濱海風電風機基礎防腐蝕研究

陳加興 萬 鑫

(1.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014;2.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙 410014)

1 概述

我國東部沿海地區風能資源豐富，規模開發條件良好，同時該地區經濟發達，隨著常規能源的日益緊缺，在濱海地區開發風電的重要性日益加強。國家近年來也在大力加強對該地區風電場的投資建設，但由于發展時間較短，在濱海地區風機基礎設計中仍有一些問題迫切需要解決，其中很重要的并且普遍存在的是基礎混凝土防腐蝕處理問題。

2 工程地質

濱海風電場多位于淺海灘涂地區，場區地層多為沉積層，主要為粉砂、細砂層及粉質粘土層，部分夾有軟弱粉土層。場區沉積土層深厚，承載力一般較低，結構較為松散。基巖埋藏較深，一般達數百米。地下水位埋藏很淺，受潮汐影響較大。場區地下水、海水對混凝土結構具有一定的腐蝕性、對鋼筋混凝土中的鋼筋在干濕交替環境下具有較強的腐蝕性。

東凌風電場工程位于江蘇省如東縣東部東凌港以北的灘涂地區，區域地貌上屬長江三角洲堆積平原的近代海積平原，共安裝47臺風機，其中42臺位于海邊大堤內圍墾區(大堤建成兩年)，另外5臺風機位于堤外海灘上，受海水影響。工程區鹽堿嚴重，堤內場區雖受大堤保護，但在清晨仍可見地面上一層鹽霜，堤外場區則直接與海水接觸。

本地區地下水、海水pH值為7.9～8.59，屬弱堿性水;總礦化度為15 252 mg/L～15 912 mg/L，屬高礦化水;侵蝕性CO2含量為0.0 mg/L ～6.2 mg/L。Cl－含量為8 378 mg/L ～8 693 mg/L，其次是，含量為1 119 mg/L～1 132 mg/L，HCO3－含量為252 mg/L～287 mg/L。Mg2+含量為623 mg/L～716 mg/L，NH4+含量為0.772 mg/L～3.51 mg/L。水質分析成果表明工程區地下水、海水對混凝土結構具弱腐蝕性;對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在長期浸水環境下具弱腐蝕性、在干濕交替環境下具強腐蝕性。

3 腐蝕破壞機理

濱海地區風機基礎所處的環境比較惡劣，主要有以下幾方面影響因素:

1)土壤中含有大量對混凝土起破壞作用的氯離子、硫酸根離子、金屬離子等;

2)近海地區風速較大，混凝土表面干濕交替較快，特別是對于處于漲潮區與浪濺區的風機基礎，每天的干濕交替，使混凝土表面出現鹽結晶，加速了土壤和海水對混凝土的腐蝕速度，使混凝土的老化速度加快，服役年限減少;

3)華東地區處于微凍地區，冬季夜間溫度在0℃以下，白天溫度在0℃以上，使混凝土處于凍融循環環境。在這種環境下，混凝土表面防腐層容易起泡、剝落，加速了土壤和海水對混凝土的腐蝕速度，使風機基礎使用壽命大大減少;

4)近海地區鹽霧中含有氯離子、硫酸根離子、金屬離子等，會對暴露在空氣中的風機基礎產生腐蝕，加速風機基礎老化;

5)空氣中的二氧化碳，對混凝土表面起碳化作用，使表面疏松，加速氯離子、硫酸根離子、金屬離子侵蝕速度。

濱海地區風機基礎處于這種特殊環境中，當上述5種因素相互疊加對風機基礎混凝土產生共同作用時，如果不采取相應的防腐蝕措施，混凝土的腐蝕速度會大大加快，風機基礎后期維修加固費用增加，且風機基礎使用年限劇減。

濱海地區特殊環境對風機基礎混凝土產生腐蝕的破壞機理主要包括:

1)氯離子侵蝕引起混凝土內部鋼筋銹蝕。近海地區海水、土壤、大氣中含有大量的氯離子，氯離子通過擴散作用，向混凝土內部滲透，滲透進混凝土內部的氯離子，對破壞鋼筋表面的氧化膜有特殊能力，產生可溶性的鐵——氯化鐵，導致多孔鐵銹的沉淀和氯的釋放而不斷侵蝕，從而引起混凝土內部鋼筋生成含水氧化鐵(鐵銹)，鐵銹產生的膨脹反應會導致銹蝕鋼筋上部的混凝土產生開裂和剝落，嚴重影響建筑物正常使用和服役年限。主要反應過程如下:

