濱海風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防腐蝕研究

陳加興 萬(wàn) 鑫

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410014;2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙 410014)

1 概述

我國(guó)東部沿海地區(qū)風(fēng)能資源豐富，規(guī)模開發(fā)條件良好，同時(shí)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，隨著常規(guī)能源的日益緊缺，在濱海地區(qū)開發(fā)風(fēng)電的重要性日益加強(qiáng)。國(guó)家近年來(lái)也在大力加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的投資建設(shè)，但由于發(fā)展時(shí)間較短，在濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中仍有一些問(wèn)題迫切需要解決，其中很重要的并且普遍存在的是基礎(chǔ)混凝土防腐蝕處理問(wèn)題。

2 工程地質(zhì)

濱海風(fēng)電場(chǎng)多位于淺海灘涂地區(qū)，場(chǎng)區(qū)地層多為沉積層，主要為粉砂、細(xì)砂層及粉質(zhì)粘土層，部分夾有軟弱粉土層。場(chǎng)區(qū)沉積土層深厚，承載力一般較低，結(jié)構(gòu)較為松散?；鶐r埋藏較深，一般達(dá)數(shù)百米。地下水位埋藏很淺，受潮汐影響較大。場(chǎng)區(qū)地下水、海水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的腐蝕性、對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋在干濕交替環(huán)境下具有較強(qiáng)的腐蝕性。

東凌風(fēng)電場(chǎng)工程位于江蘇省如東縣東部東凌港以北的灘涂地區(qū)，區(qū)域地貌上屬長(zhǎng)江三角洲堆積平原的近代海積平原，共安裝47臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中42臺(tái)位于海邊大堤內(nèi)圍墾區(qū)(大堤建成兩年)，另外5臺(tái)風(fēng)機(jī)位于堤外海灘上，受海水影響。工程區(qū)鹽堿嚴(yán)重，堤內(nèi)場(chǎng)區(qū)雖受大堤保護(hù)，但在清晨仍可見地面上一層鹽霜，堤外場(chǎng)區(qū)則直接與海水接觸。

本地區(qū)地下水、海水pH值為7.9～8.59，屬弱堿性水;總礦化度為15 252 mg/L～15 912 mg/L，屬高礦化水;侵蝕性CO2含量為0.0 mg/L ～6.2 mg/L。Cl－含量為8 378 mg/L ～8 693 mg/L，其次是，含量為1 119 mg/L～1 132 mg/L，HCO3－含量為252 mg/L～287 mg/L。Mg2+含量為623 mg/L～716 mg/L，NH4+含量為0.772 mg/L～3.51 mg/L。水質(zhì)分析成果表明工程區(qū)地下水、海水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長(zhǎng)期浸水環(huán)境下具弱腐蝕性、在干濕交替環(huán)境下具強(qiáng)腐蝕性。

3 腐蝕破壞機(jī)理

濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所處的環(huán)境比較惡劣，主要有以下幾方面影響因素:

1)土壤中含有大量對(duì)混凝土起破壞作用的氯離子、硫酸根離子、金屬離子等;

2)近海地區(qū)風(fēng)速較大，混凝土表面干濕交替較快，特別是對(duì)于處于漲潮區(qū)與浪濺區(qū)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，每天的干濕交替，使混凝土表面出現(xiàn)鹽結(jié)晶，加速了土壤和海水對(duì)混凝土的腐蝕速度，使混凝土的老化速度加快，服役年限減少;

3)華東地區(qū)處于微凍地區(qū)，冬季夜間溫度在0℃以下，白天溫度在0℃以上，使混凝土處于凍融循環(huán)環(huán)境。在這種環(huán)境下，混凝土表面防腐層容易起泡、剝落，加速了土壤和海水對(duì)混凝土的腐蝕速度，使風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)使用壽命大大減少;

4)近海地區(qū)鹽霧中含有氯離子、硫酸根離子、金屬離子等，會(huì)對(duì)暴露在空氣中的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕，加速風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)老化;

