工业建筑混凝土结构耐久性调查与分析*

牛荻涛 李星辰 刘西光 吕 瑶

(1.省部共建西部绿色建筑国家重点实验室，西安建筑科技大学，西安 710055;2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

工业建筑是推动和支撑社会经济发展的重要基础设施，其安全运行对保障国民经济持续健康发展有着非常重要的作用。长期以来，工程界研究的重点是工业建筑的安全性和使用性能，随着耐久性病害导致结构破坏的事故不断增多，既有工业建筑混凝土结构的耐久性问题越来越受到关注，但是对不同环境下结构耐久性损伤特征和规律认识不足。

在我国的城市规划中，工业建筑用地一般占总用地面积的20% ～35%，在一些工业型城市，甚至高达50%以上［1-2］。与民用建筑相比，工业建筑局部使用环境更为复杂多变，主要表现为腐蚀介质种类多、相态全、浓度高、腐蚀性强，局部环境温度、湿度高，干湿交替频率高，荷载吨位大，动力荷载导致的疲劳问题突出［3-4］。因此，提高工业建筑混凝土结构耐久性，延长结构使用寿命，是工业生产可持续发展的迫切需要。

我国既有工业建筑面积已超过120亿m2，其中使用20年以上的工业建筑中混凝土结构占主导地位，这部分工业建筑多处于超负荷使用状态，且长期遭受高温、高湿和强腐蚀介质的作用，耐久性损伤引起的结构破坏甚至倒塌事故时有发生，每年由此造成的直接经济损失高达近百亿元［5］。因此，既有工业建筑混凝土耐久性已成为必须关注的问题。本文通过对典型工业环境下的腐蚀介质浓度和环境参数的现场调查和测试，对酸性腐蚀介质、高温、高湿、冻融和疲劳作用下工业建筑混凝土结构耐久性损伤的特征和规律进行分析，可为既有工业建筑的诊治和维护提供一些建议。

1 环境作用与耐久性损伤

1.1 酸性腐蚀环境

工业生产中会使用或产生如氯气、氯化氢、二氧化硫及其他无机、有机酸雾等腐蚀性介质，对建筑物有强烈的腐蚀作用。例如硫铵车间在生产过程中会产生以CO2、SO2为主的酸性气体、含 SO42-的酸性水及酸雾，并伴有少量氨气和一些以(NH4)2SO4为代表的硫酸盐腐蚀性介质;尿素车间在生产过程中使用CO2酸性气体，导致建筑物处在高浓度酸性腐蚀环境中。因此，为准确了解腐蚀性介质的种类与浓度，选取硫铵车间和尿素车间进行了现场测试，检测厂房的耐久性状况。

通过对某硫铵车间进行现场测量可知：此车间年均温度为25.6℃，年均湿度为44.9%，不同工段CO2和SO2酸性气体的浓度见表1，同时查阅当地环保局的有关资料可知，大气环境中CO2和SO2气体的平均浓度分别为 740.5，0.056 mg/m3。由此可知：硫铵车间中的CO2和SO2浓度含量远高于大气环境中的酸性气体浓度。

表1 酸性气体含量Table 1 The concentration of acid gas mg/m3

对硫铵车间硫化床及结晶槽工段等酸性气体浓度较高的区域和尿素车间进行耐久性检测，发现尿素车间内部混凝土构件腐蚀较为严重，混凝土表面已完全剥落(图1a)。硫铵车间混凝土表面普遍存在膨胀腐蚀和粉化现象，楼板处、设备管道以及罐槽附近混凝土剥落、酥松腐蚀现象严重，硫化床工段二层平台檐口处混凝土完全腐蚀剥落、钢筋锈断(图1b)。

通过检测发现：尿素车间和硫铵车间内混凝土普遍存在腐蚀情况，并且酸性气体浓度越高的区域，混凝土表面腐蚀、粉化以及剥落现象越严重。这是因为酸性气体溶于水后与混凝土反应生成非凝胶性物质，导致混凝土由表及里逐步破坏;同时酸性气体会促进混凝土中水化硅酸钙和水化铝酸钙的水解，破坏混凝土内部的凝胶体，导致混凝土丧失强度;酸性气体溶于水后形成的硫酸根离子会与混凝土发生反应生成钙矾石和石膏，造成混凝土体积膨胀，产生较大内应力，导致混凝土表面出现裂缝。

酸性气体的腐蚀会导致混凝土强度降低，并出现粉化、剥落的现象，并且混凝土的腐蚀速率与气体浓度呈正比。

图1 酸性气体环境下混凝土腐蚀破坏Fig.1 Damage of concrete attacked by acid gas

1.2 冻融环境

混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件。我国地域广阔，工业建筑形式多样，存在大量位于寒冷地区且经常与水接触的工业建(构)筑物，比如水位变化区的水工混凝土结构物、储料筒仓、水池以及发电站冷却塔(图2)等，我国东北、华北和西北地区的水利大坝，工程局部或大面积遭受不同程度的冻融破坏。因此，冻融破坏是我国北方地区工业建筑的主要耐久性病害之一。

