冷卻塔水工混凝土病害成應(yīng)及破壞機(jī)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(yīng)、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(xué)侵蝕、堿集料反應(yīng)及低強(qiáng)風(fēng)化等原因?qū)е碌摹?/span>

**節(jié)　裂縫

　　裂縫是水工混凝土構(gòu)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(lián)合作用的結(jié)果。

　　混凝土是多相復(fù)合脆性材料,當(dāng)混凝土拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度,混凝土就會產(chǎn)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(huán)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(chǎn)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(yīng)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(nèi)部溫度升高。經(jīng)實測可達(dá)72~75℃。由于大氣環(huán)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(chǎn)生收縮。在約束條件下,當(dāng)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(chǎn)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(kuò)散速度比溫度擴(kuò)散速度要慢1000倍,所以混凝土表面已干縮,而其內(nèi)部不干縮,這樣內(nèi)部混凝土對表面混凝土干縮起約束作用。使混凝土表面產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)混凝土干縮應(yīng)力大于混凝拉抗拉強(qiáng)度時,混凝土就會產(chǎn)生裂縫。實際上冷卻塔水工混凝土產(chǎn)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(jié)果。

三、鋼筋銹蝕裂縫

　　混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕后,其銹蝕產(chǎn)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(chǎn)生膨脹應(yīng)力。當(dāng)該膨脹應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時,混凝土產(chǎn)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(fā)展的順筋裂。

四、堿集料反應(yīng)裂縫

　　由于我國過去水泥含堿量一般不高,自20世紀(jì)90年起，30余年來一直生產(chǎn)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(dá)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(dāng)數(shù)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(yīng)對工程的損害。由于近年來我國水泥、外加劑等生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展變化,混凝土堿集料反應(yīng)問題已構(gòu)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(tài),更容易出現(xiàn)此類危害。大慶油田熱電廠1號冷卻塔191年投產(chǎn)運行,10年后在塔簡壁喉部位置出現(xiàn)堿反應(yīng)集料裂縫,冷卻塔堿集料反裂縫,主要出現(xiàn)在塔內(nèi)架構(gòu)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(huán)筋方向橫向開裂,隨著反應(yīng)破壞的發(fā)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(qū)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(dāng)冷卻塔遭受超載作用時,如冬季淋水架構(gòu)嚴(yán)重結(jié)冰時,其構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫稱為超載裂縫,也稱為結(jié)構(gòu)裂縫此外,冷卻塔還有因地基產(chǎn)生不均勻沉陷產(chǎn)生的裂縫。因地基凍脹產(chǎn)生的裂縫也稱為結(jié)構(gòu)裂縫。

第二節(jié)　滲漏

　　冷卻塔構(gòu)筑物的主要任務(wù)是將生產(chǎn)過程中經(jīng)熱交換升溫后的循環(huán)水,通過與空氣直接接觸,由蒸發(fā)傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱交換從而降低循環(huán)水的水溫。因此,滲漏是冷卻塔(循環(huán)水溝)水工混凝土構(gòu)筑物常見的主要病害之一。滲漏會使冷卻塔筒壁內(nèi)部產(chǎn)生較大的滲透壓力和浮托力,甚至危及冷卻塔的穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)安全。滲漏還會引發(fā)溶蝕、侵蝕、凍融、鋼筋銹蝕、地基凍脹等病害,加速混凝土結(jié)構(gòu)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(zhì)量差造成的。例如，材料不合格、配合比不準(zhǔn)確、攪拌不均勻、振搗不密實、漏振、骨料析離、早期凍害、抗?jié)B等級低等。造成混凝土內(nèi)部形成相互連通的蜂窩孔隙,從而導(dǎo)致集中或零散滲漏和大面積滲漏觀象發(fā)生。

　　線滲漏較為常見、發(fā)生率高。根據(jù)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(guān)。

　　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(chǎn)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(guān)。冬季溫度低,裂縫寬度大,在同樣水位下滲漏量就大,筒壁結(jié)冰就嚴(yán)重。

     (2)施工縫止水結(jié)構(gòu)失效,橡膠止水帶施工工藝不正確,凝土預(yù)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(zhì)量差,抗?jié)B指標(biāo)沒有達(dá)到設(shè)計要求。振排不密實、漏振,出現(xiàn)蜂窩孔洞,從而導(dǎo)致在混凝土中滲漏。

