高寒地區(qū)冷卻塔混凝土的凍融防治技術(shù)

趙志超

(兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

兗礦新疆煤化工有限公司位于新疆烏魯木齊市甘泉堡經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，約東經(jīng)87°46′55″，北緯44°13′08″，屬典型的大陸性溫帶亞干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫為5.7℃，極端最高氣溫為43.54℃(1973 年8 月1)，極端最低氣溫為-42.2℃(1976 年12 月26 日)最大凍土深度為2.02m，標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.85m。

冷卻塔寬17.6m，長(zhǎng)164m，建筑面積2286m2；2010 年開(kāi)工建設(shè)，已使用10 年，屋面大面積出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落，梁、柱楞角出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落、缺損，多出漏筋，給安全生產(chǎn)埋下隱患。

1 原因分析

抗凍性是混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo)，凍融是混凝土受到干濕變化、溫度變化、凍融變化等物理作業(yè)而遭到破壞，是高寒地區(qū)混凝土構(gòu)件常見(jiàn)病害；其原因與混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、混凝土強(qiáng)度、水飽和程度、受凍融齡期等諸多因素有關(guān)，其中最主要的因素是孔隙結(jié)構(gòu)，而混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)是由混凝土的水灰比、施工養(yǎng)護(hù)方法、添加劑等因素決定的。

在混凝土硬化過(guò)程中，多余的游離水會(huì)逐漸蒸發(fā)出來(lái)，多余游離水蒸發(fā)后，會(huì)留下大量開(kāi)口毛細(xì)孔隙，這些毛細(xì)孔隙，相互連通，形成體系。一般來(lái)說(shuō)，在相同良好成型條件下，水灰比大，內(nèi)部空隙多，密實(shí)度小，吸水性、滲透性大，強(qiáng)度低，混凝土的抗凍性就較差。混凝土凍融常見(jiàn)原因主要有以下二個(gè)方面：

1.1 干濕交替和凍融循環(huán)破壞

混凝土終凝后在其內(nèi)部存在許多孔隙，這些孔隙中一般充有水；干燥環(huán)境下構(gòu)件混凝土不會(huì)發(fā)生凍融破壞，飽水狀態(tài)極易發(fā)生；冷卻塔構(gòu)件混凝土因其所處環(huán)境往往處于飽水狀態(tài)；寒冷季節(jié)孔隙內(nèi)的水結(jié)冰，體積增大，孔壁承壓破壞開(kāi)裂；溫度升高，冰融化，孔隙中會(huì)滲入更多的水；溫度降低，孔隙中的水再次結(jié)冰，孔隙脹裂擴(kuò)張，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為凍融循環(huán)。

干濕交替，寒來(lái)暑往，凍融循環(huán)；冰漲壓力和滲透壓力聯(lián)合作用，使混凝土產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，孔壁破壞開(kāi)裂，相互連通，成為裂縫，反復(fù)多次，損傷積累擴(kuò)大，強(qiáng)度降低，甚至喪失，由表及里，松動(dòng)剝蝕。

1.2 化學(xué)侵蝕和混凝土碳化

在超低排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前，燃煤鍋爐排放氣體中含有較多二氧化硫，在大氣中二氧化硫會(huì)進(jìn)一步氧化成三氧化硫，三氧化硫與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣，體積膨脹；而硫酸鈣還會(huì)與混凝土中鋁鹽繼續(xù)反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，體積二次膨脹，膨脹應(yīng)力使混凝土疏松開(kāi)裂。混凝土碳化也是一種化學(xué)侵蝕，這種化學(xué)侵蝕是由于空氣中的二氧化碳滲入到混凝土內(nèi)部，與其堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽，致使其堿性降低，當(dāng)碳化深度超過(guò)保護(hù)層厚度時(shí)，混凝土喪失對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。鍋爐、空分等裝置排出的氣體，使冷卻塔周?chē)諝庵械亩趸紳舛蕊@著升高，高濃度二氧化碳長(zhǎng)期侵蝕，導(dǎo)致冷卻塔屋面、墻、梁、柱等構(gòu)件混凝土加速碳化。

化學(xué)侵蝕和混凝土碳化(見(jiàn)圖1)，破壞了鋼筋原有鈍化膜，鋼筋銹蝕，體積膨脹，保護(hù)層開(kāi)裂，順筋裂縫形成，繼而疏松剝落。

圖1 化學(xué)侵蝕和混凝土碳化示意圖

2 防治措施

2.1 預(yù)防措施

(1)嚴(yán)把材料關(guān)。確保耐久性，根據(jù)混凝土構(gòu)件所處環(huán)境和結(jié)構(gòu)類(lèi)型等條件科學(xué)選用水泥品種、粗細(xì)集料和外加劑。

