某沿海電廠既有沉箱結構耐久性評估

龍子華，張 磊，湛 川，賈 寧

(1.國網北京市電力公司，北京 100031；2.華北電力設計院有限公司，北京 100120)

混凝土結構是目前應用最廣泛的工程結構，新建的混凝土呈高堿性，混凝土保護層可對位于其中的鋼筋形成致密的氧化物保護膜，該保護膜可以阻止氧氣和水分與鋼筋接觸，從而防止鋼筋銹蝕，因此新建的混凝土結構具有較好的耐久性，幾乎不需要維修和養護。但是我們可以發現混凝土結構的耐久性是隨著時間減弱的，并且在不同使用環境下其耐久性也是有差別的，在一般大氣環境下其耐久性可達50年以上，在海洋環境等腐蝕性較強的惡劣環境下其耐久性會大大縮短。因此當混凝土結構出現耐久性問題或混凝土結構達到設計使用年限仍擬繼續使用時，都需對其耐久性進行檢測和評估，當前混凝土結構的耐久性問題已經成為混凝土結構領域的一個熱點問題。

1 耐久性破壞的原因及機理分析

所謂混凝土結構耐久性是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部因素作用下，在設計要求的目標使用期內，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。當前的研究和工程實踐表明混凝土中的鋼筋銹蝕是導致混凝土結構耐久性破壞的最主要原因。混凝土保護層是堿性的可對位于其中的鋼筋形成致密的氧化物保護膜，只要該保護膜不破壞，鋼筋就不會銹蝕。但引起氧化物保護膜破壞的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蝕。

1.1 混凝土碳化機理

混凝土的碳化是介質與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是大氣中的CO2氣體對混凝土的作用，在工業區，其它酸性氣體如SO2、H2S等也會引起混凝土“碳化”(準確地說是中性化)。大氣中的CO2與水泥水化物中的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發生化學反應：Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O嚴格地講碳化反應不限于水泥水化物中的氫氧化鈣，在其它一些水泥水化物或未水化物中也會發生其它類型的碳化反應。但是就混凝土的碳化而論，氫氧化鈣的碳化影響最大。由于混凝土碳化的結果，混凝土的凝膠孔隙和部分毛細管可能被碳化產物碳酸鈣(CaCO3)等堵塞，混凝土的密實性和強度會因此有所提高。但是，由于碳化降低了混凝土孔隙液體的pH值(碳化后pH值≈8～10)，碳化一旦達到鋼筋表面，鋼筋就會因其表面的鈍化膜遭到破壞而產生銹蝕。

混凝土的碳化主要包括三個過程：(1)化學反應過程，混凝土的化學反應過程進行較快，反應的速度主要取決于CO2的濃度和混凝土可碳化物質的含量。(2)CO2的擴散速度，CO2可通過混凝土孔隙向混凝土內部擴散。這個過程的速度取決于CO2濃度和混凝土的孔隙結構。混凝土孔隙的結構主要受混凝土水灰比和水泥水化程度的影響。(3)Ca(OH)2的擴散，Ca(OH)2可在孔隙表面的濕度薄膜內擴散，其速度取決于混凝土的含水率和Ca(OH)2濃度梯度。

1.2 Cl－引起鋼筋銹蝕機理

當混凝土中含有Cl－時，即使混凝土的堿度還較高，鋼筋周圍的混凝土尚未碳化，鋼筋也會出現銹蝕現象。這是因為Cl－的半徑小，活性大，具有很強的穿透氧化膜的能力，Cl－吸附在膜結構有缺陷的地方，如位錯區或晶界區等，使難溶的Fe(OH)3轉變成易溶的FeCl3致使鋼筋表面的鈍化膜局部破壞。鈍化膜破壞后，露出的金屬便是活化——鈍化原電池的陽極。由于活化區小，鈍化區大，構成一個大陰極，小陽極的活化——鈍化電池，使鋼筋產生所謂的坑蝕現象。

