石化裝置中混凝土的腐蝕分析及加固措施

朱立新（洛陽石化工程質(zhì)量監(jiān)督站 河南 洛陽 471012）

一、前言

石化裝置在長期的使用過程中，用于承載大型設(shè)備的鋼筋混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)了不同程度的表層剝離、開裂、鋼筋外露、銹蝕的現(xiàn)象，對設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)造成重大影響。某裝置區(qū)內(nèi)罐的框架式基礎(chǔ)竣工近十年后，出現(xiàn)大量縱向裂紋，并且在近一年時(shí)間里，裂縫快速發(fā)展，其寬度達(dá)到1毫米以上，表面粉刷層及鋼筋保護(hù)層局部出現(xiàn)起鼓、脫落，透過縫隙可見部分鋼筋外露、銹蝕，嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行。該設(shè)備基礎(chǔ)所處的環(huán)境為含有二氧化硫的大氣。同時(shí)，設(shè)備外部有液體排出，滴落在框架上表面，并從框架外側(cè)滲出。

二、原因分析

在低強(qiáng)度的混凝土中，由于水泥漿含量低、水灰比大，骨料相對含量高，骨料之間存有大量孔隙，在攪拌、振搗時(shí)水會(huì)在這些骨料孔隙間流動(dòng)，流動(dòng)特性基本上與其他多孔物體的滲透流動(dòng)相同。這些流動(dòng)的水會(huì)形成通道，其直徑遠(yuǎn)比毛細(xì)管大。

長期與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土中起重要支撐作用的石灰會(huì)被溶解，使液相的石灰濃度下降，在混凝土外表面，游離的石灰在水的溶解下，濃度不斷降低，由于內(nèi)外濃度的差別，混凝土內(nèi)部的石灰會(huì)不斷向外溶出，其結(jié)果同樣造成混凝土強(qiáng)度下降。外觀表現(xiàn)為表層混凝土變得粗糙、易剝落。

2.二氧化硫的影響

外界的二氧化硫滲入后，首先將直接降低毛細(xì)管內(nèi)液體的酸堿平衡濃度，為了維持濃度平衡，固態(tài)的游離石灰溶解加以補(bǔ)充。當(dāng)在毛細(xì)管內(nèi)堿度在酸的作用下迅速下降時(shí)，附近的固態(tài)游離石灰很快耗盡，堿度繼續(xù)下降至水化產(chǎn)物的極限值時(shí)，硅酸鹽結(jié)晶組分會(huì)分解，由高鈣水化產(chǎn)物向低鈣水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，以不斷釋放出石灰。最終，如果所有構(gòu)成強(qiáng)度的高鈣結(jié)晶都遭到分解而形成低鈣結(jié)晶，甚至進(jìn)一步分解形成毫無膠結(jié)能力的硅膠和鋁膠，形成破壞。

3.硫酸鹽的影響

硫酸鹽與硬化水泥漿中的鋁酸鹽通過反應(yīng)，會(huì)在鋁酸鹽表面形成鈣礬石。而鈣礬石的形成，對混凝土內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有貢獻(xiàn)，相反，由于鋁酸鹽形成鈣礬石的過程中，體積會(huì)增大到原來的8倍，形成巨大的膨脹應(yīng)力。同時(shí)，硫酸鹽還會(huì)與硅酸鹽生成鈣硅石（主要由氫氧化鈣、碳酸鈣、二氧化硅和石膏在低溫下形成），使混凝土表面產(chǎn)生鼓泡、脹裂和凸起，使混凝土松軟，強(qiáng)度降低。

4.水凍融的影響

一般認(rèn)為，因?yàn)榛炷林泻谐錆M毛細(xì)管的自由水（它的冰點(diǎn)和毛細(xì)管的管徑相關(guān)，并且不可能是純水，在低濃度部分，它的冰點(diǎn)通常在-1攝氏度左右）。在冬季遇冷時(shí)結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹，超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，引起混凝土內(nèi)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)這種破壞不斷積累后，會(huì)形成微裂縫。在多次反復(fù)凍-融循環(huán)作用下，混凝土中的微裂縫會(huì)相互貫通，其強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，混凝土表面剝落，造成破壞。這種情況在低強(qiáng)度的混凝土中更加明顯。

我國要求生活垃圾焚燒的排放必須滿足GB 18485—2014標(biāo)準(zhǔn)，二惡英排放值需低于0.1 ng/m3［5］，飛灰收運(yùn)和處置需按危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理。但是，國內(nèi)農(nóng)村地區(qū)的小型焚燒爐很難配置完善的煙氣凈化系統(tǒng)，飛灰安全處置也難以實(shí)現(xiàn)，因此降低排放物原始污染濃度是一個(gè)必然的選擇。

5.堿溶液的影響

當(dāng)混凝土表面被堿溶液浸潤，其蒸發(fā)面暴露在含有二氧化碳的大氣中時(shí)，溶液在毛細(xì)管的外端不斷蒸發(fā)，堿溶液與二氧化碳形成的堿金屬碳酸鹽濃度不斷提高，最終在該處達(dá)到過飽和，加速侵蝕作用。同時(shí)，析出的結(jié)晶鹽，會(huì)隨著溫度的變化，由帶水結(jié)晶體轉(zhuǎn)化為含水結(jié)晶體，體積會(huì)大量增加，從而形成膨脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)形成類似水凍融產(chǎn)生的破壞。