     (4)施工時,筒壁模板對拉螺栓沒有按設(shè)計要求封堵或封不嚴(yán),給結(jié)構(gòu)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(chǎn)經(jīng)蝕性破壞?；炷林兴嗟乃a(chǎn)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(chǎn)在以上水化產(chǎn)物中,氫氧化鈣在水中的溶解度較高,在物凝聚、結(jié)晶穩(wěn)定的保證情況下,混凝土毛細(xì)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(jié)品晶,這樣就破壞了水泥其他水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的平衡條件。從而引起水化產(chǎn)物的分解,導(dǎo)致混凝土性能的下降。當(dāng)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(qiáng)度下50%:當(dāng)溶出超33%時,混凝土將完全失去了強(qiáng)度,而松散破壞。由此可見,滲漏對混凝土產(chǎn)生溶蝕造成后果的嚴(yán)重性。另外,滲漏會引起并加速其他病害的發(fā)生與發(fā)展。當(dāng)循環(huán)水對混凝土有侵蝕時,由于滲漏會促使循環(huán)水向混凝土內(nèi)部發(fā)展從而增加破壞的廣度和深度。在寒冷地區(qū),由于滲漏會使混凝土內(nèi)部的含水量增大,促使混凝土的凍融破壞。對冷卻塔構(gòu)筑物來說,滲漏還會加速鋼筋銹蝕等。

第三節(jié)　剝蝕

　　冷卻塔水工混凝土產(chǎn)生剝蝕破壞主要是由于環(huán)境因素(水氣、溫度)與混凝土及其內(nèi)部的水化產(chǎn)物、砂石骨料、摻合料、外加劑、鋼筋相互之間生產(chǎn)一系列的物理、化學(xué)復(fù)雜反應(yīng),從而形成大于混凝土抗拉強(qiáng)度的破壞應(yīng)力所致。

常見的剝蝕破壞有以下三種:

1.凍融破壞

　 混凝土產(chǎn)生凍融破壞,主要是混凝土在水和正負(fù)溫度交替作用下產(chǎn)生的疲勞破壞?；炷猎趦鋈谶^程中,混凝土孔隙中充滿水時,當(dāng)溫度降低至冰點以下,而使孔隙水產(chǎn)生物態(tài)變化,即水變成冰,其體積膨脹%,從而產(chǎn)生膨脹力。與此同時,混凝土在凍結(jié)過程中還出現(xiàn)冷水在孔隙中的遷移和重新分布,從而在混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滲透壓,這兩種應(yīng)力在混凝土凍融過程中反復(fù)出現(xiàn),并相互促進(jìn),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(fā)生碳化,而使混凝土的內(nèi)部堿度降低,鋼筋鈍化膜破壞,從而使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象,導(dǎo)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(xué)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(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透、迂移而引起的鋼筋鈍化膜破壞并產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),使鐵變成氫氧化鐵的過程。鋼筋生銹后,其銹蝕產(chǎn)物的體積比原來增大2~4倍。從而在其周圍的混凝土中產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,最終導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層開裂、剝落,而保護(hù)層開裂、剝落又進(jìn)一步加速鋼筋銹蝕。這一惡性循環(huán)將混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層大量破壞,鋼筋截面減小,從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性,影響結(jié)構(gòu)安全。

3.水侵蝕

　在冷卻塔的淋水架構(gòu)混凝土構(gòu)件中往往容易發(fā)生沖磨破壞及水侵蝕破壞。

    (1)沖磨破壞是一種單純的機(jī)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(xù)的和不規(guī)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(zhì)侵蝕是可溶性侵蝕介質(zhì)隨著水滲透擴(kuò)散到混凝土中,再與混凝土中水泥水化產(chǎn)物或其他組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膨脹產(chǎn)物或溶解度較大的反應(yīng)物。從而使混凝土產(chǎn)生脹裂溶出性剝離。

冷卻塔受到水質(zhì)侵蝕出現(xiàn)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(chǎn)物分解,水泥石結(jié)構(gòu)酥松,混凝土強(qiáng)度降低。

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