核电厂混凝土建筑物老化形式及应对策略

摘 要：核电厂的设计寿命通常为40年或60年或者更长的时间，且通常建造在沿海地区。混凝土建筑物老化、钢筋锈蚀是沿海地区混凝土结构常见的腐蚀破坏形式，碳化、氯离子侵蚀、海生物腐蚀是造成钢筋锈蚀的主要因素。认识并掌握混凝土建筑物老化的形式为提供合适缓解和修复策略做出指导意见。核电厂设计寿期大多在40+年，混凝土结构在整个寿期内基本不可更换，因此开展混凝土结构老化分析及必须的应对措施以保障其在寿期内安全可靠运行，同时延长混凝土建筑物的使用寿命，具有重要的工程意义。

关键词：混凝土;老化;应对策略;氯离子

钢筋混凝土结构是核电厂使用最为广泛的结构，中国核电厂均地处沿海地区，海洋性侵蚀性环境会导致核电厂构筑物钢筋混凝土过早地发生氯盐侵蚀、大气碳化，进而诱发钢筋腐蚀，导致混凝土结构生命周期提前结束，大到安全壳、取水口、小到GB沟、砖石或地下构造。这些结构需要通过有效的定期检查、修缮和防护，才能确保其在电厂全寿期内可用性。可以预想，随着核电厂运行时间的推移，钢筋混凝土老化程度将持续增加，如不采取合适有效的防护措施，将会有越来越多的混凝土建筑结构发生损伤破坏。因此，开展混凝土老化预防及研究很有必要。

一、混凝土建筑物老化形式。

混凝土的损坏和退化有各种各样的表现形式，如碳化、脱落、开裂、空鼓、涨裂、分层以及钢筋外露、生锈、骨架了裸露等等。通常核电厂混凝土结构构筑物或建筑物的失效大多源于一种或多种老化机理（比如温度变化、潮湿环境、固定频率性荷载等）单独或综合的作用。

（一）混凝土碳化

未经处理的混凝土暴露在空气中，碳化不可避免。之所以会碳化是因为受到了化学性侵蚀，空气中二氧化碳缓慢渗入混凝土构件里面和其碱性物质氢氧化钙发生化学反应而生成碳酸钙，最初，碳酸钙可以使混凝土硬化，抗压强度也随之增强，但是，随着时间的推移，碳酸钙会在碱性环境中逐步分解。根据渗透率而定，二氧化碳在混凝土中渗透的越深就越接近钢筋。当钢筋周围的混凝土因碳化作用被破化后，空气和水的腐蚀作用会使钢筋生锈加剧，导致膨胀、松软剥落开裂、导致四周的结构也受到破化，这个过程就是混凝土的碳化。碳化作用通常不会直接对硬化混凝土产生破坏作用，对于素混凝土，碳化还可以增加其强度。可是却会加快钢筋混凝土中钢筋的锈蚀这必须引起高度的重视。

（二） 氯离子加速混凝土老化

目前国内核电厂均处于海边或入海口处。混凝土结构长期受到氯离子侵蚀，再加上碳化共同作用，一方面会改变混凝土微观结构，从而影响氯离子的扩散进程。并且会使原来对钢筋无害的结合氯离子转化为对钢筋有害的自由氯离子，从而加速氯离子的扩散速度，缩短混凝土中钢筋发生锈蚀的时间。业内研究表明碳化作用对混凝土中氯离子传输的影响主要体现在扩散区。碳化作用加快了混凝土中氯离子扩散速度，提高了混凝土中的氯离子含量。相对于碳化再结合氯离子的释放作用，碳化导致的混凝土微观结构重分布对氯离子扩散的加速作用占主导地位。

（三）水流冲刷、海洋污损生物腐蚀及碳化和氯离子共同侵蚀

取水口运行状态直接关系核电厂的安全性和可靠性化、在冷却的过程中海水流经取水的涵道，日积月累的侵蚀和冲刷可能造成混凝土的裂缝、破损、钢筋锈蚀、碱骨料反应。由于长期在水下，氯离子对外露钢筋进一步的侵蚀，可能导致结构性的崩裂加剧混凝土老化脱落。同时海洋污损生物对取水口涵道腐蚀问题也是核电厂面临的一个特定的课题。海洋污损生物对混凝土的腐蚀机理非常复杂，主要表现为四个阶段：幼虫附着释放生物胶类物质、生长期觅食排泄物、成熟期生殖分泌物、死亡期遗体酸性物质。海洋污损生物对混凝土结构的腐蚀破坏主要表现为破坏钢筋混凝土表面的保护层，使钢筋暴露于海水腐蝕环境中。

