石化行业混凝土结构耐久性问题探究.pdf

程虚厕 石油 化工 设计 Pe t r o c h e mi c a l De s i g n 石化行业混 凝土结构耐 久性 问题探究 张 清 中国石化工程建设公司，北京 1 0 0 1 0 1 摘要为确保混凝土结构能够有效抵抗环境的侵蚀， 保证其在设计使用年限内能够正常工作， 不至耗 费大量资金对其进行维修、 加固， 关键是要解决结构混凝土的耐久性问题。文章将依据现行有关规范对 混凝土结构耐久性设计的要求及其在石化行业实际工程 中的应用， 对混凝土结构的耐久性问题进行探 讨 ． 说 明耐久性设计 的重要性及 采取 的相 应措 施。 关键词混凝土结构环境材料耐久性设计 石化行业中大型设备的支承框架、 系统管架 、 水池及设备基础等大多采用钢筋混凝土结构 。对 于混凝土结 构的强度 、 变形计算是设计人 员普 遍 比较重视的 ， 而关于混凝土耐久性 的问题设计 人 员往往重视程度不够 。据 国内权威机构统计 ， 我 国每年用于建设住宅项 目而消耗 的钢材 、 水泥 占 世界总用量的 4 0 ％左右 ， 而建筑物的使用寿命因 各种原因只能维持在 2 5～ 3 0年之间 ， 远达不到 5 0 年的寿命要求 。为确保结构材料在设计使用年 限 内不会发生劣化、 不至耗费 大量 的资金对混凝土 结构进行维修加 固， 在设计 、 施工 、 维护的过程 中 均应充分考虑结构 的耐久性 问题 ， 针对工程所处 的 自然环境 ， 采取相应 的防护措施。 混凝土结构耐久性设计 的极限状态是正常使 用极限状态 ， 在此极限状态下 ， 结构的承载能力不 应受损 ， 且应具有可修 复性 。通常表现为 钢筋混 凝土构件表面出现锈胀裂缝 ； 钢筋开始锈蚀 ； 结构 表面混凝土出现可见 的耐久性损伤 ， 如酥裂 、 粉化 等。由于影响混凝土结构材料性能劣化 的因素 比 较复杂 ， 规律性小 ， 目前 国内外 的混凝土结构设计 规范仍采用传统的经验方法进行耐久性设计。 本文将针对影 响混凝 土耐久性的 因素 ， 结合 石化行业特点就如何达到混凝 土耐久性的要求进 行简要论述。 1 影响混凝土耐久性因素 1 混凝土的水胶比。出于对耐久性 的需要 ， 单位体积混凝 土的胶 凝材料用量不能太少 ， 但 过 多的用量又会加大混凝土的收缩， 使其更容易开 裂 ， 因此合理控制胶凝材料的最大用量非常重要 。 在强度及原材 料相 同的情况下 ， 胶凝 材料用 量较小的混凝土 ， 体积稳定性好 ， 耐久性能通常优 于胶凝材料用量较大 的混凝土 。胶凝材料除硅酸 盐水泥外 ， 还包括具有胶凝作用 的混合材料 ， 如粉 煤灰、 火山灰、 硅灰、 磨细矿渣、 沸石岩等。采用适 量混合材料 ， 保持水和胶凝材料含量尽可能低 ， 集 料含量尽可能高 ， 可减 少干缩和温度收缩及与 收 缩有关的裂缝 ， 增强混凝 土的水密性。由此混凝 土骨料应满 足骨料级配 和粒形 的要 求 ， 并应采用 单粒级石子两级配或 三级配投料 ， 同时还需严格 控制骨料的最大粒径 ， 使骨料具有尽可 能小 的空 隙率 ， 从而降低混凝土的胶凝材料用量 。 2 混凝土的强度 等级。混凝土 的强度 可以 反映出其密实度而影响耐久性 ， 国标 混凝土结构 设计规范 G B 5 0 0 1 0 _2 0 l 0也对混凝 土 的最 低 强度等级做出了相应要求 ⋯。 国标 混 凝 土 结 构 耐 久 性 设 计 规 范G B ／ T 5 0 4 7 6 --2 0 0 8中明确指出， 素混凝土结构不存在 钢筋锈蚀 问题u 2 ] ， 在一般环境 和氯化 物环境 中的 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 0 8 。 作者简介 张清， 女， 1 9 8 7年毕业于北京建筑工程学院 工业与民用建筑专业， 工学学士， 高级工程师， 现从事 结构 设 计 和 技 术 开 发 工 作 。联 系 电 话 0 1 0 8 4 8 7 8 01 8； Ema i l z h a n g q i n g ． s e i s i n o p e c ． e o m 第 2 9卷 张 清． 石化行业混凝土结构耐久性问题探究 2 7 混凝土最低强度等级不应低 于 C 1 5 。