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥與復(fù)合水泥相比，水泥活性高，拌制混凝土用水量少，因此硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥混凝土比復(fù)合水泥混凝土抗凍性要好，應(yīng)優(yōu)先選擇硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。集料本身的抗凍性和集料的吸水率，是集料影響混凝土抗凍性的主要因素，一般卵石和碎石皆可滿(mǎn)足混凝土抗凍要求，堅(jiān)固性差的集料，如風(fēng)化巖石等，對(duì)混凝土抗凍性影響較大，應(yīng)避免選用。提高混凝土抗凍性的外加劑主要有三種，減水劑、引氣劑和減水型引氣劑。減水劑可減少混凝土拌和水用量，有效降低水灰比，從而減少混凝土孔隙率，增加密實(shí)度和強(qiáng)度，提高混凝土抗凍性；引氣劑可使混凝土凝固后內(nèi)部包含大量分布均勻的封閉微氣孔，這些微氣孔，彼此分離，互不連通，不會(huì)形成透水孔道，可大大改善混凝土的抗凍性。

拌制混凝土?xí)r適量參入纖維，能有效阻止或延緩其裂縫發(fā)展，提高混凝土密實(shí)度、抗?jié)B性、抗折性能和強(qiáng)度，在混凝土受凍膨脹時(shí)起到拉伸作用。混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰也可改善其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度，從而增強(qiáng)混凝土的抗凍性。拌和水、養(yǎng)護(hù)用水應(yīng)使用潔凈淡水，不得使用海水、高鹽水等不合格水。

(2)嚴(yán)把配制關(guān)。混凝土主要有膠凝材料、水、石子和砂四種材料組成，配合比設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是由實(shí)驗(yàn)確定四種材料之間的三個(gè)比例參數(shù)，即水膠比、砂率、單位用水量；混凝土混合比應(yīng)遵循以下四個(gè)原則，即強(qiáng)度適宜原則、良好工作性原則、固定低用水量原則、良好保水性原則。在保證混凝土流動(dòng)性情況下盡可能降低水灰比。

(3)嚴(yán)把施工關(guān)。施工前認(rèn)真閱讀施工圖，按照設(shè)計(jì)要求、施工規(guī)范編制施工方案，進(jìn)行技術(shù)交底，每道工序經(jīng)驗(yàn)收合格并履行簽字手續(xù)后，方可進(jìn)行下道工序施工。混凝土澆筑應(yīng)分層連續(xù)澆筑，不得隨意留置施工縫，為防止混凝土離析，下落高度不得超過(guò)2m；混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，插入式振搗器應(yīng)快插慢拔，均勻排列，逐點(diǎn)移動(dòng)，振搗密實(shí)，不得遺漏。混凝土澆筑完成后，應(yīng)在12 小時(shí)內(nèi)覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間不少于二周，每日澆水次數(shù)以保持混凝土濕潤(rùn)狀態(tài)為佳。

(4)對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，進(jìn)行二次抹面或粉刷防滲涂料，有效隔離酸性氣體和水。

2.2 治理措施

(1)屋面凍融治理措施：清除松動(dòng)混凝土至密實(shí)處，清水沖洗干凈，砂漿找平，TS 防水層，保溫層找坡，-40℃SBS 改良性瀝青防水層，如圖2 所示。

圖2 屋面凍融治理措施

(2)梁、柱凍融治理措施：清除松動(dòng)混凝土至密實(shí)處，清水沖洗干凈，環(huán)氧膠泥修補(bǔ)破損處，滿(mǎn)刮環(huán)氧稀膠泥膩?zhàn)觾杀椋h(huán)氧樹(shù)脂底漆兩遍，刷環(huán)氧酶瀝青漆兩遍。

(3)其他構(gòu)件治理措施：內(nèi)壁滿(mǎn)刷環(huán)氧酶瀝青漆兩遍，外壁滿(mǎn)刷氯磺化涂料兩遍。

3 結(jié)語(yǔ)

兗礦新疆煤化工有限公司冷卻塔經(jīng)以上方法處理，使混凝土結(jié)構(gòu)與水、酸性氣體有效隔絕，運(yùn)行效果良好，經(jīng)歷一個(gè)冬季，未發(fā)現(xiàn)凍融現(xiàn)象。綜上所述，高寒地區(qū)混凝土凍融成因比較復(fù)雜，即與其自身特性有關(guān)，也受外部環(huán)境因素干擾，其成因和防治措施還有待于進(jìn)一步分析研究。