（四）设计及施工细节导致

混凝土建筑物的某些老化可能因原始设计错误、结构设计不足或施工时对细节的关注度不够。凝固不充分或者接缝或钢筋定位不准确导致的空隙之类的施工缺陷也会促使建筑物劣化降质。

（五）其他因素

在核电厂中，还有其他因素影响混凝土的老化、粉花或退化。而化学腐蚀和辐照则是核电厂运行过程中所特有的影响因素。

二、检测与试验。

混凝土的老化和退化有多种表现形式，如碳化、脱落、开裂、空鼓、涨裂、分层以及钢筋外露、生锈、骨架了裸露等等。通常，检测混凝土建筑物和材料的老化需要综合多种试验方法，单纯靠一种技术来检测到所有潜在的老化因素那是不可能的。通常的方法有目视检测，材料取样分析等等。

三、 预防、修复策略

定期检测评估完成后，必须制定具体的处理方案。对开裂等等情况国内通常使用水泥或环氧砂浆对混凝土表面进行重建。视基材相容性以及使用寿命和覆膜厚度，有系列涂层产品可供选择。对原设计不满足要求加固或重建。

（一） 脱落混凝土修复

VA、ZB厂房由于外墙脱落、裂缝较多，导致雨水天气大量雨水渗入，影响室内设备的安全运行。对墙面进行修复，其中就包括改良的聚合物水泥胶结材料，原墙面空鼓部分凿除至砖墙面，外墙面批涂聚合物防水砂浆，并整体压入耐碱玻纤网格布，砂浆厚度要求3-5mm，分2次实施;网格布搭接不小于100mm，这种涂料以水泥为基质，通过化学反应，与基体成为一提，其设计寿命与之加固混凝土的设计寿命相当，这样能避免混凝土结构免受湿气的入侵，避免进一步恶化，减少电厂的维护工作量。

（二）设计缺陷混凝土重建

某电厂原CB挡土墙设计所采用的砂浆强度等级过低，挡土墙砌体抗剪强度不满足要求，长期遭受风吹日晒以及地基不均匀沉 降等影响，毛石挡墙出现大面积的裂缝及位移，不但影响美观而且还影响挡墙的使用功能，存在墙体开裂坍塌的安全风险，需将挡墙修复为钢筋混凝土结构悬臂式挡土墙，安全等级二级，设计使用年限50年。结构混凝土采用C30混凝土，垫层混凝土采用100mm厚C15混凝土，钢筋采用HPB300、HRB400钢筋。受力钢筋混凝土保护层厚度40mm，悬臂式钢筋混凝土挡土墙地基承载力特征值不低于200kPa。

（三）水下涵道混凝土的应对策略

对于水下的涵道，最好能安装阴极保护系统，可以防止或减轻混凝土钢筋腐蚀，阴极保护系统可以使用牺牲阳极保护后外加电流阴极保护，或两种方式结合使用。外加电流阴极保护系统由直流电源系统、辅助阳极系统、参比电极、控制系统和监测系统组成。外加电流阴极保护能够从机理层面缓解氯离子侵蚀过程：如改变氯离子迁移方向，减少钢筋表面氯离子浓度，使钢筋产生氢氧根离子，提高混凝土碱性。因此，相较于其他防护措施，外加电流阴极保护是一种“治本”的防护措施，尤其适用于受氯盐侵蚀破坏严重的既有混凝土结构。

四、结束语

核电厂设计寿期大多在40+年，混凝土结构在整个寿期内基本不可更换，因此开展混凝土结构老化分析及必须的应对措施以保障其在寿期内安全可靠运行，同时延长混凝土建筑物的使用寿命，具有重要的工程意义。

参考文献：

[1] 王亚平， 方达经， 沈尔卜.海工钢筋混凝土结构热喷涂牺牲阳极保护研究[J].全面腐蚀研究，2011，25（12）：28-33

[2] 杜荣归， 黄若双， 赵冰等.钢筋混凝土结构中阴极保护技术的应用现状及研究进展[J]. 材料保护，2003，36（4），11-14

作者简介：杨伟理（1982—），女，建筑学学士，从事土建监理工作。