某沿海電廠既有沉箱結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估

龍子華，張 磊，湛 川，賈 寧

(1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；2.華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)，新建的混凝土呈高堿性，混凝土保護(hù)層可對(duì)位于其中的鋼筋形成致密的氧化物保護(hù)膜，該保護(hù)膜可以阻止氧氣和水分與鋼筋接觸，從而防止鋼筋銹蝕，因此新建的混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性，幾乎不需要維修和養(yǎng)護(hù)。但是我們可以發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是隨著時(shí)間減弱的，并且在不同使用環(huán)境下其耐久性也是有差別的，在一般大氣環(huán)境下其耐久性可達(dá)50年以上，在海洋環(huán)境等腐蝕性較強(qiáng)的惡劣環(huán)境下其耐久性會(huì)大大縮短。因此當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性問(wèn)題或混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限仍擬繼續(xù)使用時(shí)，都需對(duì)其耐久性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已經(jīng)成為混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 耐久性破壞的原因及機(jī)理分析

所謂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下，在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。當(dāng)前的研究和工程實(shí)踐表明混凝土中的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的最主要原因?；炷帘Ｗo(hù)層是堿性的可對(duì)位于其中的鋼筋形成致密的氧化物保護(hù)膜，只要該保護(hù)膜不破壞，鋼筋就不會(huì)銹蝕。但引起氧化物保護(hù)膜破壞的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蝕。

1.1 混凝土碳化機(jī)理

混凝土的碳化是介質(zhì)與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是大氣中的CO2氣體對(duì)混凝土的作用，在工業(yè)區(qū)，其它酸性氣體如SO2、H2S等也會(huì)引起混凝土“碳化”(準(zhǔn)確地說(shuō)是中性化)。大氣中的CO2與水泥水化物中的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O嚴(yán)格地講碳化反應(yīng)不限于水泥水化物中的氫氧化鈣，在其它一些水泥水化物或未水化物中也會(huì)發(fā)生其它類型的碳化反應(yīng)。但是就混凝土的碳化而論，氫氧化鈣的碳化影響最大。由于混凝土碳化的結(jié)果，混凝土的凝膠孔隙和部分毛細(xì)管可能被碳化產(chǎn)物碳酸鈣(CaCO3)等堵塞，混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度會(huì)因此有所提高。但是，由于碳化降低了混凝土孔隙液體的pH值(碳化后pH值≈8～10)，碳化一旦達(dá)到鋼筋表面，鋼筋就會(huì)因其表面的鈍化膜遭到破壞而產(chǎn)生銹蝕。

混凝土的碳化主要包括三個(gè)過(guò)程：(1)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，混凝土的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行較快，反應(yīng)的速度主要取決于CO2的濃度和混凝土可碳化物質(zhì)的含量。(2)CO2的擴(kuò)散速度，CO2可通過(guò)混凝土孔隙向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。這個(gè)過(guò)程的速度取決于CO2濃度和混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)?；炷量紫兜慕Y(jié)構(gòu)主要受混凝土水灰比和水泥水化程度的影響。(3)Ca(OH)2的擴(kuò)散，Ca(OH)2可在孔隙表面的濕度薄膜內(nèi)擴(kuò)散，其速度取決于混凝土的含水率和Ca(OH)2濃度梯度。

1.2 Cl－引起鋼筋銹蝕機(jī)理

當(dāng)混凝土中含有Cl－時(shí)，即使混凝土的堿度還較高，鋼筋周圍的混凝土尚未碳化，鋼筋也會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。這是因?yàn)镃l－的半徑小，活性大，具有很強(qiáng)的穿透氧化膜的能力，Cl－吸附在膜結(jié)構(gòu)有缺陷的地方，如位錯(cuò)區(qū)或晶界區(qū)等，使難溶的Fe(OH)3轉(zhuǎn)變成易溶的FeCl3致使鋼筋表面的鈍化膜局部破壞。鈍化膜破壞后，露出的金屬便是活化——鈍化原電池的陽(yáng)極。由于活化區(qū)小，鈍化區(qū)大，構(gòu)成一個(gè)大陰極，小陽(yáng)極的活化——鈍化電池，使鋼筋產(chǎn)生所謂的坑蝕現(xiàn)象。

進(jìn)入混凝土中的Cl－主要有兩個(gè)來(lái)源：施工過(guò)程中摻加的防凍劑等——內(nèi)摻型；環(huán)境中Cl－的滲透——外滲型。 對(duì)于海岸環(huán)境，由于海水中通常含有3%的鹽，其中主要是Cl－，約為19000 mg/L。水下部分或水位變化區(qū)的飽水部分一直接觸海水，主要是飽水混凝土里外Cl－濃度差引起的離子擴(kuò)散，擴(kuò)散速度在很大程度上取決于有水頭壓力作用下氯化物溶液的滲透。在海水中，即使氯化物滲透到鋼筋表面，但因?yàn)槿毖蹁摻钜搽y以發(fā)生銹蝕。實(shí)例及經(jīng)驗(yàn)表明，在潮間帶，在海水干濕交替的環(huán)境作用下，Cl－對(duì)鋼筋混凝土的危害是非常大的，