2)硫酸鹽腐蝕。近海地區海水、土壤、大氣中含有大量的硫酸根離子，硫酸根離子通過擴散作用，向混凝土內部滲透，硫酸根離子與水化產物單硫型鋁酸鹽反應，形成大體積的鈣礬石，反應后，體積增加約55%，引起漿體內部體積膨脹，并同時產生內應力，最后導致混凝土開裂和剝落。其主要反應過程如下:

此外，硫酸鹽腐蝕還包括硫酸鎂腐蝕、硫酸銅腐蝕等。

3)滲濾和鹽霜。當混凝土表面受干濕交替作用時，混凝土表面常出現鹽霜，這表明在混凝土內部發生滲濾，會導致孔隙率增加，從而降低混凝土強度并加快侵蝕物質的入侵速度，加速建筑物破壞。

4)鹽類結晶。當混凝土與含大量鹽類的海水、土壤接觸時，這些鹽類會滲入混凝土，經過蒸發、濃縮而在孔內結晶，如此反復或連續蒸發，將引起鹽的沉積而造成混凝土表面開裂和剝落，特別是在水位變化區、干濕交替區，這種破壞最為明顯。

5)凍融破壞。混凝土屬于含水的多孔材料，在凍融循環的作用下，混凝土易發生開裂和表層剝落，引起混凝土腐蝕速度加快。

4 防腐蝕措施

風機基礎混凝土結構的設計壽命要求一般為20年～25年。而現實中，處于腐蝕環境中的混凝土遠遠達不到設計壽命要求，有的在10年～15年就出現了鋼筋銹蝕破壞，甚至有些不足5年就需要開始修復。對腐蝕破壞的混凝土進行加固修復所需要的花費是巨大的，已經成為一個重大的經濟問題。因此，對濱海地區風機基礎進行防腐蝕處理以提高混凝土結構耐久性的意義是非常顯著的。

4.1 混凝土結構防腐蝕措施

混凝土結構防腐蝕措施主要包括兩大類:基本措施和補充措施。

基本措施的基本內容是:通過優化設計與施工，最大限度地提高混凝土本身的耐久性，在使用中保持低滲透性，以限制環境侵蝕介質滲透進入混凝土，從而預防鋼筋銹蝕。研究表明，最大限度地改善混凝土本身性能，是提高混凝土結構耐久性的諸多措施中最經濟合理的。1)結構采用耐久性設計。2)提高混凝土保護層厚度和質量。3)采用高性能混凝土。

補充措施是指:環境侵蝕作用特別嚴重時，或設計、施工不當，單靠上述基本措施還不能保護混凝土結構必要的耐久性時，需要另外增加的其他防護措施。有以下幾個方面:1)采用耐腐蝕鋼筋。2)對混凝土進行表面處理。3)混凝土中摻加阻銹劑。4)電化學保護。

4.2 風機基礎混凝土防腐蝕措施

風機基礎混凝土防腐蝕處理主要從以下幾個方面進行考慮:

1)結構選型設計。

頻繁地干濕交替會加劇鋼筋銹蝕，所以在結構選型和細部設計時，應盡量限制混凝土表面、接縫和密封處積水，加強排水，盡量減少受潮和濺濕的表面積。

由于環境侵蝕介質在構件棱角或突出部分可以同時從多方面侵入混凝土，而凹入部分易積存侵蝕介質、應力異常，因此從提高混凝土結構耐久性角度出發，混凝土構件選型應力戒單薄、復雜和多棱角。因此，風機基礎混凝土承臺建議采用八邊形棱臺柱體或者圓形臺柱體。

2)裂縫控制。

混凝土交付使用時如果存在裂縫，則腐蝕介質更容易到達鋼筋表面，鋼筋銹蝕的速度將會大大加快。研究和工程實踐表明，這時鋼筋銹蝕的速度，有可能快于裸露于大氣中的鋼筋。這是由于裂縫處更易促成電化學腐蝕的發生和發展。因此，有效控制混凝土裂縫對提高混凝土耐久性也具有重要意義。

