高寒地区冷却塔混凝土的冻融防治技术

赵志超

(兖矿新疆煤化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

兖矿新疆煤化工有限公司位于新疆乌鲁木齐市甘泉堡经济技术开发区，约东经87°46′55″，北纬44°13′08″，属典型的大陆性温带亚干旱气候区，多年平均气温为5.7℃，极端最高气温为43.54℃(1973 年8 月1)，极端最低气温为-42.2℃(1976 年12 月26 日)最大冻土深度为2.02m，标准冻深为1.85m。

冷却塔宽17.6m，长164m，建筑面积2286m2；2010 年开工建设，已使用10 年，屋面大面积出现开裂、剥落，梁、柱楞角出现开裂、剥落、缺损，多出漏筋，给安全生产埋下隐患。

1 原因分析

抗冻性是混凝土的一项重要指标，冻融是混凝土受到干湿变化、温度变化、冻融变化等物理作业而遭到破坏，是高寒地区混凝土构件常见病害；其原因与混凝土内部孔隙结构、混凝土强度、水饱和程度、受冻融龄期等诸多因素有关，其中最主要的因素是孔隙结构，而混凝土的孔隙结构是由混凝土的水灰比、施工养护方法、添加剂等因素决定的。

在混凝土硬化过程中，多余的游离水会逐渐蒸发出来，多余游离水蒸发后，会留下大量开口毛细孔隙，这些毛细孔隙，相互连通，形成体系。一般来说，在相同良好成型条件下，水灰比大，内部空隙多，密实度小，吸水性、渗透性大，强度低，混凝土的抗冻性就较差。混凝土冻融常见原因主要有以下二个方面：

1.1 干湿交替和冻融循环破坏

混凝土终凝后在其内部存在许多孔隙，这些孔隙中一般充有水；干燥环境下构件混凝土不会发生冻融破坏，饱水状态极易发生；冷却塔构件混凝土因其所处环境往往处于饱水状态；寒冷季节孔隙内的水结冰，体积增大，孔壁承压破坏开裂；温度升高，冰融化，孔隙中会渗入更多的水；温度降低，孔隙中的水再次结冰，孔隙胀裂扩张，这种现象称之为冻融循环。

干湿交替，寒来暑往，冻融循环；冰涨压力和渗透压力联合作用，使混凝土产生疲劳应力，孔壁破坏开裂，相互连通，成为裂缝，反复多次，损伤积累扩大，强度降低，甚至丧失，由表及里，松动剥蚀。

1.2 化学侵蚀和混凝土碳化

在超低排放标准实施前，燃煤锅炉排放气体中含有较多二氧化硫，在大气中二氧化硫会进一步氧化成三氧化硫，三氧化硫与混凝土中的氢氧化钙反应生成硫酸钙，体积膨胀；而硫酸钙还会与混凝土中铝盐继续反应生成硫铝酸钙，体积二次膨胀，膨胀应力使混凝土疏松开裂。混凝土碳化也是一种化学侵蚀，这种化学侵蚀是由于空气中的二氧化碳渗入到混凝土内部，与其碱性物质发生化学反应生成碳酸盐，致使其碱性降低，当碳化深度超过保护层厚度时，混凝土丧失对钢筋的保护作用。锅炉、空分等装置排出的气体，使冷却塔周围空气中的二氧化碳浓度显著升高，高浓度二氧化碳长期侵蚀，导致冷却塔屋面、墙、梁、柱等构件混凝土加速碳化。

化学侵蚀和混凝土碳化(见图1)，破坏了钢筋原有钝化膜，钢筋锈蚀，体积膨胀，保护层开裂，顺筋裂缝形成，继而疏松剥落。

图1 化学侵蚀和混凝土碳化示意图

2 防治措施

2.1 预防措施

(1)严把材料关。确保耐久性，根据混凝土构件所处环境和结构类型等条件科学选用水泥品种、粗细集料和外加剂。

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥与复合水泥相比，水泥活性高，拌制混凝土用水量少，因此硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥混凝土比复合水泥混凝土抗冻性要好，应优先选择硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。集料本身的抗冻性和集料的吸水率，是集料影响混凝土抗冻性的主要因素，一般卵石和碎石皆可满足混凝土抗冻要求，坚固性差的集料，如风化岩石等，对混凝土抗冻性影响较大，应避免选用。提高混凝土抗冻性的外加剂主要有三种，减水剂、引气剂和减水型引气剂。减水剂可减少混凝土拌和水用量，有效降低水灰比，从而减少混凝土孔隙率，增加密实度和强度，提高混凝土抗冻性；引气剂可使混凝土凝固后内部包含大量分布均匀的封闭微气孔，这些微气孔，彼此分离，互不连通，不会形成透水孔道，可大大改善混凝土的抗冻性。

拌制混凝土时适量参入纤维，能有效阻止或延缓其裂缝发展，提高混凝土密实度、抗渗性、抗折性能和强度，在混凝土受冻膨胀时起到拉伸作用。混凝土中掺入优质粉煤灰也可改善其内部空隙结构，提高其密实度，从而增强混凝土的抗冻性。拌和水、养护用水应使用洁净淡水，不得使用海水、高盐水等不合格水。

(2)严把配制关。混凝土主要有胶凝材料、水、石子和砂四种材料组成，配合比设计实质上是由实验确定四种材料之间的三个比例参数，即水胶比、砂率、单位用水量；混凝土混合比应遵循以下四个原则，即强度适宜原则、良好工作性原则、固定低用水量原则、良好保水性原则。在保证混凝土流动性情况下尽可能降低水灰比。

(3)严把施工关。施工前认真阅读施工图，按照设计要求、施工规范编制施工方案，进行技术交底，每道工序经验收合格并履行签字手续后，方可进行下道工序施工。混凝土浇筑应分层连续浇筑，不得随意留置施工缝，为防止混凝土离析，下落高度不得超过2m；混凝土浇筑应连续进行，插入式振捣器应快插慢拔，均匀排列，逐点移动，振捣密实，不得遗漏。混凝土浇筑完成后，应在12 小时内覆盖浇水养护，养护持续时间不少于二周，每日浇水次数以保持混凝土湿润状态为佳。

(4)对混凝土表面进行处理，进行二次抹面或粉刷防渗涂料，有效隔离酸性气体和水。

2.2 治理措施

(1)屋面冻融治理措施：清除松动混凝土至密实处，清水冲洗干净，砂浆找平，TS 防水层，保温层找坡，-40℃SBS 改良性沥青防水层，如图2 所示。

图2 屋面冻融治理措施

(2)梁、柱冻融治理措施：清除松动混凝土至密实处，清水冲洗干净，环氧胶泥修补破损处，满刮环氧稀胶泥腻子两遍，刷环氧树脂底漆两遍，刷环氧酶沥青漆两遍。

(3)其他构件治理措施：内壁满刷环氧酶沥青漆两遍，外壁满刷氯磺化涂料两遍。

3 结语

兖矿新疆煤化工有限公司冷却塔经以上方法处理，使混凝土结构与水、酸性气体有效隔绝，运行效果良好，经历一个冬季，未发现冻融现象。综上所述，高寒地区混凝土冻融成因比较复杂，即与其自身特性有关，也受外部环境因素干扰，其成因和防治措施还有待于进一步分析研究。