土构件, 楼板、挑梁等为现浇混凝土构件。调研过程中对建筑进行了保护层厚度检测、混凝土强度检测和氯离子浓度检测, 将拆除的钢筋混凝土构件进行破坏性静载试验, 构件破型后对钢筋进行了材料特性试验。

　　 采用PS35型HITLI钢筋探测仪对该海岛建筑的混凝土保护层厚度进行了测试, 结果表明既有海岛建筑的梁、楼板平均保护层厚度分别为28.0, 21.0mm。根据现行《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010) ^[8] (简称现行混凝土规范) 要求, 海岛建筑的环境类别为三b (海岸环境) , 楼板的最小混凝土保护层厚度为40mm, 梁的最小混凝土保护层厚度为50mm。由此可知, 既有海岛建筑的梁、板混凝土保护层厚度均已低于现行混凝土规范要求。

　　 依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》 (JGJ/T 23—2011) ^[9]对既有海岛建筑进行了混凝土强度检测, 测得的梁和楼板的混凝土抗压强度值分别为16.05MPa和31.6MPa。现行混凝土规范要求, 设计年限为50年的混凝土结构, 其混凝土最低强度等级为C40 (抗压强度值为26.8MPa) 。结果表明, 检测的部分既有海岛建筑混凝土强度存在低于现行混凝土规范要求的情况。

　　 选取建筑物中楼板、梁、阳台挑梁进行混凝土取粉和氯离子浓度测试。采用直径12mm的钻头, 5mm为一层钻孔取粉, 每层均钻取3个孔洞并归一层, 采用孔径为0.3mm的筛子进行筛分。称取粉样2.0g, 溶于20m L去离子水中, 浸泡24h后, 采用快速氯离子检测方法 (RCT) 测量每层混凝土中氯离子含量, 结果如图1所示。

　　 由图1可知, 室外梁 (阳台挑梁) 、室内梁 (预制檩条) 、楼板 (现浇) 的最大氯离子浓度 (氯离子含量占水泥质量百分比) 分别为3.38%, 1.9%和0.16%。然而, 《混凝土质量控制标准》 (GB50164—2011) ^[10]中规定, 潮湿并含有氯离子环境中的钢筋混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.1%, 因此, 该海岛建筑群各构件的氯离子浓度已严重超过规定值。同时, 如果氯离子是通过渗透或者扩散进入混凝土内部, 则其分布应符合Fick第二定律^[11], 从检测结果分析, 既有海岛建筑不同深度处氯离子浓度无显著差异, 说明上述海岛建筑中的氯离子为建造期随着建筑材料均匀掺入。

　　 对海岛建筑中拆除的钢筋混凝土构件进行简支梁受弯试验, 构件长度均为2m。试验采用四分点加载, 通过分配梁将荷载传递到混凝土梁上, 纯弯曲段长度为0.5m。每个荷载等级值为理论极限荷载的5%, 在相应位置粘贴应变片记录混凝土应变及布置百分表记录梁的挠度值, 试验布置如图2所示。

　　 共进行了3根梁的静载试验。结果表明, 梁Ⅰ为受拉区钢筋拉断, 表现出脆性破坏, 裂缝贯穿梁中间部位, 极限承载力为27.6k N;梁Ⅱ破坏前有明显征兆, 临界破坏时最大裂缝和跨中挠度显著增加, 继续施加荷载后受压区混凝土压碎破坏, 极限承载力为27.3k N;梁Ⅲ由于受压区混凝土存在明显剥落情况, 加载时受压区混凝土首先压碎, 极限承载力仅为15.15k N。

　　 静载试验过程中通过荷载传感器和位移计记录构件变形过程, 3根梁的荷载-挠度曲线如图3所示。

　　 图3表明, 梁Ⅰ跨中挠度随荷载增加变化最小, 极限承载力时位移突变, 表现为脆性断裂;梁Ⅱ受拉区钢筋延性良好, 破坏前跨中有明显位移;梁Ⅲ挠度随荷载增加而增大最明显。

　　 将完成加载的梁Ⅰ、梁Ⅱ和梁Ⅲ破型, 取出钢筋, 发现其主筋全部为光圆钢筋, 且箍筋数量极少, 箍筋间距为800~900mm。同时, 钢筋锈蚀严重, 表面锈坑明显。分别选取每根梁中3根受拉区主筋, 利用30t电子万能试验机进行钢筋力学性能测试, 结果如表1所示。

　　 由表1可知, 梁Ⅱ中钢筋的锈蚀率较梁Ⅰ和梁Ⅲ低, 因此, 其钢筋的极限抗拉强度和伸长率均较高。结合2.1和2.2节所述, 钢筋的力学性能对梁的承载能力及破坏特征存在较大影响。

