納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料在油田灘?；炷翗?gòu)筑物耐久性防護中的應(yīng)用

李 新 李松林 吳懷國

(1.勝利油田分公司地面工程建設(shè)監(jiān)督中心，山東 東營 257051；2.北京易晟元環(huán)保工程有限公司，北京 100020)

1 前 言

勝利油田自20世紀70年代開始勘探、開發(fā)灘海油田區(qū)塊，為保障采油廠安全生產(chǎn)，陸續(xù)建設(shè)了防潮海堤、排澇站等灘海混凝土構(gòu)筑物，為實現(xiàn)該油田區(qū)域長期穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。海堤能夠防止海水進入后方陸地，使其保護范圍內(nèi)的灘海油田成為完全的陸地開發(fā)，降低鉆井、地面工程建設(shè)及后期維護成本保障，保證日常原油生產(chǎn)不受潮汐影響，并保護油田內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全。

受黃河入海口地區(qū)灘海復(fù)雜自然環(huán)境影響，鹽害、凍融、碳化、微生物侵蝕等病害給混凝土構(gòu)筑物耐久性帶來極大的損傷，混凝土構(gòu)筑物老化問題日益嚴重，特別是面對暴雨、臺風、大潮等極端惡劣天氣，安全事故的隱患增大，嚴重影響油田的正常生產(chǎn)。歷年來投入了較大的資金和人力成本用于對防潮海堤的修建和搶險加固。目前海堤面臨的主要問題有如下幾個方面：

一是堤腳沖刷問題：海堤普遍存在堤前及堤腳沖刷問題，由于堤腳沖刷引起的基礎(chǔ)、護坡破壞的情況，占總破壞數(shù)的10%左右。盡管比例不大，但如果海堤堤腳、堤前灘地缺乏保護，會導(dǎo)致潮水的沖刷更嚴重，進而造成堤坡大量的脫落、護坡大面積的崩塌和決口跨堤等災(zāi)害事故發(fā)生。

二是灘海復(fù)雜環(huán)境條件下混凝土逐漸劣化破壞問題：從海堤檢測統(tǒng)計結(jié)果來看，迎水面護坡混凝土及防護混凝土塊體腐蝕破壞方式和破壞程度隨所處的位置不同而有所差異。在水位變化區(qū)、浪濺區(qū)的混凝土，由于干濕交替，引起表層凍融開裂和剝落、藻類和殼類等微生物附著加劇、鹽類在混凝土毛細孔中結(jié)晶膨脹造成脹裂破壞；全部暴露于空氣中的上部混凝土，因二氧化碳、氯離子進入混凝土孔隙引起混凝土表層質(zhì)量下降進而破壞，海堤現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 油田灘?；炷翗?gòu)筑物耐久性問題現(xiàn)場照片

混凝土構(gòu)筑物的耐久性和延壽技術(shù)是混凝土技術(shù)重要方向之一，尤其過去三十年是我國各領(lǐng)域基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展階段，也是水泥粉磨技術(shù)提高、混凝土技術(shù)快速發(fā)展和工程耐久性問題突出的階段。國內(nèi)外對于混凝土構(gòu)筑物的耐久性研究，主要分為兩個方面：一是混凝土配合比技術(shù)研究，包括低熱水泥、膠凝材料多摻技術(shù)、外加劑及特種外摻劑技術(shù)研究等；二是混凝土構(gòu)筑物表面防護和修復(fù)技術(shù)研究?；炷僚浜媳燃夹g(shù)是混凝土耐久性的根本保障，表面防護和修復(fù)技術(shù)是實際工程中混凝土延壽必不可少的措施。

