某沿海电厂既有沉箱结构耐久性评估

龙子华，张 磊，湛 川，贾 宁

(1.国网北京市电力公司，北京 100031；2.华北电力设计院有限公司，北京 100120)

混凝土结构是目前应用最广泛的工程结构，新建的混凝土呈高碱性，混凝土保护层可对位于其中的钢筋形成致密的氧化物保护膜，该保护膜可以阻止氧气和水分与钢筋接触，从而防止钢筋锈蚀，因此新建的混凝土结构具有较好的耐久性，几乎不需要维修和养护。但是我们可以发现混凝土结构的耐久性是随着时间减弱的，并且在不同使用环境下其耐久性也是有差别的，在一般大气环境下其耐久性可达50年以上，在海洋环境等腐蚀性较强的恶劣环境下其耐久性会大大缩短。因此当混凝土结构出现耐久性问题或混凝土结构达到设计使用年限仍拟继续使用时，都需对其耐久性进行检测和评估，当前混凝土结构的耐久性问题已经成为混凝土结构领域的一个热点问题。

1 耐久性破坏的原因及机理分析

所谓混凝土结构耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。当前的研究和工程实践表明混凝土中的钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性破坏的最主要原因。混凝土保护层是碱性的可对位于其中的钢筋形成致密的氧化物保护膜，只要该保护膜不破坏，钢筋就不会锈蚀。但引起氧化物保护膜破坏的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蚀。

1.1 混凝土碳化机理

混凝土的碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式，最典型的例子是大气中的CO2气体对混凝土的作用，在工业区，其它酸性气体如SO2、H2S等也会引起混凝土“碳化”(准确地说是中性化)。大气中的CO2与水泥水化物中的氢氧化钙(Ca(OH)2)发生化学反应：Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O严格地讲碳化反应不限于水泥水化物中的氢氧化钙，在其它一些水泥水化物或未水化物中也会发生其它类型的碳化反应。但是就混凝土的碳化而论，氢氧化钙的碳化影响最大。由于混凝土碳化的结果，混凝土的凝胶孔隙和部分毛细管可能被碳化产物碳酸钙(CaCO3)等堵塞，混凝土的密实性和强度会因此有所提高。但是，由于碳化降低了混凝土孔隙液体的pH值(碳化后pH值≈8～10)，碳化一旦达到钢筋表面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而产生锈蚀。

混凝土的碳化主要包括三个过程：(1)化学反应过程，混凝土的化学反应过程进行较快，反应的速度主要取决于CO2的浓度和混凝土可碳化物质的含量。(2)CO2的扩散速度，CO2可通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散。这个过程的速度取决于CO2浓度和混凝土的孔隙结构。混凝土孔隙的结构主要受混凝土水灰比和水泥水化程度的影响。(3)Ca(OH)2的扩散，Ca(OH)2可在孔隙表面的湿度薄膜内扩散，其速度取决于混凝土的含水率和Ca(OH)2浓度梯度。

1.2 Cl－引起钢筋锈蚀机理

当混凝土中含有Cl－时，即使混凝土的碱度还较高，钢筋周围的混凝土尚未碳化，钢筋也会出现锈蚀现象。这是因为Cl－的半径小，活性大，具有很强的穿透氧化膜的能力，Cl－吸附在膜结构有缺陷的地方，如位错区或晶界区等，使难溶的Fe(OH)3转变成易溶的FeCl3致使钢筋表面的钝化膜局部破坏。钝化膜破坏后，露出的金属便是活化——钝化原电池的阳极。由于活化区小，钝化区大，构成一个大阴极，小阳极的活化——钝化电池，使钢筋产生所谓的坑蚀现象。