图2 某冷却塔冻融破坏Fig.2 Damage of cooling power induced by freezing and thawing

为了解实际工程中冻融循环对工业建(构)筑物的影响，对陕西省北部某运煤栈桥的环境参数和耐久性状况进行了测试。测试结果表明：栈桥所处地区的年平均气温为 8.7℃，月平均最高气温(7月)为 23.0℃，月平均最低气温(12月)为-7.0℃;地区的年平均湿度为50.7%，月平均最高相对湿度(9月)为72.7%，月平均最低相对湿度(3月)为27.5%，如图3所示。

图3 某栈桥所处环境月平均气温与平均相对湿度Fig.3 Temperature and relative humidity of a trestle

为了更准确地获取栈桥所经历的冻融循环情况，在栈桥现场安装了两套温度自动监测系统，对混凝土内部的温度进行实时监测。通过对各月份的日温度变化情况以及温度监测结果进行统计分析，确定了栈桥所在地区的年冻融循环次数约为110次。

通过实地调查发现栈桥支架构件冻融现象较为严重，栈桥经过长期运行，通廊内部积累了大量的煤灰需要清洗去除，清洗栈桥的废水和大气降水便不断侵蚀栈桥构件。栈桥支架构件冻融损伤部位多在栈桥柱顶和柱底、栈桥梁顶面和侧面等与水接触较多的部位。结果表明：厂区外冻融损伤要比厂区内构件损伤严重，损伤构件多呈保护层大片剥落，粗骨料外露，表观损伤层疏松(图4)。

图4 栈桥支架冻融破坏Fig.4 Damage of a trestle induced by freezing and thawing

通过超声平测法测量了冻融较为严重的3根柱子和2根梁的冻融损伤层厚度，柱的冻融损伤层厚度分别为 15.88，15.13，10.26 mm，梁的冻融损伤层厚度分别为 22.02，25.06 mm。由此可知：混凝土冻融损伤层较大，并且混凝土梁的冻融损伤层厚度要明显大于柱的冻融损伤层厚度，原因是构件柱长期处于受压应力状态，对于冻融作用造成构件内部劣化有一定的抑制作用，从而表现出柱的冻融损伤层厚度要小于梁的冻融损伤层厚度。

冻融循环会导致混凝土保护层剥落，粗骨料外露以及表观损伤层结构疏松。这是由于混凝土毛细孔中的自由水结冰会发生体积膨胀，其毛细孔壁同时承受毛细孔冰晶膨胀压和凝胶孔渗透压，当应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂，在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝由表及里相互贯通，其强度逐渐降低，直至完全丧失使用性能，因此，混凝土边角等应力比较集中的部位首先开裂剥落，然后从表面开始向内部剥落。冻融循环还使得混凝土内部结构逐渐解离和破坏，强度和弹性模量降低，材料呈松脆化趋势。因此，冻融循环导致混凝土内部物理结构发生变化，混凝土逐渐脆化，对建(构)筑物产生危害。

1.3 高温环境

由于生产工艺的影响，冶金行业的大量工业建筑处于高温工作环境。冶金行业曾对钢铁企业的63个热车间的741个构件的表面温度进行了调查，调查结果表明：构件表面温度在20～600℃，其中，表面温度在60～150℃的构件占总数的93%。高温会导致混凝土发生一系列物理化学变化，对建筑物的使用产生影响。

为研究高温对混凝土结构的影响，课题组对某钢厂的高炉底板以及冲渣沟进行了检测。现场调研发现：铁沟板底普遍存在破损，混凝土颜色呈褐色，局部区域板底破损严重，钢筋外露(图5a)，冲渣沟内部混凝土保护层基本已经完全破坏，漏筋明显，混凝土发红(图5b)。现场测量了高炉底板温度变化情况(图 6)，高温底板混凝土表面温度在 80～160℃，温度沿长度和高度方向均存在梯度。

图5 高温环境混凝土爆裂Fig.5 Bursting damage of concrete induced by high temperature

为确定高炉底板破损严重区域混凝土所经历过的温度，对混凝土取样并进行热重测试，测试结果见图7。按照 CECS 252∶2009《火灾后建筑结构鉴定标准》［6］中火灾后混凝土构件材料微观分析的推定方法，由热重结果可知：内、外侧试样的热重曲线基本相似，600℃以前样本吸热量较小，很少量的物质发生化学变化或物理变化，说明该试样中不含Ca(OH)2，因此可以判断样本内外两侧经历过480℃的高温。同时，可以发现试样700℃时吸热量较大，即有物质发生了较大吸热。可以判断该样本材料未经历过700℃高温，推测经历最高温度为550℃。

