三元前驱体车间钢筋混凝土地坪的腐蚀与防护

肖培胜 章春明

（1. 华友新能源科技（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000；2. 浙江浙防防腐工程有限公司，浙江 绍兴 312000）

0 引言

受益于“碳达峰、碳中和”政策的支持，作为新能源汽车动力电池正极材料的三元前驱体材料市场前景广阔。以某公司为代表，一大批三元前驱体建设项目陆续上马。项目建设要求质量高、工期短，但常规的工业地坪不能满足三元前驱体车间的使用需求，特别是防腐蚀方面。因此，必须设计有针对性的地坪防护方案，满足项目建设和运行维护的使用要求。

1 腐蚀介质与腐蚀机理

1.1 腐蚀介质

某公司三元前驱体材料生产工艺过程是以硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰为原料，经过金属液配置、合成、溢流/中转、过滤洗涤、干燥、混料、筛分及除铁等工序，生产出镍钴锰氢氧化物NixCoyMn(1-x-y)（OH）2（镍钴锰的比例根据实际需要进行调整），用于制造高性能动力锂电池正极材料。三元前驱体车间采用钢筋混凝土框架结构，使用现浇钢筋混凝土地面、楼板。

简要工艺流程及生产过程引入、生成物质情况如图1所示。

图1 三元前驱体工艺流程

其中：液碱浓度32%，硫酸浓度98%并稀释至5%～10%，氨水浓度10%～20%；硫酸铵、硫酸钠是生产过程中新生成的物质。

针对以钢筋混凝土结构为主的三元前驱体车间，以上几种物质是主要腐蚀介质。

1.2 腐蚀机理

根据三元前驱体车间存在的主要腐蚀介质划分，钢筋混凝土地坪受到的腐蚀类型可以分为硫酸盐对混凝土的腐蚀、强酸碱对混凝土腐蚀以及钢筋受到腐蚀等。

1.2.1 硫酸铵对混凝土的腐蚀

相比硫酸镍、硫酸锰、硫酸镍、硫酸钠等硫酸盐溶液，硫酸铵对混凝土的腐蚀性的腐蚀危害最大。硫酸铵溶液呈酸性，能够与混凝土中Ca（OH）2发生反应，生成可溶性盐，使混凝土结构发生破坏。其反应过程如下：

1.2.2 硫酸钠对混凝土的腐蚀

硫酸钠对混凝土的腐蚀以结晶膨胀腐蚀为主。由于混凝土结构存在很多毛细空隙，腐蚀介质接触混凝土后渗入毛细孔隙内结晶并发生吸水膨胀，导致混凝土结构发生表层疏松、结构开裂、钢筋裸露等不同程度的破坏，使钢筋混凝土受到腐蚀，影响结构强度和耐久。 经实验验证，由Na2SO4到Na2SO4·10H2O的晶变体积膨胀系数达到331%[1]。

1.2.3 强酸碱对混凝土的腐蚀

硫酸对混凝土的腐蚀与硫酸铵的腐蚀类型相同，属于化学溶蚀，使混凝土受到溶解破坏。其反应过程如下：

由于混凝土本身属碱性物质，一般情况下液碱对混凝土的腐蚀较小，但当液碱的浓度大于20%[2]，液碱对混凝土的腐蚀作用会逐渐加大，特别是结构本身不密实的混凝土。液碱渗入混凝土与空气中CO2反应生成Na2CO3，Na2CO3容易结晶吸水导致混凝土发生结晶膨胀腐蚀。其反应过程如下：

1.2.4 钢筋的腐蚀

受混凝土的握裹和保护层的屏蔽隔离作用，钢筋混凝土中发生腐蚀的可能性较小，但如果混凝土保护层受到破坏，一旦钢筋直接接触腐蚀介质或暴露于腐蚀环境中，所发生的腐蚀后果是极其严重的。受钢筋锈蚀产物体积膨胀影响，混凝土对钢筋的握裹能力下降并沿锈蚀方向发生开裂和断裂，大幅度降低混凝土结构的强度和楼板承载力。钢筋在这种环境的腐蚀行为可以总结为电化学腐蚀和化学腐蚀共同作用的结果。其反应过程如下：

如果接触泄露的酸碱盐腐蚀等腐蚀介质，腐蚀微电池离子浓度提升使腐蚀电路电阻降低，会加速电化学腐蚀的进程；同时，硫酸会溶解钢筋表面已生成的氧化膜并溶蚀钢筋，进一步加剧钢筋的腐蚀。其反应过程如下：