風機基礎混凝土最容易產生的是溫度縫，因此，混凝土施工過程中應該做好溫控及養護措施。東凌風電場風機基礎施工時，要求所有風機基礎混凝土澆筑時入倉溫度不大于25℃，必要時要求采取骨料預冷、散裝水泥冷卻、加冷卻水或加冰拌和等措施。混凝土內設置測溫元件，混凝土澆筑時在風機基礎混凝土內部埋設4個測溫點，混凝土澆筑完成后即開始測量混凝土內部溫度，要求混凝土內部溫差及內外溫差不大于25℃，當超過25℃時應采取混凝土溫控措施。混凝土的表面應采用防水膜保持濕潤狀態，防止雨水和溫度劇變，養護時間不少于15 d。

3)提高混凝土保護層厚度。

提高混凝土保護層厚度是提高濱海地區風機基礎鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經濟有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加。當保護層厚度過厚時，由于混凝土材料本身的脆性和收縮將會導致混凝土保護層出現裂縫，反而削弱其對鋼筋的保護作用。《風電機組地基基礎設計規范》表9.5.5規定，對于濱海地區風機基礎底部混凝土最小保護層厚度為100 mm，對于海水環境風機基礎底部混凝土最小保護層厚度為110 mm。根據設計經驗，濱海地區風機基礎底部混凝土保護層厚度可取100 mm～120 mm。

4)混凝土保護涂層。

完好的混凝土保護涂層具有阻絕腐蝕性介質與混凝土接觸、彌補混凝土多孔性的缺陷的作用，從而延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。混凝土澆筑完成28 d以后，表面涂刷防腐涂料。鑒于環氧樹脂類涂層具有較好的防護性能和耐久性，可用于較嚴酷的腐蝕環境中，且單價較為便宜，施工較為方便，防腐涂層底層可采用環氧樹脂封閉漆一遍，面層采用環氧樹脂漆(厚度不小于500 μm)。涂刷時保持混凝土表面干燥。完好的環氧樹脂漆在其有效使用年限內將能較好的保護混凝土不受腐蝕破壞。

5)采用高性能混凝土。

高性能混凝土通過采用優質混凝土礦物摻合料和新型高效減水劑復合，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實，高耐久的混凝土材料。高性能混凝土具有較高的抗氯離子滲透性，性價比較高。從提高工程安全性、可靠性和經濟性等方面考慮，在濱海地區特殊環境下，建議采用高性能混凝土。

5 處理效果

東凌風電場風機基礎混凝土采用八邊形棱臺柱體形式;混凝土強度等級為C35，抗滲等級為P8，抗氯離子滲透性不大于2 000 C;采用普通硅酸鹽水泥，對混凝土配合比進行有效控制;對混凝土采取良好的溫控和養護措施;混凝土保護層厚度為100 mm;混凝土表面涂刷環氧樹脂漆防腐涂層。單臺風機基礎混凝土防腐蝕處理費用約1.5萬元～2.0萬元。至今已安全運行4年，未出現腐蝕破壞現象。

6 結語

在濱海地區風機基礎設計中，防腐蝕處理是普遍存在的問題，但因為防腐蝕處理將提高工程造價，而部分設計人員也心存僥幸心理，因此，防腐蝕處理問題沒有得到真正有效的重視。本文認為，應充分考慮風機基礎設計中混凝土防腐蝕耐久性的重要性。風機基礎投資在整個風電場投資中僅占很小的一部分，但風機基礎卻是關系到風機能否安全穩定運行的至關重要的因素。因此在風機基礎設計中，應充分考慮防腐蝕處理，因地制宜地采用防腐蝕基本措施和補充措施，提高風機基礎混凝土的耐久性，保證風機的安全運行。

混凝土腐蝕是影響混凝土結構耐久性的重要原因。混凝土防腐蝕處理是系統的研究課題。本文結合東凌風電場風機基礎設計經驗，對濱海地區風機基礎防腐蝕處理提出一些有效措施，可供同類工程參考。

［1］甘 毅.濱海區軟土地基大型風機的基礎設計［J］.能源與環境，2006(5)：99-101.

［2］洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術［J］.工業建筑，2000(1)：6-8.

［3］李錦宏.淺談如何提高混凝土結構的耐久性［J］.城市建設理論研究，2011(12)：101-103.

［4］張寶勝，干偉忠，陳 濤.杭州灣跨海大橋混凝土結構耐久性解決方案［J］.土木工程學報，2006(6)：72-77.

［5］JTJ 275-2000，海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范［S］.

［6］FD 003-2007，風電機組地基基礎設計規定(試行)［S］.