进入混凝土中的Cl－主要有两个来源：施工过程中掺加的防冻剂等——内掺型；环境中Cl－的渗透——外渗型。 对于海岸环境，由于海水中通常含有3%的盐，其中主要是Cl－，约为19000 mg/L。水下部分或水位变化区的饱水部分一直接触海水，主要是饱水混凝土里外Cl－浓度差引起的离子扩散，扩散速度在很大程度上取决于有水头压力作用下氯化物溶液的渗透。在海水中，即使氯化物渗透到钢筋表面，但因为缺氧钢筋也难以发生锈蚀。实例及经验表明，在潮间带，在海水干湿交替的环境作用下，Cl－对钢筋混凝土的危害是非常大的，

2 耐久性评估

2.1 工程概况

青岛某电厂一期循环水泵房位于青岛市市北区(原四方区)，竣工于1992年，已投产运行近25年。现拟在老厂区域建设2套F级(430 MW)“一拖一”燃气蒸汽联合循环热电联产机组。本期新建机组工程拟利用一期及老厂循环水泵房(含进水间沉箱)而不另行建设取水构筑物。 考虑到现有循环水泵房已运行25年，为了解循环水泵房的结构现状，考察其结构是否满足新建的本期机组结构使用年限匹配的耐久性要求，必须对其进行耐久性评估。循环水泵房进水间沉箱由1#～6#组成，沉箱底标高为－12.00 m，沉箱底板厚800 mm，底标高为－11.00 mm，第一节制作高度为12 m，就位后接高2.94 m；沉箱侧壁厚度为1000 mm，高度为14.94 m，标高3.94 m～－1 m为现浇部分，标高－1 m～－11.0 m为沉箱部分，混凝土标号为C30。

进行结构耐久性评估,应根据需要按不同的耐久性极限状态进行评定，耐久性极限状态分为三种：(1)钢筋开始锈蚀：适用于对下一个目标使用年限内不允许钢筋锈蚀或严格不允许保护层锈胀开裂的构件(如预应力混凝土构件)。(2)混凝土保护层锈胀开裂：适用于对下一个目标使用年限内一般不允许出现锈胀裂缝的构件。(3)混凝土表面出现可接受的最大外观损伤：适用于对下一个目标使用年限内允许出现锈胀裂缝和局部破损的构件。

由于循环水泵房沉箱侧壁部分处于干湿交替的氯盐环境中，判断碳化深度对其耐久性影响时，还宜考虑Cl－通过海水渗透进混凝土对钢筋锈蚀的影响，宜取钢筋表面开始锈蚀作为其耐久性极限状态。 根据混凝土结构耐久性评定标准，对于本泵房沉箱侧壁需要作大气环境下钢筋锈蚀耐久性评定和氯盐侵蚀环境下钢筋锈蚀耐久性评定。

2.2 大气环境下构件的耐久性评定

钢筋开始锈蚀时间确定应考虑碳化速率、保护层厚度和局部环境的影响，按式(1)确定。

式中：ti为结构建成至钢筋开始锈蚀的时间；Kk、Kc、Km分别为碳化速率、保护层厚度、局部环境对钢筋开始锈蚀时间的影响系数。其中，碳化系数k按式 (2)计算。

式中：xc为实测碳化深度(mm)；t0为结构建成至检测时的时间(a)。

现场测得沉箱侧壁的混凝土最大碳化深度为5.0 mm，根据设计沉箱侧壁保护层厚度为50 mm，由现场检测结果可知沉箱侧壁保护层厚度比设计值稍偏大，偏于安全，耐久性评估时按设计值50 mm考虑。碳化系数k为1.0,根据以上计算结果可知，分别按照《混凝土结构耐久性评定标准(CECS 220：2007)》表5.2.1－1～5.2.1－3取用。Kk、Kc、Km分别为2.27、2.67、0.68，求出沉箱侧壁结构建成至钢筋开始锈蚀的时间为62.6年，扣除已使用年限，沉箱侧壁剩余耐久性年限还有37.6年。若保护层厚度为25 mm，则Kc为1.62，求出沉箱侧壁结构建成至钢筋开始锈蚀的时间为38年，剩余耐久性年限仅剩13年。由此可以看出，在同样环境下，如果混凝土结构保护层厚度由50 mm变为25 mm，那么耐久性年限将大大减少。