混凝土是多相多組分、微細孔隙材料，混凝土現(xiàn)場施工管理、硬化特性、綜合力學(xué)性能特點、實際工程所處的復(fù)雜自然環(huán)境條件影響等因素，導(dǎo)致混凝土不可避免地存在不同程度上的耐久性問題。實際工程中混凝土的結(jié)構(gòu)強度很容易達到設(shè)計要求，然而其耐久性和預(yù)期使用壽命卻往往難以達到設(shè)計目標，在工程運行十幾年后就會出現(xiàn)不同程度的耐久性問題。因此，混凝土構(gòu)筑物耐久性和延壽技術(shù)顯得尤為重要。

2 傳統(tǒng)混凝土構(gòu)筑物表面耐久性防護技術(shù)局限性

目前，應(yīng)用較廣泛和代表性的混凝土表面耐久性和延壽技術(shù)主要有使用環(huán)氧樹脂涂料[3]、聚脲涂料[4]、聚合物水泥防水涂料、水泥基滲透結(jié)晶材料等，被稱為“貼皮式”表面涂層覆膜類防護技術(shù)。

2.1 “貼皮式”涂層與基底混凝土間持久、穩(wěn)定黏結(jié)性問題

很多工程混凝土界面始終是處于潮濕狀態(tài)或未絕對干燥狀態(tài)，要實現(xiàn)界面間的“永久、可靠、一體性黏結(jié)”十分困難。因為在自然界不同復(fù)雜環(huán)境、溫度影響下，涂層與基底混凝土的熱穩(wěn)定性差異會在黏結(jié)界面形成較大的內(nèi)應(yīng)力，并隨著自然界復(fù)雜的氣溫變化逐漸增大，致使界面的黏結(jié)力急劇下降；同時由于混凝土內(nèi)部的水分會隨著自然界的氣溫變化，逐漸向混凝土表面遷移、溢出，在受到“貼皮式”涂層的密封保護下，界面處產(chǎn)生較大的往外“膨脹性”內(nèi)應(yīng)力，容易造成“貼皮式”涂層與混凝土界面黏結(jié)作用失效，出現(xiàn)局部脫空、鼓包問題。

2.2 “貼皮式”涂層本體經(jīng)受自然界紫外光的老化降解和長期水解問題

“貼皮式”涂層基本都是有機高分子材料，不可避免地存在紫外光老化降解和長期水解等問題，以致“貼皮式”涂層本體碎裂、起皮等，迅速失去對混凝土構(gòu)筑物整體性防護功能。

3 新型納米混凝土構(gòu)筑物表面耐久性防護技術(shù)研發(fā)

納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料采用特殊納米材料工藝技術(shù)制備，硅酸鹽水溶液中的硅酸鹽溶膠粒子粒徑在10～50nm范圍內(nèi)，溶液黏度較水略高，能有效滲透、遷移到混凝土表層40～70mm深度，與混凝土內(nèi)部微細裂隙、毛細孔隙、界面孔隙等內(nèi)部的鈣溶液反應(yīng)生成C-S-H凝膠，有效提高混凝土表層一定深度范圍內(nèi)的密實度和表面強度，實現(xiàn)“混凝土表層趨向天然石材的特性”(混凝土的真正意義也就是期望混凝土能如同石材一樣密實)，從而達到根本性地恢復(fù)和提高混凝土表層綜合耐久性和延壽目的，較大程度上提高和改善混凝土的抗凍融、抗碳化、抗?jié)B溶蝕、抗氯離子滲透、抗冰凌拉拔、抑制菌藻生長、耐酸堿腐蝕、抗磨蝕性能等。同時，滲透和遷移到混凝土內(nèi)部未反應(yīng)的納米粒子，其在后期長時間內(nèi)仍保持活性，在混凝土出現(xiàn)新的微細裂縫缺陷時，能再次反應(yīng)及時自愈，恢復(fù)混凝土微觀結(jié)構(gòu)整體性，保持混凝土優(yōu)異的耐久性，實現(xiàn)混凝土延壽[6]。這種革新性防護技術(shù)被譽為“筋骨式”防護，與只在混凝土表面起失水自結(jié)晶作用的一般性硅酸鹽水溶液(僅僅用作混凝土表面的養(yǎng)護劑和保水劑)不同，活性納米粒子不僅具有優(yōu)異的遷移和滲透性能，還具有長期的反應(yīng)結(jié)晶活性，在混凝土構(gòu)筑物出現(xiàn)新的微細孔隙時，滲透在混凝土內(nèi)部的未反應(yīng)完的活性納米粒子會繼續(xù)遷移滲透到新的微細孔隙中，并較快速地反應(yīng)修復(fù)微細孔隙缺陷，保障了混凝土的耐久性。圖2為納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料應(yīng)用于混凝土耐久性防護的作用機理。