2 耐久性評(píng)估

2.1 工程概況

青島某電廠一期循環(huán)水泵房位于青島市市北區(qū)(原四方區(qū))，竣工于1992年，已投產(chǎn)運(yùn)行近25年?，F(xiàn)擬在老廠區(qū)域建設(shè)2套F級(jí)(430 MW)“一拖一”燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。本期新建機(jī)組工程擬利用一期及老廠循環(huán)水泵房(含進(jìn)水間沉箱)而不另行建設(shè)取水構(gòu)筑物。 考慮到現(xiàn)有循環(huán)水泵房已運(yùn)行25年，為了解循環(huán)水泵房的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，考察其結(jié)構(gòu)是否滿足新建的本期機(jī)組結(jié)構(gòu)使用年限匹配的耐久性要求，必須對(duì)其進(jìn)行耐久性評(píng)估。循環(huán)水泵房進(jìn)水間沉箱由1#～6#組成，沉箱底標(biāo)高為－12.00 m，沉箱底板厚800 mm，底標(biāo)高為－11.00 mm，第一節(jié)制作高度為12 m，就位后接高2.94 m；沉箱側(cè)壁厚度為1000 mm，高度為14.94 m，標(biāo)高3.94 m～－1 m為現(xiàn)澆部分，標(biāo)高－1 m～－11.0 m為沉箱部分，混凝土標(biāo)號(hào)為C30。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估,應(yīng)根據(jù)需要按不同的耐久性極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，耐久性極限狀態(tài)分為三種：(1)鋼筋開始銹蝕：適用于對(duì)下一個(gè)目標(biāo)使用年限內(nèi)不允許鋼筋銹蝕或嚴(yán)格不允許保護(hù)層銹脹開裂的構(gòu)件(如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件)。(2)混凝土保護(hù)層銹脹開裂：適用于對(duì)下一個(gè)目標(biāo)使用年限內(nèi)一般不允許出現(xiàn)銹脹裂縫的構(gòu)件。(3)混凝土表面出現(xiàn)可接受的最大外觀損傷：適用于對(duì)下一個(gè)目標(biāo)使用年限內(nèi)允許出現(xiàn)銹脹裂縫和局部破損的構(gòu)件。

由于循環(huán)水泵房沉箱側(cè)壁部分處于干濕交替的氯鹽環(huán)境中，判斷碳化深度對(duì)其耐久性影響時(shí)，還宜考慮Cl－通過(guò)海水滲透進(jìn)混凝土對(duì)鋼筋銹蝕的影響，宜取鋼筋表面開始銹蝕作為其耐久性極限狀態(tài)。 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于本泵房沉箱側(cè)壁需要作大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕耐久性評(píng)定和氯鹽侵蝕環(huán)境下鋼筋銹蝕耐久性評(píng)定。

2.2 大氣環(huán)境下構(gòu)件的耐久性評(píng)定

鋼筋開始銹蝕時(shí)間確定應(yīng)考慮碳化速率、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境的影響，按式(1)確定。

式中：ti為結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開始銹蝕的時(shí)間；Kk、Kc、Km分別為碳化速率、保護(hù)層厚度、局部環(huán)境對(duì)鋼筋開始銹蝕時(shí)間的影響系數(shù)。其中，碳化系數(shù)k按式 (2)計(jì)算。

式中：xc為實(shí)測(cè)碳化深度(mm)；t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(a)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得沉箱側(cè)壁的混凝土最大碳化深度為5.0 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)沉箱側(cè)壁保護(hù)層厚度為50 mm，由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知沉箱側(cè)壁保護(hù)層厚度比設(shè)計(jì)值稍偏大，偏于安全，耐久性評(píng)估時(shí)按設(shè)計(jì)值50 mm考慮。碳化系數(shù)k為1.0,根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，分別按照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(CECS 220：2007)》表5.2.1－1～5.2.1－3取用。Kk、Kc、Km分別為2.27、2.67、0.68，求出沉箱側(cè)壁結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開始銹蝕的時(shí)間為62.6年，扣除已使用年限，沉箱側(cè)壁剩余耐久性年限還有37.6年。若保護(hù)層厚度為25 mm，則Kc為1.62，求出沉箱側(cè)壁結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開始銹蝕的時(shí)間為38年，剩余耐久性年限僅剩13年。由此可以看出，在同樣環(huán)境下，如果混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度由50 mm變?yōu)?5 mm，那么耐久性年限將大大減少。

