海島強(qiáng)腐蝕環(huán)境下某變電站混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估

吳 亮 俞鐵勇 張 軍 張 凱 毛江鴻

1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司 浙江 杭州 310012；2. 國網(wǎng)舟山供電公司 浙江 舟山 316004；3. 浙大寧波理工學(xué)院 浙江 寧波 315100

變電站是現(xiàn)代工業(yè)基地的心臟，關(guān)系到基地能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。其中，土建工程優(yōu)良的耐久性是保障變電站工作效能的基礎(chǔ)[2]。

由于我國東部沿海地區(qū)處于干濕交替的富氧鹽霧環(huán)境，氯離子侵蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂等一系列耐久性問題嚴(yán)重[3]。需注意的是，變電站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的雜散電流還將進(jìn)一步加快氯離子的擴(kuò)散[4]。

不少學(xué)者都針對沿海環(huán)境氯鹽侵蝕下的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐久性評估的研究。仲偉秋等[5]結(jié)合Fick定律的泊松分布來描述氯離子侵蝕現(xiàn)象，并以港口為例進(jìn)行氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度分析。

郝曉麗[6]建立了考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性及其他因素影響的改進(jìn)氯離子擴(kuò)散模型，提出了在近海區(qū)和浪濺區(qū)等相似環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度的建議值。吳瑾等[7]將混凝土表面氯離子含量和保護(hù)層厚度作為隨機(jī)變量，將擴(kuò)散系數(shù)作為隨機(jī)過程，在傳統(tǒng)的Fick第二定律的基礎(chǔ)上提出了氯離子含量分布的隨機(jī)模型。針對沿海變電站工程的特殊性，耐久性評估需要考慮雜散電流對氯離子擴(kuò)散的加速作用。

目前，考慮氯鹽-雜散電流雙重作用的耐久性評估研究報(bào)道較少。本文首先調(diào)研了某變電站的耐久性問題，檢測了混凝土保護(hù)層厚度以及氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)等耐久性指標(biāo)；然后，根據(jù)檢測結(jié)果，擬合得到該變電站服役條件下的實(shí)際氯離子擴(kuò)散系數(shù)，運(yùn)用Fick第二定律評估其耐久性；最后，提出了針對沿海已建變電站耐久性措施的建議。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測

對浙江省舟山市某220 kV變電站土建結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行工程調(diào)研，發(fā)現(xiàn)雖然該變電站服役不足2 a，在主變混凝土隔墻、混凝土屋面、室內(nèi)混凝土墻柱和線路電纜室等部位均已發(fā)現(xiàn)可見銹坑、銹脹裂縫、保護(hù)層剝落等耐久性問題?；诖?，檢測了混凝土保護(hù)層厚度、氯離子含量及分布等耐久性指標(biāo)。

1.1 混凝土保護(hù)層厚度檢測

依據(jù)JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》采用混凝土鋼筋檢測儀檢測土建結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度。主變基礎(chǔ)人字柱，消防室獨(dú)立柱和電纜室基礎(chǔ)檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土保護(hù)層厚度測試結(jié)果示意

由圖1可知，主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨(dú)立柱和電纜室基礎(chǔ)的實(shí)際檢測的最薄弱處保護(hù)層厚度分別為13、28、11 mm，而設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度分別為25、45、45 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，各土建構(gòu)件的實(shí)際保護(hù)層厚度均存在明顯低于設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度的情況。

1.2 氯離子含量及分布檢測

氯離子含量檢測依據(jù)JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，評價(jià)指標(biāo)為氯離子在膠凝材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各構(gòu)件的檢測結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，雖然該變電站的服役年限較短，室外結(jié)構(gòu)如主變基礎(chǔ)人字柱由于受鹽霧、雨水等侵蝕，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層表面氯離子含量較高。

2 土建結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測及分析

2.1 變電站耐久性壽命預(yù)測關(guān)鍵參數(shù)確定

對于處于沿海環(huán)境干濕交替區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，Duracrete[8]提出的經(jīng)驗(yàn)方法認(rèn)為，在0～Δx（Δx為對流區(qū)深度）范圍內(nèi)的對流擴(kuò)散區(qū)域中主要發(fā)生由孔隙液流動(dòng)造成的氯離子對流，而在其余區(qū)域內(nèi)以氯離子含量擴(kuò)散作為主要滲透方式，在純擴(kuò)散區(qū)域（即：x≥Δx），氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為可以用Fick第二定律[9]描述〔式（1）〕：

式中：erf(·)——高斯誤差函數(shù)；

x ——距混凝土表面的深度；

C0——混凝土初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Cs——混凝土10 a穩(wěn)定期表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Dapp——表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