调试、生产、检维修过程中跑冒滴漏等异常情况时有发生，三元前驱体车间建筑楼地面地坪面临的腐蚀风险极大。根据以往的经验看，腐蚀产生的后果影响了生产正常运行，甚至需要停工停产检修。因此，对钢筋混凝土地坪采取合理的腐蚀防护措施是必要的，项目建设阶段的方案设计尤为 重要。

2 防护措施

2.1 设计原则

合理的结构设计如提升混凝土强度等级、增加混凝土钢筋保护层厚度、使用粉煤灰硅酸盐水泥等，施工方面如降低水灰比、保证混凝土密实度都能显著提升钢筋混凝土的在特定条件下的耐腐蚀和耐久性能。另外，设计防腐蚀地坪，通过附加屏蔽隔离腐蚀介质的方式达到防腐蚀的目的，是石油化工行业建筑防腐蚀的常用做法。

不同于一般工业建筑楼地面的腐蚀防护，三元前驱体车间对洁净度要求比较高。因此，其车间地坪不仅能够耐腐蚀，还要求表面光洁、易清理；同时，针对重点部位如酸碱区、重载区还要设计与使用环境相匹配的防腐方案。根据《工业建筑防腐蚀设计规范》要求，建筑楼地面面层腐蚀防护材料的选择应根据腐蚀介质的类别及作用情况、防护使用年限和使用过程中对面层材料耐腐蚀性能和物理力学性能的要求[3]，结合施工、维修的条件，综合以上因素确定具体的防护措施，这是三元前驱体车间地坪防腐方案设计的基本原则。

2.2 三元前驱体车间地坪方案

参照三元前驱体车间工艺特点和具体的腐蚀防护要求，可以将车间分成湿法区、干法区、重载区、酸碱配置区等不同区域，分别设计与之相匹配的地坪方案。根据本人多年防腐蚀工程施工与技术管理工作经验，结合《工业建筑防腐蚀设计规范》相关要求，总结了一套适用于三元前驱体车间建筑楼地面防腐蚀方案，具体地坪构造如表1所示。

表1中，相关树脂采用环氧树脂E44和双酚A型乙烯基酯树脂，各构造层用料及厚度参照相关防腐蚀施工规范要求，此处不再阐述。

2.3 环氧砂浆自流平地坪

不同于普通环氧自流平施工工艺，表1中环氧砂浆自流平地坪增加了砂浆找平层和FRP隔离层。借鉴沥青路面中透层、粘层和封层的构造划分，我们将环氧砂浆自流平地坪划分为透层、粘层、功能层、封层等构造层，以便区分和识别。

表1 三元前驱体车间防腐蚀地坪方案

环氧树脂砂浆找平层和环氧树脂FRP隔离层是对普通环氧地坪的加强和改造，提升了抗渗、抗裂和综合防腐功能，使之能够满足三元前驱体车间复杂工况环境的使用要求，且能够达到长效防腐的 目的。

表2 三元前驱体车间的环氧砂浆自流平地坪构造表

2.4 施工技术要求

“三分料、七分工”，施工质量是防腐蚀工程质量的重要保障。在防腐蚀地坪施工过程中需严格遵守《建筑防腐蚀工程施工质量验收规范》等国家标准规范的相关施工技术要求。需要指出一点，也是在实际应用过程中容易忽视的地方，即混凝土基层质量的控制。在地坪防腐施工前，严格的混凝土基层质量验收是防腐蚀地坪质量控制的前提，要确保混凝土基层强度、密实度、平整度等符合设计要求，深度20mm范围内水分测试不大于6%。如达不到上述要求，则防腐蚀地坪容易出现空鼓、开裂、脱层等质量缺陷，使防腐层失去腐蚀防护的作用。

3 结语

钢筋混凝土的“五倍定律”，即对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。“五倍定律”的经验总结说明了混凝土耐久性对后期使用维护成本的重要程度，特别是设计方案对整个使用周期的重要性。三元前驱体车间钢筋混凝土楼地面的腐蚀防护问题不容忽视，在大干快上的项目建设过程中一定要引起充分的重视。同时，我们也要认识到，没有一种防腐蚀措施是万能的，要根据使用环境和腐蚀介质的不同，因地制宜选择合适的方案，才能确保建筑结构耐久和使用安全。