進入混凝土中的Cl－主要有兩個來源：施工過程中摻加的防凍劑等——內摻型；環境中Cl－的滲透——外滲型。 對于海岸環境，由于海水中通常含有3%的鹽，其中主要是Cl－，約為19000 mg/L。水下部分或水位變化區的飽水部分一直接觸海水，主要是飽水混凝土里外Cl－濃度差引起的離子擴散，擴散速度在很大程度上取決于有水頭壓力作用下氯化物溶液的滲透。在海水中，即使氯化物滲透到鋼筋表面，但因為缺氧鋼筋也難以發生銹蝕。實例及經驗表明，在潮間帶，在海水干濕交替的環境作用下，Cl－對鋼筋混凝土的危害是非常大的，

2 耐久性評估

2.1 工程概況

青島某電廠一期循環水泵房位于青島市市北區(原四方區)，竣工于1992年，已投產運行近25年。現擬在老廠區域建設2套F級(430 MW)“一拖一”燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組。本期新建機組工程擬利用一期及老廠循環水泵房(含進水間沉箱)而不另行建設取水構筑物。 考慮到現有循環水泵房已運行25年，為了解循環水泵房的結構現狀，考察其結構是否滿足新建的本期機組結構使用年限匹配的耐久性要求，必須對其進行耐久性評估。循環水泵房進水間沉箱由1#～6#組成，沉箱底標高為－12.00 m，沉箱底板厚800 mm，底標高為－11.00 mm，第一節制作高度為12 m，就位后接高2.94 m；沉箱側壁厚度為1000 mm，高度為14.94 m，標高3.94 m～－1 m為現澆部分，標高－1 m～－11.0 m為沉箱部分，混凝土標號為C30。

進行結構耐久性評估,應根據需要按不同的耐久性極限狀態進行評定，耐久性極限狀態分為三種：(1)鋼筋開始銹蝕：適用于對下一個目標使用年限內不允許鋼筋銹蝕或嚴格不允許保護層銹脹開裂的構件(如預應力混凝土構件)。(2)混凝土保護層銹脹開裂：適用于對下一個目標使用年限內一般不允許出現銹脹裂縫的構件。(3)混凝土表面出現可接受的最大外觀損傷：適用于對下一個目標使用年限內允許出現銹脹裂縫和局部破損的構件。

由于循環水泵房沉箱側壁部分處于干濕交替的氯鹽環境中，判斷碳化深度對其耐久性影響時，還宜考慮Cl－通過海水滲透進混凝土對鋼筋銹蝕的影響，宜取鋼筋表面開始銹蝕作為其耐久性極限狀態。 根據混凝土結構耐久性評定標準，對于本泵房沉箱側壁需要作大氣環境下鋼筋銹蝕耐久性評定和氯鹽侵蝕環境下鋼筋銹蝕耐久性評定。

2.2 大氣環境下構件的耐久性評定

鋼筋開始銹蝕時間確定應考慮碳化速率、保護層厚度和局部環境的影響，按式(1)確定。

式中：ti為結構建成至鋼筋開始銹蝕的時間；Kk、Kc、Km分別為碳化速率、保護層厚度、局部環境對鋼筋開始銹蝕時間的影響系數。其中，碳化系數k按式 (2)計算。

式中：xc為實測碳化深度(mm)；t0為結構建成至檢測時的時間(a)。

現場測得沉箱側壁的混凝土最大碳化深度為5.0 mm，根據設計沉箱側壁保護層厚度為50 mm，由現場檢測結果可知沉箱側壁保護層厚度比設計值稍偏大，偏于安全，耐久性評估時按設計值50 mm考慮。碳化系數k為1.0,根據以上計算結果可知，分別按照《混凝土結構耐久性評定標準(CECS 220：2007)》表5.2.1－1～5.2.1－3取用。Kk、Kc、Km分別為2.27、2.67、0.68，求出沉箱側壁結構建成至鋼筋開始銹蝕的時間為62.6年，扣除已使用年限，沉箱側壁剩余耐久性年限還有37.6年。若保護層厚度為25 mm，則Kc為1.62，求出沉箱側壁結構建成至鋼筋開始銹蝕的時間為38年，剩余耐久性年限僅剩13年。由此可以看出，在同樣環境下，如果混凝土結構保護層厚度由50 mm變為25 mm，那么耐久性年限將大大減少。