但 在冻 融环 境和化学腐蚀 环境下 ， 环境 因素会直接导致混凝 土材料的劣化 ， 此时对素混凝 土强度 等级的要求 与配筋混凝土要求相 同。 3 混凝土的最 大氯离子含量 。试 验研究及 工程实践表 明 混凝土 的碱性可使钢筋表面钝化 ， 免遭锈蚀 ， 而氯离子则对钢筋表 面的钝 化层有不 利影响 ， 会引起钢筋脱钝和电化学腐蚀 ， 严重 影响 混凝土结构 的耐久性 。因此应严格 限制使用含功 能性氯化物的外加剂 ， 如含氯化钙 的促凝剂等 。 4 混凝土的最 大碱含量。长期 受到水作用 的混凝土结构 ， 可能引发碱 一骨料反应 。对一类 环境 中的房 屋建 筑混凝 土结构 可不作 碱含 量 限 制 ， 对其他环境 中的混凝土结构应考 虑碱含量 的 影 响 。 混凝土 中来 自水泥 、 外加剂等 的可溶 性碱在 水的作用下与砂 、 石 骨料 中的活性硅或碳 酸盐类 岩石骨料发生化学反应 ， 即为碱 一骨料反应 。此 反应发生在混凝土 内部 ， 会在骨料界 面生成膨胀 性产物 ， 从 而引起混凝土开裂 。碱 一骨料 反应是 一 个长期的过程 ， 其破 坏作用需要若干年 后才会 显现 ， 而且一旦在混凝土表面出现开裂 ， 往往 已严 重到无法修复的程度 。需要引起设计 人员 的特别 注意。要限制混凝土 的含碱量 ， 混凝土 的砂、 石不 得采用有碱 一骨料反应 的活性 骨料 ， 或者 在混凝 土中加人足够掺量 的粉煤 灰、 矿渣或沸石 岩等掺 和料。采用密实的低水胶 比混凝土也能够有效阻 止水分进入混凝土内部 ， 阻止反应的发生。 2 提高混凝土耐久性措施 在结构表面采取保护层及表面处理 的防护措 施 ， 形成有利的混凝土表面小环境 ， 是提高耐久性 的有效措施 。此外 ， 还有许多设计 、 施工方法与混 凝土的耐久性有关 。 1 适当的防排水构造措施 能够有效 地减轻 影响环境。此外， 混凝土结构的外形应力求简洁， 便于养护维修 ， 应有利于避免水 、 水 汽和有害物质 在混凝土表面的积聚， 便于施工时混凝土的振捣 和养护。 2 混凝土的施工养护质量与钢筋保护层厚 度的施工误差会在很大程度上影响混凝土结构 的 耐久性。现行国标明确定义 了钢筋的混凝土保护 层是从混凝土表面到纵 向钢筋 、 箍筋或分布钢筋 外边缘的最小距离 ， 对最 小保护层厚度的规定 比 上一版规范有所增加 。而混凝土的养护质量会直 接影响钢筋保 护层混凝土的质量。例如 ， 粉煤灰 和高炉矿渣 的水化反应时 间较长 ， 需要 更长时间 的养护。同时还 应重视 施 工 中混 凝 土的振捣 压 实 ， 保证足够的搅拌时间， 避免导致配合 比和水胶 比的变化 。 3 混凝土结构的施工缝 、 伸缩缝等连接缝是 结构中相对薄弱的部位， 容易成为腐蚀性物质侵 入混凝土内部 的通道 ， 在设计 与施 工 中应尽量使 其避开最不利环境作用 的部位。 4 混凝土耐久性受 到破坏 的机制均与水分 在混凝土 中的迁移有关 ， 因此处 于水 中或高湿度 环境中的混凝土更易破坏 ， 设计 中应特别 引起 重 视。例如石化行业 中最常见 的水池结构 ， 其混凝 土抗渗性是混凝土耐久性 的第一道 防线。水池混 凝土可采用普通防水混凝土 ， 即在常温下 ， 通过 自 身的密实性 达到抗 渗要 求 的混凝土 ， 一般不需另 设 防水层_ 3 J 。而混凝土 自身的强度及抗渗能力又 与其材料选择 如 品种 、 用量 、 粒径、 级配等 和配 比 如 砂率、 灰砂 比、 水胶 比、 坍落度等 密不可 分， 因此， 设计文件应对其砂率、 灰砂比、 坍落度等 提出明确要求 。此外 ， 水池混凝 土还可 采用补偿 收缩混凝土， 即在有约束的条件下， 由于所掺膨胀 剂 的作用 ， 可产生 0 ． 2 N ／ ra m。 ～ 0 ． 7 N ／ m m 2 自应力 的混凝土。其性能应通过试验确定， 并应满足相 关规范的要求， 如对膨胀率、 干缩率及施工等的 要求。 5 混凝土的开裂对 其耐久性影响最大。但 值得注意的是 ， 增加钢筋并不能消除或减少裂缝 ， 只能将少量 的宽裂 缝转变 为多个 细裂缝 或微裂 缝 。所 以规范规定不能为了减少裂缝计算宽度而 在厚度较大的混凝土保护层内加设没有防锈措施 的钢筋网 ， 因为钢筋 网的首先锈蚀会导致 网片外 侧混凝土的剥落 ， 从 而减少 了内侧箍筋 和主筋应 有的保护层厚度， 对构件的耐久性造成更为有害 的后果 。 