　　 双向电渗技术为浙江大学金伟良教授课题组提出的一种混凝土结构耐久性提升方法^[7], 通过系统的试验研究^[12], 该技术已较为成熟, 并实现了工程应用^[13,14]。双向电渗技术的原理是将试件内钢筋作为阴极, 试件外表面不锈钢作为阳极, 在外加电场作用下, 电解液中的阻锈剂阳离子向阴极迁移, 试件中的氯离子迁出混凝土。不同于桥梁及内陆建筑, 海岛建筑存在无电源供应、材料运输成本高、现场维护成本高等明显特点。据此, 课题组研发了基于太阳能的双向电渗供电系统和基于无线网络平台的远程控制系统, 实现了海岛建筑混凝土的自动化耐久性提升。现场双向电渗如图4所示。

　　 双向电渗后对构件进行取粉, 重新检测氯离子浓度, 结果如图5, 6所示。

　　 由图5可知, 整根梁在宽度方向距结构表面15mm至钢筋表面, 梁底部保护层中氯离子含量都达到规范阀值以下, 表明钢筋周围氯离子含量已处于安全值内。

　　 由图6可知, 双向电渗后的氯离子含量显著下降, 降幅达到80%以上。双向电渗后的主要承载构件可选用粘贴碳纤维复合材料提升承载能力, 以期满足规范更新后建筑的安全使用要求, 延长建筑服役寿命。

　　 通过现场调研、室内试验及耐久性提升, 对宁波市某海岛建筑群进行了较为系统的研究和分析, 认为需从如下方面提高认识, 从而保障既有海岛建筑服役期的安全。

　　 《钢筋混凝土结构设计规范》 (TJ 10—74) ^[15] (简称74版混凝土规范) 对处在侵蚀环境中的结构, 只注明梁的最小保护层厚度为25mm, 楼板最小保护层厚度为10mm和15mm (分别对应截面厚度≤100mm和>100mm) 。现行混凝土规范对混凝土结构服役环境类别进行划分, 海岛建筑环境类别为三b:海岸环境, 同时, 分别对混凝土最低强度等级、最小保护层厚度、最低氯离子浓度均进行了严格要求。如按设计使用年限为50年的混凝土结构要求, 混凝土最低强度等级为C40, 最大氯离子含量为0.1% (占凝胶材料总量的百分比) , 梁最小保护层厚度为50mm, 楼板最小保护层厚度为40mm。因此, 按建造期规范要求建造的建筑已不符合现行混凝土规范要求。

　　 74版混凝土规范未对建筑用砂进行特殊限定。现行混凝土规范规定混凝土中最大氯离子含量为0.1% (占凝胶材料总量的百分比) 。海砂与河砂相比, 具有粒度适宜、颗粒坚硬、级配良好和含泥量少等特点, 适用于建筑用砂, 国内也开展了大量研究工作并编制了《海砂混凝土应用技术规范》 (JGJ 206—2010) ^[16] (简称海砂混凝土规范) 以规范海砂的使用。海砂混凝土规范规定用于配制混凝土的海砂应作净化处理, 满足海砂混凝土规范要求后方可用于配制混凝土。而且在海砂混凝土生产过程中, 应检测混凝土中的氯离子含量, 海砂混凝土拌合物水溶性氯离子最大含量为0.06% (占水泥用量的质量百分比) 。根据调研所在地建筑材料管理处提供的数据, 仅2003年一年该市用砂量高达1 000万t, 其中海砂用量占80%左右, 未经淡化的海砂达520万t^[17]。因此, 建筑建造期所用的建筑材料使得钢筋存在较大的锈蚀风险。

　　 《工业与民用建筑结构荷载规范》 (TJ 9—74) ^[18] (简称74版荷载规范) 规定, 住宅和办公楼的均布活荷载标准值取为1.5k N/m²。然而, 现行《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[19] (简称现行荷载规范) 规定楼面活荷载的最小值为2.0k N/m²。现行荷载规范中, 由于基本组合的荷载分项系数变化, 使得应符合要求的荷载计算值大于74版荷载规范, 因此, 建筑建造期的承载能力低于服役期要求, 不利于建筑在服役期内的安全使用。

　　 氯离子浓度超钢筋锈蚀临界值^[20]而不进行除氯, 会加速混凝土内钢筋锈蚀, 如直接对构件进行加固, 构件内部的钢筋锈蚀仍在继续, 会产生钢筋与混凝土之间的粘结力下降等不利影响。针对该情况, 结构加固前需进行混凝土耐久性提升, 防止钢筋进一步被腐蚀。

　　 (1) 既有海岛建筑现场检测结果表明, 混凝土保护层厚度、强度偏低, 主要承载构件氯离子含量远超规范阀值, 建筑服役期继续使用存在安全隐患。

　　 (2) 室内试验表明关键构件承载力偏低, 静载破坏试验中出现脆断现象, 构件破型后内部主筋锈蚀率高, 力学性能受锈蚀影响表现为抗拉强度与延性偏低。

　　 (3) 耐久性提升后的构件氯离子含量降幅达到80%以上, 且钢筋周围残余氯离子含量低于阀值, 满足规范要求。

　　 (4) 通过对比既有海岛建筑在建造期与服役期的规范要求, 认为需从服役环境、材料特性等角度出发, 以提升耐久性为基础并配合结构加固来保障建筑服役期的安全, 延长建筑服役寿命。