5)空氣中的二氧化碳，對(duì)混凝土表面起碳化作用，使表面疏松，加速氯離子、硫酸根離子、金屬離子侵蝕速度。

濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)處于這種特殊環(huán)境中，當(dāng)上述5種因素相互疊加對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生共同作用時(shí)，如果不采取相應(yīng)的防腐蝕措施，混凝土的腐蝕速度會(huì)大大加快，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)后期維修加固費(fèi)用增加，且風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)使用年限劇減。

濱海地區(qū)特殊環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生腐蝕的破壞機(jī)理主要包括:

1)氯離子侵蝕引起混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕。近海地區(qū)海水、土壤、大氣中含有大量的氯離子，氯離子通過(guò)擴(kuò)散作用，向混凝土內(nèi)部滲透，滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部的氯離子，對(duì)破壞鋼筋表面的氧化膜有特殊能力，產(chǎn)生可溶性的鐵——氯化鐵，導(dǎo)致多孔鐵銹的沉淀和氯的釋放而不斷侵蝕，從而引起混凝土內(nèi)部鋼筋生成含水氧化鐵(鐵銹)，鐵銹產(chǎn)生的膨脹反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致銹蝕鋼筋上部的混凝土產(chǎn)生開裂和剝落，嚴(yán)重影響建筑物正常使用和服役年限。主要反應(yīng)過(guò)程如下:

2)硫酸鹽腐蝕。近海地區(qū)海水、土壤、大氣中含有大量的硫酸根離子，硫酸根離子通過(guò)擴(kuò)散作用，向混凝土內(nèi)部滲透，硫酸根離子與水化產(chǎn)物單硫型鋁酸鹽反應(yīng)，形成大體積的鈣礬石，反應(yīng)后，體積增加約55%，引起漿體內(nèi)部體積膨脹，并同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后導(dǎo)致混凝土開裂和剝落。其主要反應(yīng)過(guò)程如下:

此外，硫酸鹽腐蝕還包括硫酸鎂腐蝕、硫酸銅腐蝕等。

3)滲濾和鹽霜。當(dāng)混凝土表面受干濕交替作用時(shí)，混凝土表面常出現(xiàn)鹽霜，這表明在混凝土內(nèi)部發(fā)生滲濾，會(huì)導(dǎo)致孔隙率增加，從而降低混凝土強(qiáng)度并加快侵蝕物質(zhì)的入侵速度，加速建筑物破壞。

4)鹽類結(jié)晶。當(dāng)混凝土與含大量鹽類的海水、土壤接觸時(shí)，這些鹽類會(huì)滲入混凝土，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、濃縮而在孔內(nèi)結(jié)晶，如此反復(fù)或連續(xù)蒸發(fā)，將引起鹽的沉積而造成混凝土表面開裂和剝落，特別是在水位變化區(qū)、干濕交替區(qū)，這種破壞最為明顯。

5)凍融破壞?；炷翆儆诤亩嗫撞牧?，在凍融循環(huán)的作用下，混凝土易發(fā)生開裂和表層剝落，引起混凝土腐蝕速度加快。

4 防腐蝕措施

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命要求一般為20年～25年。而現(xiàn)實(shí)中，處于腐蝕環(huán)境中的混凝土遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命要求，有的在10年～15年就出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞，甚至有些不足5年就需要開始修復(fù)。對(duì)腐蝕破壞的混凝土進(jìn)行加固修復(fù)所需要的花費(fèi)是巨大的，已經(jīng)成為一個(gè)重大的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此，對(duì)濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行防腐蝕處理以提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的意義是非常顯著的。

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕措施

混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕措施主要包括兩大類:基本措施和補(bǔ)充措施。

基本措施的基本內(nèi)容是:通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，最大限度地提高混凝土本身的耐久性，在使用中保持低滲透性，以限制環(huán)境侵蝕介質(zhì)滲透進(jìn)入混凝土，從而預(yù)防鋼筋銹蝕。研究表明，最大限度地改善混凝土本身性能，是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的諸多措施中最經(jīng)濟(jì)合理的。1)結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計(jì)。2)提高混凝土保護(hù)層厚度和質(zhì)量。3)采用高性能混凝土。

