三元前驅體車間鋼筋混凝土地坪的腐蝕與防護

肖培勝 章春明

（1. 華友新能源科技（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000；2. 浙江浙防防腐工程有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

受益于“碳達峰、碳中和”政策的支持，作為新能源汽車動力電池正極材料的三元前驅體材料市場前景廣闊。以某公司為代表，一大批三元前驅體建設項目陸續(xù)上馬。項目建設要求質量高、工期短，但常規(guī)的工業(yè)地坪不能滿足三元前驅體車間的使用需求，特別是防腐蝕方面。因此，必須設計有針對性的地坪防護方案，滿足項目建設和運行維護的使用要求。

1 腐蝕介質與腐蝕機理

1.1 腐蝕介質

某公司三元前驅體材料生產工藝過程是以硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸錳為原料，經過金屬液配置、合成、溢流/中轉、過濾洗滌、干燥、混料、篩分及除鐵等工序，生產出鎳鈷錳氫氧化物NixCoyMn(1-x-y)（OH）2（鎳鈷錳的比例根據實際需要進行調整），用于制造高性能動力鋰電池正極材料。三元前驅體車間采用鋼筋混凝土框架結構，使用現澆鋼筋混凝土地面、樓板。

簡要工藝流程及生產過程引入、生成物質情況如圖1所示。

圖1 三元前驅體工藝流程

其中：液堿濃度32%，硫酸濃度98%并稀釋至5%～10%，氨水濃度10%～20%；硫酸銨、硫酸鈉是生產過程中新生成的物質。

針對以鋼筋混凝土結構為主的三元前驅體車間，以上幾種物質是主要腐蝕介質。

1.2 腐蝕機理

根據三元前驅體車間存在的主要腐蝕介質劃分，鋼筋混凝土地坪受到的腐蝕類型可以分為硫酸鹽對混凝土的腐蝕、強酸堿對混凝土腐蝕以及鋼筋受到腐蝕等。

1.2.1 硫酸銨對混凝土的腐蝕

相比硫酸鎳、硫酸錳、硫酸鎳、硫酸鈉等硫酸鹽溶液，硫酸銨對混凝土的腐蝕性的腐蝕危害最大。硫酸銨溶液呈酸性，能夠與混凝土中Ca（OH）2發(fā)生反應，生成可溶性鹽，使混凝土結構發(fā)生破壞。其反應過程如下：

1.2.2 硫酸鈉對混凝土的腐蝕

硫酸鈉對混凝土的腐蝕以結晶膨脹腐蝕為主。由于混凝土結構存在很多毛細空隙，腐蝕介質接觸混凝土后滲入毛細孔隙內結晶并發(fā)生吸水膨脹，導致混凝土結構發(fā)生表層疏松、結構開裂、鋼筋裸露等不同程度的破壞，使鋼筋混凝土受到腐蝕，影響結構強度和耐久。 經實驗驗證，由Na2SO4到Na2SO4·10H2O的晶變體積膨脹系數達到331%[1]。

1.2.3 強酸堿對混凝土的腐蝕

硫酸對混凝土的腐蝕與硫酸銨的腐蝕類型相同，屬于化學溶蝕，使混凝土受到溶解破壞。其反應過程如下：

由于混凝土本身屬堿性物質，一般情況下液堿對混凝土的腐蝕較小，但當液堿的濃度大于20%[2]，液堿對混凝土的腐蝕作用會逐漸加大，特別是結構本身不密實的混凝土。液堿滲入混凝土與空氣中CO2反應生成Na2CO3，Na2CO3容易結晶吸水導致混凝土發(fā)生結晶膨脹腐蝕。其反應過程如下：

1.2.4 鋼筋的腐蝕

受混凝土的握裹和保護層的屏蔽隔離作用，鋼筋混凝土中發(fā)生腐蝕的可能性較小，但如果混凝土保護層受到破壞，一旦鋼筋直接接觸腐蝕介質或暴露于腐蝕環(huán)境中，所發(fā)生的腐蝕后果是極其嚴重的。受鋼筋銹蝕產物體積膨脹影響，混凝土對鋼筋的握裹能力下降并沿銹蝕方向發(fā)生開裂和斷裂，大幅度降低混凝土結構的強度和樓板承載力。鋼筋在這種環(huán)境的腐蝕行為可以總結為電化學腐蝕和化學腐蝕共同作用的結果。其反應過程如下：

如果接觸泄露的酸堿鹽腐蝕等腐蝕介質，腐蝕微電池離子濃度提升使腐蝕電路電阻降低，會加速電化學腐蝕的進程；同時，硫酸會溶解鋼筋表面已生成的氧化膜并溶蝕鋼筋，進一步加劇鋼筋的腐蝕。其反應過程如下：