2.3 Cl－侵蝕環境下構件的耐久性評定

外界環境中的Cl－通過混凝土保護層達到混凝土—鋼筋界面并逐漸積聚，使鋼筋表面孔隙溶液中Cl－濃度增大，最終大于臨界濃度(《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220：2007)第6.0.5條給出了鋼筋銹蝕Cl－臨界濃度(Cl－在水泥中的重量比)，見表1，致使鋼筋開始銹蝕。盡管Cl－在混凝土中的傳輸機理非常復雜，但擴散作用，即Cl－從濃度高的地方向濃度低的地方移動被認為是一個最主要的傳輸方式，大量的檢測結果表明Cl－的濃度可以認為是一個線性的擴散過程，符合Fick第二擴散定律。

表1 鋼筋銹蝕臨界Cl－濃度Mcr

對本泵房沉箱側壁，混凝土Cl－含量的測定是在現場取樣，在試驗室進行切片試驗測定的。現場在進水間沉箱水位變化區側壁鉆取3個混凝土芯樣，將芯樣送至試驗室進行Cl－含量測試，各芯樣Cl－含量變化曲線及對比曲線見圖1。

圖1 芯樣Cl－含量變化對比曲線

由檢測結果可知，所取芯樣Cl－含量隨著厚度的增加(沉箱側壁由外向內)而降低，符合線性的擴散過程，其中外側20 mm范圍內Cl－含量為0.37%已達到臨界值。通過不同芯樣的Cl－含量對比發現，同一沉箱內的芯樣內部Cl－含量趨于穩定，基本保持一致，50 mm位置Cl－含量為0.17%～0.18%，考慮到現有循環水泵房已運行25年，按照線性擴散規律，鋼筋表面Cl－含量達到0.37%臨界值開始銹蝕，還需約25年。

以鋼筋開始銹蝕作為沉箱側壁的耐久性極限狀態，碳化作用下，剩余耐久性年限還有約37.6年；Cl－作用下剩余耐久性年限約為25年。說明在Cl－侵蝕下混凝土結構的耐久性大大降低。需要說明的是，以上的分析都是按照混凝土施工質量良好，沒有開裂的情況。通過現場檢查發現，目前部分沉箱側壁預埋件已存在局部銹蝕(約占總數的62%)、上邊緣混凝土破損(約占總數的21%)，沉箱部分與現澆部分接縫處局部出現蜂窩麻面(約占總數的20%)，混凝土保護層局部剝落、鋼筋外露銹蝕(約占總數的8%)，說明按照理論分析鋼筋未達到開始銹蝕條件時，由于混凝土局部存在預埋件、施工縫或者施工質量以及保護層薄等問題時，鋼筋局部已經開始銹蝕。因此，Cl－對混凝土的侵入是一個復雜的過程，與混凝土密實程度、工程質量、水灰比、滲透性、環境溫度等均有聯系，對其耐久性的預測僅能提供總體參考作用，因此，對于氯化物作用的環境中配筋混凝土的耐久性問題，《混凝土結構耐久性設計規范》規定應在設計中提出結構使用過程中定期檢測的要求。使用過程中對發現的局部耐久性問題應及時維護加固，避免為Cl－侵蝕留下通道。

3 結論

混凝土結構的耐久性問題已經成為混凝土結構領域的一個熱點問題，鋼筋銹蝕是導致混凝土結構耐久性破壞的最主要原因，引起鋼筋銹蝕的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蝕。對于沿海電廠Cl－侵蝕是混凝土結構耐久性破壞的主要原因。保證混凝土保護層厚度和質量，作好對預埋件、施工縫的處理，是保證混凝土耐久性的重要措施Cl－對混凝土的侵入是一個復雜的過程，與混凝土密實程度、工程質量、水灰比、滲透性、環境溫度等均有聯系，對其耐久性的預測僅能提供總體參考作用，實際工作中需要建立使用中定期檢測的制度，對發現的局部耐久性問題及時維護加固，能有效延長結構耐久性。