抗凍融剝蝕薄壁修復砂漿技術(shù)在熱電廠的應(yīng)用

梁 龍

(北京琦正德科技有限責任公司， 北京102600)

0 引 言

凍融破壞是中國東北、西北和華北地區(qū)混凝土建筑物在運行過程中產(chǎn)生的主要病害之一[1]。華能大慶熱電有限公司(大慶華能熱電廠)位于黑龍江省大慶市，經(jīng)過3個冬季的運行，冷卻塔部分混凝土表面出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，剝蝕深度從1 mm到10 mm不等。其特點是水泥砂漿剝落，粗骨料外露，屬明顯的混凝土凍融剝蝕特點。

初期混凝土凍融剝蝕，只是表面砂漿層的剝落，因缺乏了表層致密的砂漿層的保護，使得混凝土表層結(jié)構(gòu)變得更加疏松，混凝土吸水率和孔隙率皆快速增加，如不加以制止，這種劣化的速度會加速發(fā)展，直至混凝土強度的喪失，危及整個建筑結(jié)構(gòu)的運行安全。依據(jù)全壽命經(jīng)濟分析法(LCCA)及2000年國務(wù)院發(fā)布的《建設(shè)工程質(zhì)量管理條例》第279號令，對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命提出明確要求[2]。為了保證冷卻塔結(jié)構(gòu)安全，出現(xiàn)凍融剝蝕的混凝土需得到快速有效的治理。

許多預防老化病害的措施，在規(guī)劃設(shè)計和施工階段就應(yīng)認真考慮并實施[3]。傳統(tǒng)的修復方法是在混凝土表面涂刷氯磺化聚氯乙烯防腐涂料或環(huán)氧防腐涂層等。實踐證明，單純地涂刷防腐涂料不能從根本上解決混凝土凍融剝蝕問題。哈爾濱某電廠、鶴崗某電廠、雙鴨山某電廠、撫順某電廠等三北地區(qū)大部分熱力發(fā)電廠，每隔幾年就涂刷一遍防腐涂料，結(jié)果是混凝土凍融剝蝕問題依然嚴重，有的冷卻塔塔壁甚至出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，鋼筋銹蝕加重，混凝土大塊剝落；不僅浪費財力，更嚴重影響了建筑結(jié)構(gòu)安全。

在冷卻塔的防水防腐中存在一個認識上的誤區(qū)，把防腐與抗凍混為一談，認為防腐就包含抗凍。其實防腐與抗凍是針對混凝土耐久性保護的兩個不同的概念，其機理不同，對材料的要求也不同。防腐重點是要求涂料具有防酸、堿、鹽等抗腐蝕能力，而抗凍是要求能提高混凝土抗凍融剝蝕能力。涂料的防腐能力合格不代表其抗凍能力合格。三北地區(qū)由于嚴寒的環(huán)境特點，混凝土凍融剝蝕是混凝土耐久性失效的主要原因。因此，提高混凝土抗凍性比混凝土防腐更為重要。

而傳統(tǒng)的防腐涂料沒有關(guān)于提高混凝土抗凍融剝蝕能力的數(shù)據(jù)和依據(jù)。防腐涂料自身的抗凍性無法滿足嚴寒地區(qū)混凝土的抗凍要求。以防腐來代替抗凍是造成材料選擇上的嚴重誤區(qū)，這也是造成冷卻塔混凝土修復失敗的主要原因。

1 大慶華能熱電廠冷卻塔修復方案設(shè)計

其實，自從混凝土結(jié)構(gòu)誕生就伴隨著表面維修[4]。大慶華能熱電廠冷卻塔混凝土凍融剝蝕面修復，擬先采用聚合物防凍砂漿進行表面修復，然后在砂漿表面涂刷混凝土抗凍融防剝蝕涂料作為提高混凝土抗凍性雙層保護手段。這樣設(shè)計的原因有兩方面：一是砂漿面層保護了混凝土凍融剝蝕面，抗凍涂料更進一步提高了修復砂漿的抗凍等級，達到雙層保護的效果；另一方面，覆蓋了原本混凝土凍融剝蝕留下的坑坑洼洼的痕跡，使整體維修效果更加美觀。