高温导致了混凝土保护层剥落，孔隙率增大，有害孔增多，孔隙连通性增强，侵蚀介质扩散速率增加，且温度越高，破坏现象越明显。这是因为高温导致混凝土失去结晶水，内部的砂浆收缩而骨料膨胀，两者之间的不相容性导致混凝土内部产生较大的内应力，引起两者的黏结面开裂，产生微裂缝并逐渐扩展，最终导致混凝土表面开裂。随着温度进一步升高，混凝土内部晶型发生改变，氢氧化钙和碳酸钙分解，并且钢筋开始软化，砂浆脱落，粗骨料开始破碎，导致混凝土的抗压强度和抗拉强度急剧下降。因此，高温对建筑物的结构有较大影响，且温度越高，影响越明显。

图6 某钢厂高炉底板温度变化情况Fig.6 Temperature variation of blast furnace bottom plate in a steel plant

图7 混凝土试样热重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis results of the concrete samples

图8 工业建筑环境相对湿度Fig.8 Relative humidity variation of industrial buildings

1.4 高湿环境

受生产工艺的影响，很多轻工业和重工业的生产车间相对湿度达到了75%以上，有的甚至达到100%，且许多工艺区段干湿交替频率高。研究发现：当相对湿度大于75%时，工业环境中的 SO2、Cl2、HCl、NO2、H2S、CO2等酸性气体引起的混凝土腐蚀速率加快，高湿环境下尤其是干湿交替环境的钢筋锈蚀也极为严重，严重影响混凝土结构的耐久性。

为研究干湿交替环境下混凝土结构的破坏特征，对某钢厂选烧车间以及高炉平台进行了现场测试。首先对环境相对湿度进行了测量，结果见图8。从图8a可知：在工作状态下，选烧车间内部环境的相对湿度处于70%以上，且最高湿度达100%。选烧车间的工作状态处于高湿环境，长时间处于干湿交替的环境。从图8b可以看出，炼铁高炉平台的相对湿度周期性呈现100%高湿度。这是因为高炉出铁时炉渣会沿冲渣沟进入冲渣池，该过程会产生大量水蒸气。

对选烧车间内部混凝土结构进行耐久性检测，发现混凝土表面出现裂缝甚至剥落现象(图9)。原因是干湿循环会显著影响混凝土表层一定深度范围内的水分分布，从而导致混凝土结构内部水分沿传输方向出现较大的梯度，而混凝土是一种多孔材料，具有干缩湿胀的特性，湿度梯度的出现必然会致使混凝土存在由表及里的收缩或湿胀梯度，收缩或湿胀梯度也将产生较大的拉应力，进而导致混凝土开裂，抗渗能力降低，有害介质沿裂缝进入混凝土内部，导致混凝土性能衰退。

图9 选烧车间内部环境Fig.9 Inner environment condition of sintering workshop

1.5 疲劳荷载作用

工业厂房吊车梁承受吊车产生的周期性重复荷载。苏联曾对66个车间的164跨工业厂房结构进行了调查，结果表明吊车梁是破坏最严重的构件之一。

图10 混凝土吊车梁疲劳破坏Fig.10 Fatigue damage of reinforced concrete crane beam

对某钢厂的混凝土吊车梁进行了检测，见图10。可以看出：吊车梁在重复荷载长期作用下，梁会出现开裂，在混凝土缺陷处，裂缝发展较快。这是因为混凝土内部存在各种初始缺陷，而这些微小缺陷在疲劳应力的作用下将产生应力集中从而形成一个高能区，随着荷载循环次数的增加，高能区通过塑性变形和裂纹的扩展使能量得以释放，微小缺陷也缓慢并不可恢复地增长，当其尺寸达到某个临界值，微裂缝就会失稳发展，相互贯穿，最后形成宏观裂缝，导致破坏。

2 结束语

1)在工业酸性腐蚀环境下，酸性腐蚀介质浓度可高达一般大气环境的数十倍，混凝土腐蚀较为严重。

2)局部高温环境中，混凝土表面温度都可达到80℃，最高可达500℃，造成混凝土发生爆裂;局部高湿环境下，环境相对湿度最高可达到100%，最低为75%，干湿交替现象极为严重;冻融破坏是我国北方地区工业建(构)筑物的主要耐久性病害之一。

3)吊车梁在重复荷载长期作用下会发生开裂，缺陷部位裂缝发展较快。

4)典型工业环境下混凝土结构会发生化学腐蚀、冻胀开裂、高温爆裂和疲劳开裂等损伤劣化，造成混凝土结构性能退化。