海洋环境下混凝土变电站建造过程氯离子管控

俞铁勇 吴 亮 毛江鸿 王炎铭 张 军

1.国家电网舟山电力公司 浙江 舟山 316004；

2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司 浙江 杭州 310012；

3.浙江大学宁波理工学院 浙江 宁波 315100

对于沿海混凝土结构而言，引发钢筋锈蚀的最主要原因是钢筋周围氯离子浓度（物质的量浓度）超过阈值[1]。氯离子的侵蚀作用导致钢筋表面钝化膜发生部分或者整体破坏，进而出现钢筋腐蚀、保护层开裂以及承载力退化等一系列耐久性问题。

沿海混凝土结构变电站由于存在杂散电流[2-3]且处于氯化物环境，在氯盐-杂散电流双重因素腐蚀条件下，钢筋混凝土结构的耐久性问题更加突出[4]。

沿海混凝土结构氯离子浓度超过阈值的原因主要有2个，分别为原材料引入和外部环境侵蚀。随着河砂资源匮乏，海砂作为建筑材料替代河砂被大量用于建筑工程中。若没有经过严格处理，砂中的氯离子浓度将大幅超过规范限值。

目前，海砂及其拌和物的氯离子主要是通过砂子氯离子浓度检测[5]以及拌和物氯离子浓度检测2个角度进行 管控。

然而，海砂中的氯离子释出和浸泡时间密切相关，随着浸泡时间的延长氯离子检出值会缓慢上升[6]。由上述分析可知，在混凝土浇筑之前，快速且准确地检测拌和物氯离子浓度存在技术上不足。

本文分析了氯离子侵蚀的主要途径以及氯盐-杂散电流耦合作用的机理，讨论了现阶段原材料和拌和物氯离子浓度检测的规范方法，解释了管控中存在氯离子浓度超标问题的原因。按不同检测方法对施工阶段混凝土中氯离子浓度进行检测并分析数据，提出了海洋环境下混凝土结构变电站施工期氯离子管控要点。

1 海洋环境下混凝土变电站氯离子管控重要性

1.1 杂散电流与氯盐耦合致钢筋锈蚀问题

氯离子对混凝土中钢筋的腐蚀机理为：当混凝土中钢筋周围游离态氯离子浓度到达某一限值时，钢筋表面的钝化膜被破坏后形成腐蚀电位，从而发生电化学腐蚀，即在阳极发生氧化反应，在阴极发生还原反应。

根据周围环境差异，电化学腐蚀可分为2种情况：一种为氧气充足时，另一种为缺氧或者酸性条件下。电化学腐蚀的反应式如下：

杂散电流的腐蚀机理为：当通过钢筋的电流密度小于0.6 mA/dm2，钢筋与周围的硅酸盐水泥发生电化学反应，生成一种电阻率较大的白色化合物，并附着在钢筋表面，形成钝化区；当通过钢筋的电流密度大于0.6 mA/dm2，阳极区钢筋失电子受腐蚀，阴极区钢筋得电子，发生析氢或耗氧反应[7]。

杂散电流和氯离子对混凝土中钢筋的腐蚀是一个相互促进的过程。杂散电流会加大混凝土内部的腐蚀电位差，从而加速氯离子的扩散作用，使得阳极区的氯离子浓度变大，从而加剧钢筋的锈蚀；另一方面，氯离子的存在会降低混凝土内部的电阻率，使得混凝土内部电阻对杂散电流的消耗减少，从而加速杂散电流的腐蚀作用。由此可见，存在杂散电流的含氯混凝土结构比相同环境下其他的结构更容易发生耐久性问题。

1.2 氯离子的主要来源

氯离子对沿海混凝土结构耐久性造成破坏主要通过2种形式：外部环境侵入与内部原材料引入。对于沿海变电站这样的沿海混凝土结构而言，海水及空气中的氯离子以外部侵入的方式对结构造成侵蚀；而在我国东部沿海地区的一些城市，由于河砂资源匮乏，部分混凝土建筑在建造过程中不当使用海砂或海水浇筑，会因海砂或海水中携带的大量氯盐导致结构内部氯离子浓度超标，进而导致钢筋的锈蚀及结构的劣化。

本文对浙江舟山地区的淡化海砂、未淡化海砂以及河砂按JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，水泥按GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》，淡化海砂拌和物按JGJ/T 322—2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》，分别进行氯离子浓度测定，并统一换算成占胶凝材料的质量百分比。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定，海岸环境等级为三b，各原材料占胶凝材料最大氯离子质量分数为0.1%，各原材料中氯离子质量分数及与规范值对比如表1所示。

对表1中的数据进行分析可知，未淡化海砂中的氯离子质量分数严重超过0.1%的阈值；淡化后海砂及其拌和物中的氯离子质量分数已接近0.1%的阈值。由此可见，在原材料阶段氯离子质量分数已接近甚至超过阈值，而在服役期外部环境中的氯离子也会侵入混凝土结构内部，从而存在混凝土内部氯离子质量分数超过阈值的风险，引发混凝土内部钢筋锈蚀。因此，严格控制混凝土原材料中的氯离子对于保障混凝土结构的耐久性极其重要。

