海洋環境下混凝土變電站建造過程氯離子管控

俞鐵勇 吳 亮 毛江鴻 王炎銘 張 軍

1.國家電網舟山電力公司 浙江 舟山 316004；

2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司 浙江 杭州 310012；

3.浙江大學寧波理工學院 浙江 寧波 315100

對于沿?；炷两Y構而言，引發鋼筋銹蝕的最主要原因是鋼筋周圍氯離子濃度（物質的量濃度）超過閾值[1]。氯離子的侵蝕作用導致鋼筋表面鈍化膜發生部分或者整體破壞，進而出現鋼筋腐蝕、保護層開裂以及承載力退化等一系列耐久性問題。

沿海混凝土結構變電站由于存在雜散電流[2-3]且處于氯化物環境，在氯鹽-雜散電流雙重因素腐蝕條件下，鋼筋混凝土結構的耐久性問題更加突出[4]。

沿海混凝土結構氯離子濃度超過閾值的原因主要有2個，分別為原材料引入和外部環境侵蝕。隨著河砂資源匱乏，海砂作為建筑材料替代河砂被大量用于建筑工程中。若沒有經過嚴格處理，砂中的氯離子濃度將大幅超過規范限值。

目前，海砂及其拌和物的氯離子主要是通過砂子氯離子濃度檢測[5]以及拌和物氯離子濃度檢測2個角度進行 管控。

然而，海砂中的氯離子釋出和浸泡時間密切相關，隨著浸泡時間的延長氯離子檢出值會緩慢上升[6]。由上述分析可知，在混凝土澆筑之前，快速且準確地檢測拌和物氯離子濃度存在技術上不足。

本文分析了氯離子侵蝕的主要途徑以及氯鹽-雜散電流耦合作用的機理，討論了現階段原材料和拌和物氯離子濃度檢測的規范方法，解釋了管控中存在氯離子濃度超標問題的原因。按不同檢測方法對施工階段混凝土中氯離子濃度進行檢測并分析數據，提出了海洋環境下混凝土結構變電站施工期氯離子管控要點。

1 海洋環境下混凝土變電站氯離子管控重要性

1.1 雜散電流與氯鹽耦合致鋼筋銹蝕問題

氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕機理為：當混凝土中鋼筋周圍游離態氯離子濃度到達某一限值時，鋼筋表面的鈍化膜被破壞后形成腐蝕電位，從而發生電化學腐蝕，即在陽極發生氧化反應，在陰極發生還原反應。

根據周圍環境差異，電化學腐蝕可分為2種情況：一種為氧氣充足時，另一種為缺氧或者酸性條件下。電化學腐蝕的反應式如下：

雜散電流的腐蝕機理為：當通過鋼筋的電流密度小于0.6 mA/dm2，鋼筋與周圍的硅酸鹽水泥發生電化學反應，生成一種電阻率較大的白色化合物，并附著在鋼筋表面，形成鈍化區；當通過鋼筋的電流密度大于0.6 mA/dm2，陽極區鋼筋失電子受腐蝕，陰極區鋼筋得電子，發生析氫或耗氧反應[7]。

雜散電流和氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕是一個相互促進的過程。雜散電流會加大混凝土內部的腐蝕電位差，從而加速氯離子的擴散作用，使得陽極區的氯離子濃度變大，從而加劇鋼筋的銹蝕；另一方面，氯離子的存在會降低混凝土內部的電阻率，使得混凝土內部電阻對雜散電流的消耗減少，從而加速雜散電流的腐蝕作用。由此可見，存在雜散電流的含氯混凝土結構比相同環境下其他的結構更容易發生耐久性問題。

1.2 氯離子的主要來源

氯離子對沿?；炷两Y構耐久性造成破壞主要通過2種形式：外部環境侵入與內部原材料引入。對于沿海變電站這樣的沿?；炷两Y構而言，海水及空氣中的氯離子以外部侵入的方式對結構造成侵蝕；而在我國東部沿海地區的一些城市，由于河砂資源匱乏，部分混凝土建筑在建造過程中不當使用海砂或海水澆筑，會因海砂或海水中攜帶的大量氯鹽導致結構內部氯離子濃度超標，進而導致鋼筋的銹蝕及結構的劣化。

本文對浙江舟山地區的淡化海砂、未淡化海砂以及河砂按JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》，水泥按GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，淡化海砂拌和物按JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》，分別進行氯離子濃度測定，并統一換算成占膠凝材料的質量百分比。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定，海岸環境等級為三b，各原材料占膠凝材料最大氯離子質量分數為0.1%，各原材料中氯離子質量分數及與規范值對比如表1所示。

對表1中的數據進行分析可知，未淡化海砂中的氯離子質量分數嚴重超過0.1%的閾值；淡化后海砂及其拌和物中的氯離子質量分數已接近0.1%的閾值。由此可見，在原材料階段氯離子質量分數已接近甚至超過閾值，而在服役期外部環境中的氯離子也會侵入混凝土結構內部，從而存在混凝土內部氯離子質量分數超過閾值的風險，引發混凝土內部鋼筋銹蝕。因此，嚴格控制混凝土原材料中的氯離子對于保障混凝土結構的耐久性極其重要。