假定混凝土中的初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0；根據(jù)已有研究[10]，Δx可取為10 mm；對于處于地上大氣區(qū)的主變基礎(chǔ)人字柱，其10 a穩(wěn)定期的表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可取0.9%，對于處于室內(nèi)潮濕環(huán)境的電纜室基礎(chǔ)和消防室獨(dú)立柱，其10 a穩(wěn)定期的表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可取0.8%[10]；根據(jù)DB33/T 1128—2016《浙江省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)閾值取為0.15%。

式（1）中，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dapp反映了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度，與混凝土材料性質(zhì)以及服役環(huán)境有關(guān)。表1為基于氯離子擴(kuò)散的主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨(dú)立柱、電纜室基礎(chǔ)的壽命分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)部位 Dapp/（mm2·a-1）設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度/mm 60 a所需厚度/mm實(shí)際最薄弱保護(hù)層厚度/mm構(gòu)件實(shí)際壽命/a是否滿足要求主變基礎(chǔ)人字柱 186.05 25 24.4 13 3.8 不滿足消防室獨(dú)立柱 319.30 45 43.0 28 6.6 不滿足電纜室 基礎(chǔ) 271.93 45 37.5 11 2.7 不滿足

2.2 主變基礎(chǔ)人字柱的壽命分析

主變基礎(chǔ)人字柱的壽命預(yù)測過程如圖3所示。主變基礎(chǔ)人字柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護(hù)層厚度為24.4 mm，而在最薄弱保護(hù)層厚度13.0 mm下的實(shí)際耐久性壽命僅為3.8 a。

2.3 消防室獨(dú)立柱的壽命預(yù)測分析

消防室獨(dú)立柱的壽命預(yù)測過程及結(jié)果如圖4所示。消防室獨(dú)立柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護(hù)層厚度為43 mm，按照實(shí)際最薄弱保護(hù)層厚度28 mm來計(jì)算，實(shí)際的耐久性壽命為6.6 a。

2.4 電纜室基礎(chǔ)的壽命預(yù)測分析

電纜室基礎(chǔ)的壽命預(yù)測過程如圖5所示。電纜室基礎(chǔ)保證使用壽命60 a所必需的最小保護(hù)層厚度為37.5 mm，而按最薄弱保護(hù)層厚度11.0 mm來計(jì)算，實(shí)際耐久性壽命僅為2.7 a。

2.5 分析結(jié)果

通過對實(shí)測的氯離子含量分布曲線進(jìn)行擬合，可得到變電站實(shí)際服役條件下的Dapp，參見表1。從表1可以看出，各處的Dapp差別較大，一方面是由于各部位所用混凝土材料不同，另一方面可能是由于各處雜散電流的影響不同。

根據(jù)壽命預(yù)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案中各土建構(gòu)件的保護(hù)層厚度能滿足60 a設(shè)計(jì)使用壽命的要求。然而，實(shí)際工程中由于存在保護(hù)層偏差，實(shí)際檢測的最薄弱處的保護(hù)層厚度均明顯低于設(shè)計(jì)的保護(hù)層厚度，造成了局部薄弱區(qū)的出現(xiàn)。為保證土建部分60 a的設(shè)計(jì)使用壽命，需要及時(shí)采取相應(yīng)的耐久性措施，如增補(bǔ)混凝土保護(hù)層厚度、涂敷防腐涂料或電化學(xué)修復(fù)等。

3 結(jié)語

1）對沿海環(huán)境下某220 kV變電站土建結(jié)構(gòu)的耐久性劣化情況進(jìn)行工程調(diào)研及檢測發(fā)現(xiàn)，雖然服役時(shí)間不足2 a，變電站土建部分已出現(xiàn)了鋼筋銹蝕、混凝土開裂剝落等耐久性問題；外界環(huán)境作用導(dǎo)致混凝土保護(hù)層表層氯離子含量較高，是鋼筋銹蝕的主要原因。

2）主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨(dú)立柱及電纜室基礎(chǔ)等土建構(gòu)件實(shí)測耐久性指標(biāo)及分析結(jié)果顯示，各構(gòu)件最小的保護(hù)層厚度分別為13、28、11 mm，對應(yīng)的實(shí)際耐久性壽命分別為3.8、6.6、2.7 a，遠(yuǎn)不滿足耐久性要求。

3）混凝土保護(hù)層厚度對壽命的影響極大，較小的誤差就會(huì)導(dǎo)致耐久性壽命的顯著降低，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土保護(hù)層的厚度。