2.3 Cl－侵蚀环境下构件的耐久性评定

外界环境中的Cl－通过混凝土保护层达到混凝土—钢筋界面并逐渐积聚，使钢筋表面孔隙溶液中Cl－浓度增大，最终大于临界浓度(《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)第6.0.5条给出了钢筋锈蚀Cl－临界浓度(Cl－在水泥中的重量比)，见表1，致使钢筋开始锈蚀。尽管Cl－在混凝土中的传输机理非常复杂，但扩散作用，即Cl－从浓度高的地方向浓度低的地方移动被认为是一个最主要的传输方式，大量的检测结果表明Cl－的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，符合Fick第二扩散定律。

表1 钢筋锈蚀临界Cl－浓度Mcr

对本泵房沉箱侧壁，混凝土Cl－含量的测定是在现场取样，在试验室进行切片试验测定的。现场在进水间沉箱水位变化区侧壁钻取3个混凝土芯样，将芯样送至试验室进行Cl－含量测试，各芯样Cl－含量变化曲线及对比曲线见图1。

图1 芯样Cl－含量变化对比曲线

由检测结果可知，所取芯样Cl－含量随着厚度的增加(沉箱侧壁由外向内)而降低，符合线性的扩散过程，其中外侧20 mm范围内Cl－含量为0.37%已达到临界值。通过不同芯样的Cl－含量对比发现，同一沉箱内的芯样内部Cl－含量趋于稳定，基本保持一致，50 mm位置Cl－含量为0.17%～0.18%，考虑到现有循环水泵房已运行25年，按照线性扩散规律，钢筋表面Cl－含量达到0.37%临界值开始锈蚀，还需约25年。

以钢筋开始锈蚀作为沉箱侧壁的耐久性极限状态，碳化作用下，剩余耐久性年限还有约37.6年；Cl－作用下剩余耐久性年限约为25年。说明在Cl－侵蚀下混凝土结构的耐久性大大降低。需要说明的是，以上的分析都是按照混凝土施工质量良好，没有开裂的情况。通过现场检查发现，目前部分沉箱侧壁预埋件已存在局部锈蚀(约占总数的62%)、上边缘混凝土破损(约占总数的21%)，沉箱部分与现浇部分接缝处局部出现蜂窝麻面(约占总数的20%)，混凝土保护层局部剥落、钢筋外露锈蚀(约占总数的8%)，说明按照理论分析钢筋未达到开始锈蚀条件时，由于混凝土局部存在预埋件、施工缝或者施工质量以及保护层薄等问题时，钢筋局部已经开始锈蚀。因此，Cl－对混凝土的侵入是一个复杂的过程，与混凝土密实程度、工程质量、水灰比、渗透性、环境温度等均有联系，对其耐久性的预测仅能提供总体参考作用，因此，对于氯化物作用的环境中配筋混凝土的耐久性问题，《混凝土结构耐久性设计规范》规定应在设计中提出结构使用过程中定期检测的要求。使用过程中对发现的局部耐久性问题应及时维护加固，避免为Cl－侵蚀留下通道。

3 结论

混凝土结构的耐久性问题已经成为混凝土结构领域的一个热点问题，钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性破坏的最主要原因，引起钢筋锈蚀的主要因素有混凝土碳化和Cl－侵蚀。对于沿海电厂Cl－侵蚀是混凝土结构耐久性破坏的主要原因。保证混凝土保护层厚度和质量，作好对预埋件、施工缝的处理，是保证混凝土耐久性的重要措施Cl－对混凝土的侵入是一个复杂的过程，与混凝土密实程度、工程质量、水灰比、渗透性、环境温度等均有联系，对其耐久性的预测仅能提供总体参考作用，实际工作中需要建立使用中定期检测的制度，对发现的局部耐久性问题及时维护加固，能有效延长结构耐久性。