表1 各建筑材料中氯離子質量分數

2 建筑用砂氯離子質量分數檢測及風險分析

2.1 建筑用砂氯離子檢測方法

我國針對建筑原材料均制定了相關檢測方法，其中水泥、粉煤灰、礦粉等原材料中氯離子質量分數較為穩定，其氯離子質量分數失控風險較低。海砂需要經過淡化處理才能滿足氯離子質量分數要求。淡化方法包括自然堆放法、淡水沖洗法等[8]，相關學者研究表明水/砂的質量比是影響淡化效果的主要因素[9-10]，同時試驗表明，海砂內部空隙的氯離子存在從微空隙持續滲出的可能[11]。目前，砂中氯離子質量分數檢測方法如表2所示。

表2 砂中氯離子質量分數檢測方法

由上表可知，規程之間的主要區別是溶出的靜置時間不同。

2.2 建筑用砂氯離子檢測實例及風險分析

本文按照不同檢測方法進行氯離子質量分數檢測并對比。根據JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》規定，將淡化后的海砂（下文用海砂代替）與蒸餾水拌勻后靜置2 h，然后用化學滴定法檢測海砂中的氯離子質量分數。另外，增加不同靜置時間組（靜置12 h和24 h）作為對比，得到如圖1所示氯離子質量分數檢測 結果。

圖1 不同氯離子靜置時間效果比較

由圖1可知，不同靜置時間對海砂中氯離子的溶出效率有較為明顯的差異，按規范規定的通過2 h靜置明顯低于靜置12 h和24 h溶出的氯離子質量分數。郭元強等學者分析和討論了不同試驗標準和試驗方法對海砂中氯離子質量分數測試結果的影響程度，表明不同的試驗方法對海砂中氯離子質量分數的測試結果存在較大差異，應結合工程實際需要，選擇測試標準和試驗方法，以便真實體現氯離子質量分數。

吳帥[12]通過設置不同溫度、不同浸泡時間，發現海砂溶液在80 ℃環境下浸泡1 h可以檢出氯離子質量分數最大值。由上述分析可知，原材料氯離子質量分數檢測，特別是海砂中氯離子質量分數檢測的主要風險是取樣的代表性，以及氯離子溶出速率的影響。

3 拌和物氯離子質量分數檢測及風險分析

3.1 混凝土拌和物氯離子檢測方法

混凝土建造過程中生產、運輸環節時間緊湊，且拌和物的初凝時間短，我國規范推薦方法為通過靜置或加熱煮沸5 min來溶出拌和物內部氯離子，然后進行氯離子質量分數測定。表3為拌和物氯離子質量分數檢測方法對比。

表3 拌和物氯離子質量分數檢測方法

對比拌和物和砂中氯離子質量分數測試方法可知，我國混凝土拌和物測試過程中溶出時間少于砂子中氯離子溶出時間，因此，拌和物中氯離子質量分數檢測結果存在偏低的風險。

3.2 混凝土拌和物氯離子檢測實例及風險分析

根據JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》（附錄A和附錄B）規定，將一組河砂拌和物和海砂拌和物分別與蒸餾水拌勻后煮沸5 min，然后用化學滴定法分別檢測其氯離子質量分數；將另一組河砂拌和物與海砂拌和物和蒸餾水拌勻后用RCT測試法分別檢測其氯離子質量分數。測試結果如圖2所示。

圖2 不同氯離子檢測方法效果比較

由圖2可知，僅通過附錄A方法無法有效地排出拌和物中的全部氯離子，而附錄B方法對溶液進行煮沸可提高氯離子溶出效率，但提升效果有限；另一方面，海砂拌物氯離子檢出值已接近GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定的0.1%閾值。通過施工階段海砂及其拌和物中氯離子質量分數的數據分析可知，混凝土澆筑之前要快速且準確地檢測原材料以及拌和物氯離子質量分數存在一定的技術上的不足。

4 變電站建造過程氯離子質量分數管控建議

海洋環境下混凝土變電站存在外界腐蝕和雜散電流共同作用，對其進行氯離子質量分數管控至關重要?；炷羶嚷入x子的來源主要包括建筑用砂、水泥、外加劑及拌和用水。

由表1的數據分析可知，造成混凝土內部氯離子質量分數超過閾值的主要原因是建筑用砂。施工期混凝土結構氯離子質量分數全過程管控中，包含了原材料氯離子質量分數檢測和拌和物氯離子質量分數檢測2個管控流程，其管控流程及要點如圖3所示。

圖3 混凝土氯離子全過程管控及風險分析

由實例測試結果可知，考慮混凝土從出廠至澆筑時間較短的現實難題，5～10 min浸泡或煮沸時間無法溶出建筑用砂及水泥中氯離子質量分數，僅通過拌和物氯離子質量分數檢測進行氯離子質量分數管控存在失效風險，因此，需要結合建筑用砂進行氯離子的嚴格管控。同時，依據實測數據可知，為嚴格管控氯離子質量分數，建議增加海砂浸泡時間，從而使氯離子充分溶出。

5 結語

1）海洋環境下混凝土結構變電站受外界氯離子侵蝕以及變電站雜散電流的耦合作用，混凝土耐久性問題會更加突出，混凝土內氯離子質量分數管控顯得更加重要。

2）混凝土拌和物氯離子質量分數受檢測時間限制，拌和物中氯離子質量分數檢測量常低于真實值，僅通過管控拌和物氯離子質量分數存在氯離子質量分數超標風險，建議結合建筑用砂氯離子質量分數檢測進行綜合管控。

3）由實測結果可知，建筑用砂的氯離子溶出量隨著靜置時間增加而增大，為更嚴格地控制海洋環境下混凝土結構變電站的耐久性，從工程管理角度出發，建議在現行相關規范的基礎上增加海砂靜置時間，以獲取更準確的測試結果。