如果用砂漿對混凝土凍融剝蝕面進行修復，砂漿修復保護層厚度不到1 cm，不到1 cm的砂漿修復層較難抵抗嚴寒地區(qū)的低溫凍害而不發(fā)生剝蝕。因小于1 cm的薄壁砂漿更易達到飽和吸水狀態(tài)，砂漿含水率越高，抗凍性越差。薄壁修復的難點還在于修復層與基層混凝土的粘結(jié)強度。如果粘結(jié)界面強度不夠，會在新舊混凝土結(jié)合薄弱處先發(fā)生凍融破壞，造成修復層的整體脫落。

與設(shè)計院和相關(guān)材料專家學者共同研究商定，現(xiàn)場選定了薄壁修復抗凍砂漿的研究課題，以期解決困擾寒冷地區(qū)冷卻塔混凝土凍融剝蝕修復難題。

2 室內(nèi)試驗研究

實驗用抗凍修復砂漿和界面劑型號為砼益佳-U585，抗凍涂料型號為砼益佳-U587。

2.1 試驗方案

1)選取1組已經(jīng)凍融剝蝕的混凝土抗凍試件作為試驗對象。

2)為使修復后的試件順利放進凍融試驗用的橡膠桶內(nèi)，切除試件兩側(cè)厚度各1 cm，只保留兩個剝蝕面。

3)其中一個剝蝕面只涂刷界面劑，另外一個剝蝕面涂刷界面劑和修補砂漿(界面劑和修補砂漿均由抗凍砂漿母料砼益佳-U585調(diào)配)，測試試件制備見圖1。其目的是分別檢驗界面劑和界面劑加修復砂漿在凍融條件下的粘結(jié)效果，會否隨著凍融的加深而從混凝土表面剝落。

圖1 測試試件制備

4)修復后的試件標準養(yǎng)護28天，取出后，干燥2天，其中2個試件6個面全部涂刷混凝土抗凍防剝蝕涂料砼益佳-U587，另外1個試件不涂刷。

5)刷完涂料7天后，泡水48 h，進行抗凍測試，測試方法為快凍法。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

涂刷抗凍涂料與未涂刷抗凍涂料混凝土質(zhì)量損失率測試結(jié)果對比見表1，混凝土動彈性模量損失率測試結(jié)果對比見表2，混凝土動彈性模量損失率P趨勢對比見圖2。

圖2 涂刷抗凍涂料與未涂刷抗凍涂料混凝土動彈性模量損失率對比圖

表1 混凝土質(zhì)量損失率

表2 混凝土動彈性模量損失率

2.3 試驗分析

1)未涂刷抗凍涂料的抗凍試件，在凍融循環(huán)150次時，混凝土出現(xiàn)凍酥破損現(xiàn)象，凍害是從切割的光滑面開始的。但即使出現(xiàn)嚴重的剝蝕現(xiàn)象，涂刷界面劑的一側(cè)和界面劑加修復砂漿的一側(cè)，并未出現(xiàn)修復層剝落現(xiàn)象。這表明采用界面劑和砂漿修復后，即使在混凝土發(fā)生凍融剝蝕的情況下，仍未與混凝土發(fā)生剝離，優(yōu)于混凝土自身的抗凍性。未涂刷抗凍涂料的混凝土在F150次凍融循環(huán)試驗效果見圖3。

圖3 未涂刷抗凍涂料混凝土凍融循環(huán)F150次試驗后

2)涂刷抗凍涂料的混凝土試件，在抗凍等級達到F1000次時，質(zhì)量損失率幾乎為0，見圖4。觀察發(fā)現(xiàn)，無論是混凝土切割面，界面劑涂刷面還是砂漿修復面都未出現(xiàn)任何開裂剝蝕痕跡。表明抗凍涂料在提高修復砂漿抗凍性上的輔助作用明顯。