石 油 化 工 设 计 第 2 9卷 3 石化行业混凝土基础耐久性设计 近年来 ， 石化地基基础工程 遇到一 些对基础 混凝土有弱腐蚀 一强腐蚀 的地下水或土壤 ， 严重 影响基础特别是桩基础的耐久性。 由于基础深埋 于地下 ， 很难定期进行检查 和 维修 ， 当采用外加剂或掺合料 的混凝土不 能满 足 防腐蚀要求时， 应进行表面防护。其特点是能够 有效隔绝氯离子、 酸性气体等有 害物质在混凝 土 内的渗透与扩散。但使用时要解决好封闭涂料与 混凝土表面因结合不牢而引起鼓泡 、 成 片脱 落而 导致封闭失效 的问题 。为使 防护层达到封 闭， 需 做表面防护的素混凝土和毛石混凝土基础均应设 置 垫层 。 涂层体系的基本要求是 与混凝 土基 面具有 很好的适应性 ， 并能在设计 寿命期 内维持应有 的 防腐效果。沥青胶泥表面防护层已有多年的使用 经验 ， 实践证 明效果 良好 。为解决热施工和在潮 湿基层上施 工的困难 ， 可采用湿 固化型 的环 氧沥 青和聚氨酯沥青涂层。聚合物水泥浆和聚合物水 泥砂浆 ， 也可在潮湿基层上施 工， 且附着力优 良。 树脂玻璃鳞片涂层具有较高的耐磨、 耐久和抗渗 性能， 但价格较高， 可在强腐蚀条件下的重要基础 上采用。 国标 工业建筑防腐蚀设计规范 G B 5 0 0 4 6 -- 2 0 0 8规定 j ， 防腐蚀面层涂料用于地下工程时 ， 宜 采用环氧沥青和聚氨酯沥青等涂料 。沥青涂料因 性能较差不再提倡采用。 为避免桩 面磨损 ， 表面 防护法 只适用 于打人 细粒土地层 的桩 ， 主要 防腐措施 还是采用 由耐腐 蚀材料制作的混凝土桩。常用的防腐措施有 1 对混凝土 自身做出耐久性要求。是防腐 设计的根本措施 。 2 加大混凝土保护层厚度 。研究表明， 混凝 土暴露在氯盐环境 中时， 越靠近混凝土表面氯离 子含量越高， 保护层厚度若 减少 1 ／ 4 ， 则 混凝 土中 性化层到达钢筋表面的时间将缩短一半 。但对于 受弯构件 ， 厚度也不能增加过多 ， 会引起构件横向 裂缝加大 ， 同时也会导致涂料防护层脱落。 3 垫层加厚及提高垫层的混凝土强度等级。 是操作难度小、 经济性较好的方法。 4 掺加钢筋阻锈剂 。与环氧涂层、 阴极保护 相 比， 采用 钢筋 阻锈 剂花费少 、 施 工简单 、 方 便。 一 次性掺入后 ， 在寿命期 内不需要维护 。使用范 围广 ， 对氯盐环境尤其有效 。目前 国内阻锈剂性 能的测试和评估标准还 比较混乱 ， 且施工 中不易 控制质量 。 5 混凝土表面做 防护。在混凝土表 面涂覆 耐腐蚀 、 抗渗 、 无毒 、 持久 的涂料是一种成本低廉 、 简单易行的方法 。能与混凝土寿命 匹配 的水泥基 聚合物涂层 、 砂浆层 等近年来得到 了大力 的发展 和应用 。涂料 的选择应 根据腐蚀来源 因地制宜 ， 实施方法应严格遵守规范规定及厂家要求 。混凝 土表面防护法质量控制难度为中等。 6 阴极保护法。阴极保 护是降低 钢筋腐蚀 速率的有效辅助措施 ， 一般在钢筋腐蚀 开始后启 用。对于新建工程 ， 阴极保护可用于海 中、 水域或 潮湿地下的独立构筑物 ， 须严格控 制保 护 电位范 围， 防止析氢引起 的握裹力 降低 。对于预应力混 凝土应慎重使 用。阴极保护是操作难度 比较大 ， 并且不容易进行质量控制的一种 防腐蚀方法。 参考文献 [ 1 ] 混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0[ s ] ． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 混凝土结 构耐 久性设 计规 范 GB／ T 5 0 4 7 62 0 0 8 [ s ] ． 北 京 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范 S H／ T 3 1 3 2 2 0 0 2 [ s ] ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 工业建筑防腐蚀设计规范 G B 5 0 0 4 6 2 0 0 8[ s ] ． 北京 中国 计划出版社， 2 0 0 8 ．