調試、生產、檢維修過程中跑冒滴漏等異常情況時有發(fā)生，三元前驅體車間建筑樓地面地坪面臨的腐蝕風險極大。根據以往的經驗看，腐蝕產生的后果影響了生產正常運行，甚至需要停工停產檢修。因此，對鋼筋混凝土地坪采取合理的腐蝕防護措施是必要的，項目建設階段的方案設計尤為 重要。

2 防護措施

2.1 設計原則

合理的結構設計如提升混凝土強度等級、增加混凝土鋼筋保護層厚度、使用粉煤灰硅酸鹽水泥等，施工方面如降低水灰比、保證混凝土密實度都能顯著提升鋼筋混凝土的在特定條件下的耐腐蝕和耐久性能。另外，設計防腐蝕地坪，通過附加屏蔽隔離腐蝕介質的方式達到防腐蝕的目的，是石油化工行業(yè)建筑防腐蝕的常用做法。

不同于一般工業(yè)建筑樓地面的腐蝕防護，三元前驅體車間對潔凈度要求比較高。因此，其車間地坪不僅能夠耐腐蝕，還要求表面光潔、易清理；同時，針對重點部位如酸堿區(qū)、重載區(qū)還要設計與使用環(huán)境相匹配的防腐方案。根據《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》要求，建筑樓地面面層腐蝕防護材料的選擇應根據腐蝕介質的類別及作用情況、防護使用年限和使用過程中對面層材料耐腐蝕性能和物理力學性能的要求[3]，結合施工、維修的條件，綜合以上因素確定具體的防護措施，這是三元前驅體車間地坪防腐方案設計的基本原則。

2.2 三元前驅體車間地坪方案

參照三元前驅體車間工藝特點和具體的腐蝕防護要求，可以將車間分成濕法區(qū)、干法區(qū)、重載區(qū)、酸堿配置區(qū)等不同區(qū)域，分別設計與之相匹配的地坪方案。根據本人多年防腐蝕工程施工與技術管理工作經驗，結合《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》相關要求，總結了一套適用于三元前驅體車間建筑樓地面防腐蝕方案，具體地坪構造如表1所示。

表1中，相關樹脂采用環(huán)氧樹脂E44和雙酚A型乙烯基酯樹脂，各構造層用料及厚度參照相關防腐蝕施工規(guī)范要求，此處不再闡述。

2.3 環(huán)氧砂漿自流平地坪

不同于普通環(huán)氧自流平施工工藝，表1中環(huán)氧砂漿自流平地坪增加了砂漿找平層和FRP隔離層。借鑒瀝青路面中透層、粘層和封層的構造劃分，我們將環(huán)氧砂漿自流平地坪劃分為透層、粘層、功能層、封層等構造層，以便區(qū)分和識別。

表1 三元前驅體車間防腐蝕地坪方案

環(huán)氧樹脂砂漿找平層和環(huán)氧樹脂FRP隔離層是對普通環(huán)氧地坪的加強和改造，提升了抗?jié)B、抗裂和綜合防腐功能，使之能夠滿足三元前驅體車間復雜工況環(huán)境的使用要求，且能夠達到長效防腐的 目的。

表2 三元前驅體車間的環(huán)氧砂漿自流平地坪構造表

2.4 施工技術要求

“三分料、七分工”，施工質量是防腐蝕工程質量的重要保障。在防腐蝕地坪施工過程中需嚴格遵守《建筑防腐蝕工程施工質量驗收規(guī)范》等國家標準規(guī)范的相關施工技術要求。需要指出一點，也是在實際應用過程中容易忽視的地方，即混凝土基層質量的控制。在地坪防腐施工前，嚴格的混凝土基層質量驗收是防腐蝕地坪質量控制的前提，要確?；炷粱鶎訌姸?、密實度、平整度等符合設計要求，深度20mm范圍內水分測試不大于6%。如達不到上述要求，則防腐蝕地坪容易出現空鼓、開裂、脫層等質量缺陷，使防腐層失去腐蝕防護的作用。

3 結語

鋼筋混凝土的“五倍定律”，即對新建項目在鋼筋防護方面，每節(jié)省1美元，則發(fā)現鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元，混凝土開裂時多追加維護費用25美元，嚴重破壞時多追加維護費用125美元。“五倍定律”的經驗總結說明了混凝土耐久性對后期使用維護成本的重要程度，特別是設計方案對整個使用周期的重要性。三元前驅體車間鋼筋混凝土樓地面的腐蝕防護問題不容忽視，在大干快上的項目建設過程中一定要引起充分的重視。同時，我們也要認識到，沒有一種防腐蝕措施是萬能的，要根據使用環(huán)境和腐蝕介質的不同，因地制宜選擇合適的方案，才能確保建筑結構耐久和使用安全。