2.3 Cl－侵蝕環(huán)境下構(gòu)件的耐久性評(píng)定

外界環(huán)境中的Cl－通過(guò)混凝土保護(hù)層達(dá)到混凝土—鋼筋界面并逐漸積聚，使鋼筋表面孔隙溶液中Cl－濃度增大，最終大于臨界濃度(《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220：2007)第6.0.5條給出了鋼筋銹蝕Cl－臨界濃度(Cl－在水泥中的重量比)，見表1，致使鋼筋開始銹蝕。盡管Cl－在混凝土中的傳輸機(jī)理非常復(fù)雜，但擴(kuò)散作用，即Cl－從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng)被認(rèn)為是一個(gè)最主要的傳輸方式，大量的檢測(cè)結(jié)果表明Cl－的濃度可以認(rèn)為是一個(gè)線性的擴(kuò)散過(guò)程，符合Fick第二擴(kuò)散定律。

表1 鋼筋銹蝕臨界Cl－濃度Mcr

對(duì)本泵房沉箱側(cè)壁，混凝土Cl－含量的測(cè)定是在現(xiàn)場(chǎng)取樣，在試驗(yàn)室進(jìn)行切片試驗(yàn)測(cè)定的?，F(xiàn)場(chǎng)在進(jìn)水間沉箱水位變化區(qū)側(cè)壁鉆取3個(gè)混凝土芯樣，將芯樣送至試驗(yàn)室進(jìn)行Cl－含量測(cè)試，各芯樣Cl－含量變化曲線及對(duì)比曲線見圖1。

圖1 芯樣Cl－含量變化對(duì)比曲線

由檢測(cè)結(jié)果可知，所取芯樣Cl－含量隨著厚度的增加(沉箱側(cè)壁由外向內(nèi))而降低，符合線性的擴(kuò)散過(guò)程，其中外側(cè)20 mm范圍內(nèi)Cl－含量為0.37%已達(dá)到臨界值。通過(guò)不同芯樣的Cl－含量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一沉箱內(nèi)的芯樣內(nèi)部Cl－含量趨于穩(wěn)定，基本保持一致，50 mm位置Cl－含量為0.17%～0.18%，考慮到現(xiàn)有循環(huán)水泵房已運(yùn)行25年，按照線性擴(kuò)散規(guī)律，鋼筋表面Cl－含量達(dá)到0.37%臨界值開始銹蝕，還需約25年。

以鋼筋開始銹蝕作為沉箱側(cè)壁的耐久性極限狀態(tài)，碳化作用下，剩余耐久性年限還有約37.6年；Cl－作用下剩余耐久性年限約為25年。說(shuō)明在Cl－侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性大大降低。需要說(shuō)明的是，以上的分析都是按照混凝土施工質(zhì)量良好，沒(méi)有開裂的情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，目前部分沉箱側(cè)壁預(yù)埋件已存在局部銹蝕(約占總數(shù)的62%)、上邊緣混凝土破損(約占總數(shù)的21%)，沉箱部分與現(xiàn)澆部分接縫處局部出現(xiàn)蜂窩麻面(約占總數(shù)的20%)，混凝土保護(hù)層局部剝落、鋼筋外露銹蝕(約占總數(shù)的8%)，說(shuō)明按照理論分析鋼筋未達(dá)到開始銹蝕條件時(shí)，由于混凝土局部存在預(yù)埋件、施工縫或者施工質(zhì)量以及保護(hù)層薄等問(wèn)題時(shí)，鋼筋局部已經(jīng)開始銹蝕。因此，Cl－對(duì)混凝土的侵入是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與混凝土密實(shí)程度、工程質(zhì)量、水灰比、滲透性、環(huán)境溫度等均有聯(lián)系，對(duì)其耐久性的預(yù)測(cè)僅能提供總體參考作用，因此，對(duì)于氯化物作用的環(huán)境中配筋混凝土的耐久性問(wèn)題，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定應(yīng)在設(shè)計(jì)中提出結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中定期檢測(cè)的要求。使用過(guò)程中對(duì)發(fā)現(xiàn)的局部耐久性問(wèn)題應(yīng)及時(shí)維護(hù)加固，避免為Cl－侵蝕留下通道。

3 結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已經(jīng)成為混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的最主要原因，引起鋼筋銹蝕的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蝕。對(duì)于沿海電廠Cl－侵蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要原因。保證混凝土保護(hù)層厚度和質(zhì)量，作好對(duì)預(yù)埋件、施工縫的處理，是保證混凝土耐久性的重要措施Cl－對(duì)混凝土的侵入是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與混凝土密實(shí)程度、工程質(zhì)量、水灰比、滲透性、環(huán)境溫度等均有聯(lián)系，對(duì)其耐久性的預(yù)測(cè)僅能提供總體參考作用，實(shí)際工作中需要建立使用中定期檢測(cè)的制度，對(duì)發(fā)現(xiàn)的局部耐久性問(wèn)題及時(shí)維護(hù)加固，能有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)耐久性。