6.鋼筋的銹蝕

在混凝土受到侵蝕時(shí)，混凝土的堿性會(huì)下降，而堿性是維持電化學(xué)反應(yīng)不再繼續(xù)進(jìn)行的必要條件。當(dāng)堿性降低時(shí)，鋼筋的這層鈍化膜會(huì)遭到破壞，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，持續(xù)生成氧化物，最終形成大量氧化物（鐵銹）的堆積。鐵銹的體積比鐵元素大很多，這又引起了鋼筋體積的膨脹，最終會(huì)破壞混凝土，造成開裂。其裂縫通常沿鋼筋的方向延伸，從外觀看為基本平行的縱向裂縫。

三、處理方法

綜上所述，混凝土的腐蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，混凝土的腐蝕往往是各種因素綜合作用所產(chǎn)生的結(jié)果。結(jié)合該設(shè)備基礎(chǔ)實(shí)際環(huán)境情況，對該設(shè)備基礎(chǔ)的處理主要采取隔絕外界液體腐蝕的方法進(jìn)行處理。

經(jīng)過詳細(xì)測量，該基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降，并且周圍硬化地面情況良好，說明基礎(chǔ)地下部分未受腐蝕。針對柱開裂嚴(yán)重，鋼筋發(fā)生銹蝕，可以采取濕式外包鋼加固防腐。即對框架柱的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，增加防腐措施，并且對因銹蝕造成鋼筋的強(qiáng)度損失進(jìn)行彌補(bǔ)。具體做法如下：

1.將原鋼筋混凝土柱表面疏松層去掉，對疏松層下的裂縫可以用超細(xì)混凝土注漿料灌實(shí)。柱表面用乳膠水泥（乳膠含量不少于5%）修補(bǔ)平整。柱四角磨出小圓角，用鋼絲刷刷毛，用壓縮空氣吹掃干凈。

2.柱角抹5厚乳膠水泥，立即粘上角鋼，并用夾具在兩個(gè)方向上將柱四角的角鋼夾緊，夾具間距不大于500毫米。

3.焊接扁鋼。焊接時(shí)注意分段交替焊接。焊接過程應(yīng)在膠漿初凝前完成。

4.鋼結(jié)構(gòu)完成后抹30厚乳膠水泥保護(hù)。

該基礎(chǔ)經(jīng)本方法加固施工后，效果良好。

四、處于裝置區(qū)內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采取的防腐措施

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中解決混凝土腐蝕問題，是最根本的方法。在確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能參照一般性的設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)根據(jù)具體的情況，適當(dāng)提高對混凝土的抗?jié)B等級(jí)的要求，并且采用盡量減少構(gòu)件中的應(yīng)力水平，嚴(yán)格控制鋼筋的直徑，限制裂縫的寬度不得超過0.2毫米，在容易受到雨淋或可能積水的混凝土構(gòu)件表面做成斜面，或者設(shè)置排水系統(tǒng)等方法。

從構(gòu)造上來說，可以適當(dāng)提高混凝土的標(biāo)號(hào)，加大鋼筋保護(hù)層的厚度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，處于含有腐蝕性氣體的環(huán)境中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)，鋼筋保護(hù)層厚度也應(yīng)相應(yīng)增加。

從材料方面，根據(jù)實(shí)際情況，可采用火力發(fā)電廠電除塵產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)細(xì)粒粉煤灰作為添加劑，將能有效提高混凝土的耐久度。根據(jù)資料建議，粉煤灰摻合量約在20%～50%之間，具體可以通過實(shí)驗(yàn)確定。

在設(shè)計(jì)中，還要考慮具體的生產(chǎn)工藝條件，以及出現(xiàn)事故時(shí)，侵蝕介質(zhì)的變化情況。這是必須要加強(qiáng)考慮的。

2.施工控制

混凝土生產(chǎn)應(yīng)確保高質(zhì)量、高密度、永久性和耐用型混凝土?；炷翝仓谝?guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。骨料應(yīng)保持在陰暗處，也可以使用冷水消除混凝土的溫度。如有必要，在大面積澆筑時(shí)，可以使用冷卻水循環(huán)管降低溫度。在混凝土施工縫表面不應(yīng)有影響混凝土或降低接縫表面粘合的碎片和任何其他物。在有液體飛濺區(qū)避免或嚴(yán)格限制使用施工縫。施工時(shí)嚴(yán)格操作程序，保證施工質(zhì)量。

從施工后處理方面，可以對混凝土進(jìn)行表面處理，涂覆防腐涂料或附加保護(hù)層。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，涂覆氯化橡膠漆類、聚氨脂漆類和樹脂涂料等，保護(hù)周期可達(dá)20年左右。附加瀝青、玻纖布瀝青、玻纖布樹脂，也有良好的效果。

結(jié)論

根據(jù)混凝土的腐蝕主要因素，結(jié)合設(shè)備基礎(chǔ)所處的環(huán)境情況，提出了以隔離外界腐蝕、提高強(qiáng)度為主的加固、防腐處理方法。對類似的混凝土設(shè)備基礎(chǔ)，應(yīng)在設(shè)計(jì)施工中就采取必要的防腐的措施，主要包括添加粉煤灰、改善施工工藝、混凝土的表面處理等方法，避免今后出現(xiàn)類似的問題。

[1]劉傳明、劉咸,鋼筋混凝土的腐蝕原因與防護(hù)措施,全面腐蝕控制,2002,6.

[2]李季.水工混凝土腐蝕及防護(hù)措施,丹東海工,2009(13):39-40.

[3]羅獻(xiàn)彬.混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕因素及預(yù)防辦法.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009（7）:38.

[4]混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T50476-2008.

[5]工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范GB50046-2008.