冷卻塔水工混凝土病害成應及破壞機理分析

　　冷卻塔水工混凝土老化病害從表面上看,主要有裂縫、滲漏、剝蝕等三種而每一種病害又是由多方面原因造成的。

　　裂縫主要由荷載、溫度、干縮、鋼筋銹蝕、堿集料反應、地基凍脹、水泥水化熱溫升等原因引起。

　　滲漏主要由混凝土振搗不合格、密度性差、伸縮縫止水帶失效等原因引起。

　　剝蝕主要由凍融、沖磨氣蝕、鋼筋銹蝕、化學侵蝕、堿集料反應及低強風化等原因導致的。

**節　裂縫

　　裂縫是水工混凝土構筑物中最普通、最常見的病害之一,而混凝土裂縫往往是由多種原因聯合作用的結果。

　　混凝土是多相復合脆性材料,當混凝土拉應力大于其抗拉強度,混凝土就會產生裂縫。

　　裂縫按深度不同,可分為表層裂縫、深層裂縫和貫通裂縫。

　　裂縫按寬度不同,可分為死縫(寬度和長度不再變化)、活縫(其寬度隨外界環境條件和荷載變化而變化和增長縫(其寬度或長度隨時間而增長)。

　　裂縫按產生原因,可分為溫度裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫、堿集料反應裂縫、超載裂縫和地基不均勻沉陷裂縫。

一、溫度裂縫

　　大體積混凝土澆筑后,由于水泥水化熱使混凝土內部溫度升高。經實測可達72~75℃。由于大氣環境溫度較低,因此,混凝土溫度開始下降,混凝土在溫降過程中產生收縮。在約束條件下,當混凝土收縮變形大于混凝土極限拉伸變形時,混凝土容易產生裂縫,這種裂縫稱為溫度裂縫。

二、干縮裂縫(紋)

　　空氣中混凝土因水分散失,而引起的體積縮小變形,稱為干縮。干縮僅是混凝土收縮的一種。除干縮外,混凝土還有自生收縮(自縮)、溫度收縮(冷縮)、炭化收縮等。

因為干縮的擴散速度比溫度擴散速度要慢1000倍,所以混凝土表面已干縮,而其內部不干縮,這樣內部混凝土對表面混凝土干縮起約束作用。使混凝土表面產生應力,當混凝土干縮應力大于混凝拉抗拉強度時,混凝土就會產生裂縫。實際上冷卻塔水工混凝土產生干縮裂縫也包含混凝土自生體積收縮和碳化收作用的結果。

三、鋼筋銹蝕裂縫

　　混凝土中鋼筋發生銹蝕后,其銹蝕產物氫氧化鐵的體積將比原來的體積增長2~4倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力。當該膨脹應力大于抗拉強度時,混凝土產生裂縫,這種裂縫稱為筋銹蝕裂縫。這種裂縫一般是沿鋼筋長度方向發展的順筋裂。

四、堿集料反應裂縫

　　由于我國過去水泥含堿量一般不高,自20世紀90年起，30余年來一直生產高混合材水泥,如粉煤灰水泥、400號礦渣水泥,其礦渣含量高達60%-70%.有這么多活性混合的廠水泥熟料含堿量高,砂石中有相當數量的活性成分可起到消化緩解堿的作用。因此在我國一般土建工程沒有見到堿集料反應對工程的損害。由于近年來我國水泥、外加劑等生產技術的發展變化,混凝土堿集料反應問題已構成我國土建工程的一大潛在危害。尤其是冷卻塔的水工混凝土長期處在水飽和及濕熱的工作狀態,更容易出現此類危害。大慶油田熱電廠1號冷卻塔191年投產運行,10年后在塔簡壁喉部位置出現堿反應集料裂縫,冷卻塔堿集料反裂縫,主要出現在塔內架構部位的混凝土梁、柱上,以及筒壁的喉部位置。從塔壁外觀上看,筒壁喉部位置混凝土受鋼筋約束多沿著環筋方向橫向開裂,隨著反應破壞的發展,可以看到從裂縫中溢出白色膠體痕跡,污染塔壁,影響廠區及冷卻塔外表面的美觀,其被稱為冷卻塔上的“牛皮癬”。

五、超載裂縫

　　當冷卻塔遭受超載作用時,如冬季淋水架構嚴重結冰時,其構件產生的裂縫稱為超載裂縫,也稱為結構裂縫此外,冷卻塔還有因地基產生不均勻沉陷產生的裂縫。因地基凍脹產生的裂縫也稱為結構裂縫。

第二節　滲漏

　　冷卻塔構筑物的主要任務是將生產過程中經熱交換升溫后的循環水,通過與空氣直接接觸,由蒸發傳導方式進行熱交換從而降低循環水的水溫。因此,滲漏是冷卻塔(循環水溝)水工混凝土構筑物常見的主要病害之一。滲漏會使冷卻塔筒壁內部產生較大的滲透壓力和浮托力,甚至危及冷卻塔的穩定與結構安全。滲漏還會引發溶蝕、侵蝕、凍融、鋼筋銹蝕、地基凍脹等病害,加速混凝土結構老化,縮短冷卻塔的使用壽命。

　　按照滲漏的幾何形狀可分為點滲漏、線滲漏和面滲漏三種。

　　點滲漏和面滲漏一般是由混凝土施工質量差造成的。例如，材料不合格、配合比不準確、攪拌不均勻、振搗不密實、漏振、骨料析離、早期凍害、抗滲等級低等。造成混凝土內部形成相互連通的蜂窩孔隙,從而導致集中或零散滲漏和大面積滲漏觀象發生。