圖2 納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料的作用原理

為系統(tǒng)性研究納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料對混凝土耐久性防護的效果，中國水利水電科學(xué)研究院、中國建筑科學(xué)研究院、交通部公路科學(xué)研究院等單位分別進行了大量的試驗測試工作，結(jié)果見表1。從表1的試驗研究結(jié)果可以看出納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料對C40混凝土澆筑后的塑性階段表面開裂性、早期干縮率有非常大的改善，硬化后的混凝土表面吸水率、抗?jié)B性能、抗凍融性等綜合耐久性能也提高很大，說明該技術(shù)對混凝土建筑物從開始澆筑到完全硬化能夠一體化、系統(tǒng)性地提高耐久性，更符合對實際工程混凝土建筑物延壽的有效作用。

表1 納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料應(yīng)用于C40混凝土后的綜合耐久性改善結(jié)果

表2分別從施工措施、基底處理、施工后的養(yǎng)護要求、防護材料本體耐久性、施工耗時等方面，對比了“貼皮式”涂層防護材料技術(shù)與納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料防護技術(shù)的各自性能特點，從各項性能的定性對比來看，納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料防護技術(shù)具有非常明顯的綜合技術(shù)優(yōu)勢。

表2 油田灘海混凝土構(gòu)筑物延壽技術(shù)常用材料對比

4 納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料防護技術(shù)在油田灘?；炷翗?gòu)筑物中應(yīng)用效果分析

勝利油田灘?；炷翗?gòu)筑物所處自然環(huán)境相對比較惡劣，大風、鹽堿、冬季氣溫低等嚴重影響混凝土構(gòu)筑物的耐久性和有效使用壽命，很多油田灘海混凝土構(gòu)筑物出現(xiàn)耐久性破壞問題，為確保油田灘海石油設(shè)施及其他設(shè)施的安全性，每年都需要投入較多資金對油田灘?；炷翗?gòu)筑物進行維修防護或重建，如防浪堤、灘海抽水閘壩等。為有效考察不同防護材料技術(shù)在油田灘?；炷两ㄖ途眯苑雷o中的應(yīng)用效果，分別進行了環(huán)氧涂料、聚脲涂料、水泥基滲透結(jié)晶材料和納米硅酸鹽滲透結(jié)晶型防護材料在擋浪墻迎水面應(yīng)用的試驗研究，其中水泥基滲透結(jié)晶材料厚度5～10mm，環(huán)氧涂層和聚脲涂層厚度約1～2mm。

試驗研究方法：在室內(nèi)制作平行試驗試塊，分別按照抗凍融性、表面黏結(jié)強度、氯離子滲透性、抗壓強度變化等性能測試，每種材料的每個性能測試及對應(yīng)的空白試塊均至少有三個平行試塊，試塊與擋浪墻澆筑混凝土均來自攪拌站，并同時成型于海堤，每天灑水2～3次進行養(yǎng)護，達到28d齡期后，施加各種防護材料，然后放置于油田灘海海堤浪濺區(qū)，分別進行了放置6個月及12個月后的性能試驗研究(從11月到來年11月，經(jīng)歷一個冬季和一個夏季)。試驗結(jié)果見表3，試驗試塊現(xiàn)場存放現(xiàn)狀見圖3、圖4。