圖4 涂刷抗凍涂料混凝土凍融循環(huán)F1000次試驗后

2.4 修復砂漿抗凍機理分析

為分析薄壁砂漿的高抗凍機理，分別就涂刷抗凍涂料的混凝土試件和未涂刷抗凍涂料的混凝土試件做了切片電鏡分析，具體對比圖見圖5和圖6[5]。

圖5 未涂刷抗凍涂料混凝土

圖6 涂刷抗凍涂料混凝土

對比圖5和圖6混凝土電子顯微圖片，發(fā)現(xiàn)涂刷抗凍涂料的砂漿切片，內(nèi)部生成許多纖維狀化學產(chǎn)物，膠著在混凝土內(nèi)部，而未涂刷抗凍涂料則沒有如此化學產(chǎn)物的生成。因這些纖維狀的化學產(chǎn)物是該抗凍涂料與砂漿水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應(yīng)的結(jié)果，像從水泥石中長出的纖維狀產(chǎn)物一樣。因此，它與混凝土的結(jié)合是一種比較牢固的化學鍵的結(jié)合，而不僅僅是鑲嵌式填充。區(qū)別于傳統(tǒng)涂膜類涂料，這層抗凍層存在于混凝土內(nèi)部，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)涂膜類涂料分層的現(xiàn)象，因此它更適應(yīng)混凝土的彈性變形。

另外，這種化學產(chǎn)物是在混凝土堿性環(huán)境下的作用產(chǎn)生的，因此，混凝土水化產(chǎn)物，尤其是Ca(OH)2參與了化學反應(yīng)，這樣就改變了表面混凝土原先因堿性的化學活性的問題，使混凝土由原來的堿活性變得更加惰性，減少了酸性條件下的腐蝕。

3 工程應(yīng)用實效

為檢驗試驗數(shù)據(jù)對于真實工程的應(yīng)用效果，2018年在廠區(qū)的冷卻塔凍融剝蝕的梁柱上做了實際應(yīng)用與檢測，具體工藝流程見圖7～11，經(jīng)過一個冬季運行效果見圖12。

圖12 一個冬季后運行效果

圖7 表面清理

經(jīng)過一個冬季的凍融循環(huán)，冷卻塔淋水柱的修復砂漿雖然只有不到1 cm的厚度，但沒有出現(xiàn)任何剝落痕跡，砂漿修復表面光滑，沒有任何凍融剝蝕現(xiàn)象，工程應(yīng)用效果與試驗數(shù)據(jù)一致。

圖8 涂刷界面劑

圖9 修復砂漿施工

圖10 固化養(yǎng)護

圖11 涂刷抗凍涂料

4 結(jié) 語

1)凍融剝蝕是寒區(qū)混凝土冷卻塔破壞的主要原因，傳統(tǒng)的防腐材料雖然具有防腐功能，但不能解決混凝土凍融剝蝕的問題。以防腐來代替抗凍，是寒區(qū)冷卻塔混凝土耐久性設(shè)計的一個誤區(qū)。

2)寒區(qū)冷卻塔薄壁修復的技術(shù)難點在于：不足

1 cm的修復保護層既要滿足修復如初的外觀要求，又要起到保護混凝土，提高其抗凍性的技術(shù)指標。此次研究工作，使薄壁砂漿的抗凍能力提高到F1000次抗凍等級，并且在工程實踐應(yīng)用中，取得了與試驗結(jié)果一致的效果。經(jīng)過一個冬季的運行，修復過的冷卻塔梁柱外表面薄壁砂漿保持完整，未出現(xiàn)脫落，開裂，剝蝕的痕跡。后期的監(jiān)測還會持續(xù)進行。

3)厚度小于1 cm的薄壁修復砂漿的抗凍性研究，為寒區(qū)冷卻塔混凝土抗凍融剝蝕的修復提供了技術(shù)依據(jù)和有效的解決方案，提高了冷卻塔建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，增加了結(jié)構(gòu)使用壽命，為后期的安全運行提供了保障。