　　線滲漏較為常見、發生率高。根據滲漏水的速度,滲漏分為慢滲、快滲、漏水和射流等4種。滲水量與滲徑長度、靜水壓力滲流截面等因素有關。

　　造成滲漏的原因主要有以下幾種:

      (1)裂縫,尤其是貫通性干縮裂縫,沒有及時處理是產生滲漏的主要原因之一。漏水程度與裂縫的形狀(長度、寬度、深度分布)及溫度有關。冬季溫度低,裂縫寬度大,在同樣水位下滲漏量就大,筒壁結冰就嚴重。

     (2)施工縫止水結構失效,橡膠止水帶施工工藝不正確,凝土預留的凹凸止水槽施工時清理不干凈,止水板搭接長度小高度不夠,還有止水板本身有孔洞,這些都會引起滲漏。

     (3)混凝土施工質量差,抗滲指標沒有達到設計要求。振排不密實、漏振,出現蜂窩孔洞,從而導致在混凝土中滲漏。

     (4)施工時,筒壁模板對拉螺栓沒有按設計要求封堵或封不嚴,給結構安全帶來隱患,造成滲漏。滲漏對冷卻塔混凝土的危害性很大,滲漏會使混凝土產經蝕性破壞。混凝土中水泥的水化產物,主要有水化硅酸鈣、水鋁酸鈣、水化鐵鋁鈣及氫氧化鈣。而足夠的氫氧化鈣,是水產在以上水化產物中,氫氧化鈣在水中的溶解度較高,在物凝聚、結晶穩定的保證情況下,混凝土毛細孔中均存在飽和氫氧化鈣溶流一B滲漏,滲漏水就可能把混凝土中的氫氧化鈣溶出帶走。在外部形成白色碳酸鈣結品晶,這樣就破壞了水泥其他水化產物穩定存在的平衡條件。從而引起水化產物的分解,導致混凝土性能的下降。當混凝土中總的氫氧化鈣含量(以氧化鈣量計算)被溶出25%時,混凝土強度下50%:當溶出超33%時,混凝土將完全失去了強度,而松散破壞。由此可見,滲漏對混凝土產生溶蝕造成后果的嚴重性。另外,滲漏會引起并加速其他病害的發生與發展。當循環水對混凝土有侵蝕時,由于滲漏會促使循環水向混凝土內部發展從而增加破壞的廣度和深度。在寒冷地區,由于滲漏會使混凝土內部的含水量增大,促使混凝土的凍融破壞。對冷卻塔構筑物來說,滲漏還會加速鋼筋銹蝕等。

第三節　剝蝕

　　冷卻塔水工混凝土產生剝蝕破壞主要是由于環境因素(水氣、溫度)與混凝土及其內部的水化產物、砂石骨料、摻合料、外加劑、鋼筋相互之間生產一系列的物理、化學復雜反應,從而形成大于混凝土抗拉強度的破壞應力所致。

常見的剝蝕破壞有以下三種:

1.凍融破壞

　 混凝土產生凍融破壞,主要是混凝土在水和正負溫度交替作用下產生的疲勞破壞。混凝土在凍融過程中,混凝土孔隙中充滿水時,當溫度降低至冰點以下,而使孔隙水產生物態變化,即水變成冰,其體積膨脹%,從而產生膨脹力。與此同時,混凝土在凍結過程中還出現冷水在孔隙中的遷移和重新分布,從而在混凝土的內部結構產生滲透壓,這兩種應力在混凝土凍融過程中反復出現,并相互促進,最終造成混凝土的疲勞破壞。

2.鋼筋銹蝕破壞

　 水工混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因有:

     (1)混凝土在空氣中發生碳化,而使混凝土的內部堿度降低,鋼筋鈍化膜破壞,從而使鋼筋產生電化學腐蝕現象,導致鋼筋生銹。

     (2)由于水中氯離子侵入到混凝土中,也使鋼筋的鈍化膜破鋼筋生銹壞,從而形成鋼筋的電化學腐蝕。

　因此,鋼筋銹蝕過程實際是大氣中的二氧化碳和水中氯離子等侵蝕介質向混凝土內部滲透、迂移而引起的鋼筋鈍化膜破壞并產生電化學反應,使鐵變成氫氧化鐵的過程。鋼筋生銹后,其銹蝕產物的體積比原來增大2~4倍。從而在其周圍的混凝土中產生膨脹應力,最終導致鋼筋保護層開裂、剝落,而保護層開裂、剝落又進一步加速鋼筋銹蝕。這一惡性循環將混凝土結構的鋼筋保護層大量破壞,鋼筋截面減小,從而降低結構的承載能力和穩定性,影響結構安全。

3.水侵蝕

　在冷卻塔的淋水架構混凝土構件中往往容易發生沖磨破壞及水侵蝕破壞。

    (1)沖磨破壞是一種單純的機械作用,它既有水流作用下物體間的相互摩擦,又有相互間的沖擊碰撞。在水流作用下形成對混凝土表面的磨損與沖擊,這種作用是連續的和不規則的,最終對混凝土表面造成沖磨破壞。也就是民間所說的“水滴石穿”的道理。

    (2)水質侵蝕是可溶性侵蝕介質隨著水滲透擴散到混凝土中,再與混凝土中水泥水化產物或其他組分發生化學反應,生成膨脹產物或溶解度較大的反應物。從而使混凝土產生脹裂溶出性剝離。

冷卻塔受到水質侵蝕出現的破壞主要有兩類:

     1)硫酸鹽侵蝕,屬膨脹型破壞。

     2)酸性水的溶出性侵蝕。

　溶出性侵蝕會促使混凝土中的氫氧化鈣不斷溶出,從而引起水泥水化產物分解,水泥石結構酥松,混凝土強度降低。

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