圖3 混凝土防護修復(fù)材料施工3個月后鼓包和開裂照片

圖4 混凝土防護修復(fù)材料試驗試塊在油田灘海自然環(huán)境中放置現(xiàn)場情況

表3 不同種類混凝土防護材料在油田灘海環(huán)境中耐久性能變化情況

從表3可以看出，“貼皮式”類防護材料在復(fù)雜的灘海環(huán)境條件下的表面黏結(jié)性能下降很大，說明其界面抗老化性能存在缺陷，這也是“貼皮式”防護技術(shù)的不足，這方面的國內(nèi)外實驗性研究尚不多，有關(guān)界面黏結(jié)老化的評價方法也欠缺，在實際工程應(yīng)用中只有界面黏結(jié)強度數(shù)值，而沒有界面黏結(jié)長時間的耐老化性能數(shù)值。

隨后在油田灘海2003年建成的防護堤擋浪墻迎水面分別進行了四種防護修復(fù)材料的應(yīng)用，各應(yīng)用10m長度。施工后3個月后，“貼皮式”涂層防護材料均出現(xiàn)不同程度的表面開裂、涂層與基底混凝土間脫空等現(xiàn)象(見圖5)。

圖5 “貼皮式”涂層防護修復(fù)材料施工3個月后鼓包和開裂情況

通過對比室內(nèi)試驗和現(xiàn)場局部應(yīng)用試驗效果后，決定采用納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料作為海堤混凝土構(gòu)筑物防護、修復(fù)材料，并在2019年海堤加固工程中對擋浪墻、柵欄板護坡、戧臺等部位進行防護性大面積應(yīng)用，施工面積為1500m2，現(xiàn)場施工情況見圖6。施工6個月后對試驗區(qū)域鉆芯取樣送往第三方權(quán)威檢測機構(gòu)進行系統(tǒng)性耐久性測試，測試結(jié)果為：混凝土碳化深度減少60%、氯離子遷移系數(shù)減低40%、抗壓強度提高12.4%、抗沖磨強度提高1.4倍、抗?jié)B等級由W6升至W10以上。說明納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料在勝利油田灘海復(fù)雜惡劣環(huán)境下對混凝土構(gòu)筑物具有優(yōu)異的防護性能，適合于油田灘海環(huán)境下混凝土構(gòu)筑物的耐久性和延壽防護，具有推廣應(yīng)用價值。

圖6 油田灘?；炷两ㄖ锛{米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料延壽防護應(yīng)用現(xiàn)場情況

5 結(jié) 語

混凝土構(gòu)筑物表面耐久性和延壽防護是混凝土工程領(lǐng)域一個不斷發(fā)展的重要研究方向。納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料技術(shù)作為混凝土構(gòu)筑物表面耐久性和延壽防護的一種革新性技術(shù)，在對混凝土表面防護作用機理、防護材料的環(huán)保性、基底施工措施要求、防護本體耐久性等方面，比傳統(tǒng)的“貼皮式”涂層防護技術(shù)具有非常大的優(yōu)越性和先進性。室內(nèi)系統(tǒng)性的試驗研究表明，使用納米硅酸鹽滲透結(jié)晶材料對混凝土的綜合耐久性，如表面抗開裂性、早期收縮率、抗凍融性、抗碳化侵蝕、表面吸水率、抗?jié)B性、表面回彈強度等方面都有較大的改善和提高。在油田灘海惡劣的自然環(huán)境下，分別進行了與不同種類“貼皮式”涂層防護材料現(xiàn)場試塊放置對比性試驗研究和大面積應(yīng)用對比性實驗研究，結(jié)果都表明納米硅酸鹽滲透結(jié)晶防護材料具有優(yōu)異的混凝土表面耐久性防護作用和延壽效果，具有非常大的推廣應(yīng)用價值。