表1 各建筑材料中氯离子质量分数

2 建筑用砂氯离子质量分数检测及风险分析

2.1 建筑用砂氯离子检测方法

我国针对建筑原材料均制定了相关检测方法，其中水泥、粉煤灰、矿粉等原材料中氯离子质量分数较为稳定，其氯离子质量分数失控风险较低。海砂需要经过淡化处理才能满足氯离子质量分数要求。淡化方法包括自然堆放法、淡水冲洗法等[8]，相关学者研究表明水/砂的质量比是影响淡化效果的主要因素[9-10]，同时试验表明，海砂内部空隙的氯离子存在从微空隙持续渗出的可能[11]。目前，砂中氯离子质量分数检测方法如表2所示。

表2 砂中氯离子质量分数检测方法

由上表可知，规程之间的主要区别是溶出的静置时间不同。

2.2 建筑用砂氯离子检测实例及风险分析

本文按照不同检测方法进行氯离子质量分数检测并对比。根据JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定，将淡化后的海砂（下文用海砂代替）与蒸馏水拌匀后静置2 h，然后用化学滴定法检测海砂中的氯离子质量分数。另外，增加不同静置时间组（静置12 h和24 h）作为对比，得到如图1所示氯离子质量分数检测 结果。

图1 不同氯离子静置时间效果比较

由图1可知，不同静置时间对海砂中氯离子的溶出效率有较为明显的差异，按规范规定的通过2 h静置明显低于静置12 h和24 h溶出的氯离子质量分数。郭元强等学者分析和讨论了不同试验标准和试验方法对海砂中氯离子质量分数测试结果的影响程度，表明不同的试验方法对海砂中氯离子质量分数的测试结果存在较大差异，应结合工程实际需要，选择测试标准和试验方法，以便真实体现氯离子质量分数。

吴帅[12]通过设置不同温度、不同浸泡时间，发现海砂溶液在80 ℃环境下浸泡1 h可以检出氯离子质量分数最大值。由上述分析可知，原材料氯离子质量分数检测，特别是海砂中氯离子质量分数检测的主要风险是取样的代表性，以及氯离子溶出速率的影响。

3 拌和物氯离子质量分数检测及风险分析

3.1 混凝土拌和物氯离子检测方法

混凝土建造过程中生产、运输环节时间紧凑，且拌和物的初凝时间短，我国规范推荐方法为通过静置或加热煮沸5 min来溶出拌和物内部氯离子，然后进行氯离子质量分数测定。表3为拌和物氯离子质量分数检测方法对比。

表3 拌和物氯离子质量分数检测方法

对比拌和物和砂中氯离子质量分数测试方法可知，我国混凝土拌和物测试过程中溶出时间少于砂子中氯离子溶出时间，因此，拌和物中氯离子质量分数检测结果存在偏低的风险。

3.2 混凝土拌和物氯离子检测实例及风险分析

根据JGJ/T 322—2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》（附录A和附录B）规定，将一组河砂拌和物和海砂拌和物分别与蒸馏水拌匀后煮沸5 min，然后用化学滴定法分别检测其氯离子质量分数；将另一组河砂拌和物与海砂拌和物和蒸馏水拌匀后用RCT测试法分别检测其氯离子质量分数。测试结果如图2所示。

图2 不同氯离子检测方法效果比较

由图2可知，仅通过附录A方法无法有效地排出拌和物中的全部氯离子，而附录B方法对溶液进行煮沸可提高氯离子溶出效率，但提升效果有限；另一方面，海砂拌物氯离子检出值已接近GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定的0.1%阈值。通过施工阶段海砂及其拌和物中氯离子质量分数的数据分析可知，混凝土浇筑之前要快速且准确地检测原材料以及拌和物氯离子质量分数存在一定的技术上的不足。

4 变电站建造过程氯离子质量分数管控建议

海洋环境下混凝土变电站存在外界腐蚀和杂散电流共同作用，对其进行氯离子质量分数管控至关重要。混凝土内氯离子的来源主要包括建筑用砂、水泥、外加剂及拌和用水。

由表1的数据分析可知，造成混凝土内部氯离子质量分数超过阈值的主要原因是建筑用砂。施工期混凝土结构氯离子质量分数全过程管控中，包含了原材料氯离子质量分数检测和拌和物氯离子质量分数检测2个管控流程，其管控流程及要点如图3所示。

图3 混凝土氯离子全过程管控及风险分析

由实例测试结果可知，考虑混凝土从出厂至浇筑时间较短的现实难题，5～10 min浸泡或煮沸时间无法溶出建筑用砂及水泥中氯离子质量分数，仅通过拌和物氯离子质量分数检测进行氯离子质量分数管控存在失效风险，因此，需要结合建筑用砂进行氯离子的严格管控。同时，依据实测数据可知，为严格管控氯离子质量分数，建议增加海砂浸泡时间，从而使氯离子充分溶出。

5 结语

1）海洋环境下混凝土结构变电站受外界氯离子侵蚀以及变电站杂散电流的耦合作用，混凝土耐久性问题会更加突出，混凝土内氯离子质量分数管控显得更加重要。

2）混凝土拌和物氯离子质量分数受检测时间限制，拌和物中氯离子质量分数检测量常低于真实值，仅通过管控拌和物氯离子质量分数存在氯离子质量分数超标风险，建议结合建筑用砂氯离子质量分数检测进行综合管控。

3）由实测结果可知，建筑用砂的氯离子溶出量随着静置时间增加而增大，为更严格地控制海洋环境下混凝土结构变电站的耐久性，从工程管理角度出发，建议在现行相关规范的基础上增加海砂静置时间，以获取更准确的测试结果。