補(bǔ)充措施是指:環(huán)境侵蝕作用特別嚴(yán)重時(shí)，或設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)，單靠上述基本措施還不能保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)必要的耐久性時(shí)，需要另外增加的其他防護(hù)措施。有以下幾個(gè)方面:1)采用耐腐蝕鋼筋。2)對(duì)混凝土進(jìn)行表面處理。3)混凝土中摻加阻銹劑。4)電化學(xué)保護(hù)。

4.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土防腐蝕措施

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土防腐蝕處理主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

1)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)。

頻繁地干濕交替會(huì)加劇鋼筋銹蝕，所以在結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量限制混凝土表面、接縫和密封處積水，加強(qiáng)排水，盡量減少受潮和濺濕的表面積。

由于環(huán)境侵蝕介質(zhì)在構(gòu)件棱角或突出部分可以同時(shí)從多方面侵入混凝土，而凹入部分易積存侵蝕介質(zhì)、應(yīng)力異常，因此從提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性角度出發(fā)，混凝土構(gòu)件選型應(yīng)力戒單薄、復(fù)雜和多棱角。因此，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)建議采用八邊形棱臺(tái)柱體或者圓形臺(tái)柱體。

2)裂縫控制。

混凝土交付使用時(shí)如果存在裂縫，則腐蝕介質(zhì)更容易到達(dá)鋼筋表面，鋼筋銹蝕的速度將會(huì)大大加快。研究和工程實(shí)踐表明，這時(shí)鋼筋銹蝕的速度，有可能快于裸露于大氣中的鋼筋。這是由于裂縫處更易促成電化學(xué)腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。因此，有效控制混凝土裂縫對(duì)提高混凝土耐久性也具有重要意義。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土最容易產(chǎn)生的是溫度縫，因此，混凝土施工過(guò)程中應(yīng)該做好溫控及養(yǎng)護(hù)措施。東凌風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工時(shí)，要求所有風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑時(shí)入倉(cāng)溫度不大于25℃，必要時(shí)要求采取骨料預(yù)冷、散裝水泥冷卻、加冷卻水或加冰拌和等措施。混凝土內(nèi)設(shè)置測(cè)溫元件，混凝土澆筑時(shí)在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部埋設(shè)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，混凝土澆筑完成后即開始測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度，要求混凝土內(nèi)部溫差及內(nèi)外溫差不大于25℃，當(dāng)超過(guò)25℃時(shí)應(yīng)采取混凝土溫控措施?；炷恋谋砻鎽?yīng)采用防水膜保持濕潤(rùn)狀態(tài)，防止雨水和溫度劇變，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于15 d。

3)提高混凝土保護(hù)層厚度。

提高混凝土保護(hù)層厚度是提高濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡(jiǎn)單而且經(jīng)濟(jì)有效的方法。但是保護(hù)層厚度并不能不受限制的任意增加。當(dāng)保護(hù)層厚度過(guò)厚時(shí)，由于混凝土材料本身的脆性和收縮將會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫，反而削弱其對(duì)鋼筋的保護(hù)作用?！讹L(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》表9.5.5規(guī)定，對(duì)于濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部混凝土最小保護(hù)層厚度為100 mm，對(duì)于海水環(huán)境風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部混凝土最小保護(hù)層厚度為110 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部混凝土保護(hù)層厚度可取100 mm～120 mm。

4)混凝土保護(hù)涂層。

完好的混凝土保護(hù)涂層具有阻絕腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸、彌補(bǔ)混凝土多孔性的缺陷的作用，從而延長(zhǎng)混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命?；炷翝仓瓿?8 d以后，表面涂刷防腐涂料。鑒于環(huán)氧樹脂類涂層具有較好的防護(hù)性能和耐久性，可用于較嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中，且單價(jià)較為便宜，施工較為方便，防腐涂層底層可采用環(huán)氧樹脂封閉漆一遍，面層采用環(huán)氧樹脂漆(厚度不小于500 μm)。涂刷時(shí)保持混凝土表面干燥。完好的環(huán)氧樹脂漆在其有效使用年限內(nèi)將能較好的保護(hù)混凝土不受腐蝕破壞。

5)采用高性能混凝土。

高性能混凝土通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻合料和新型高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)的水泥和級(jí)配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實(shí)，高耐久的混凝土材料。高性能混凝土具有較高的抗氯離子滲透性，性價(jià)比較高。從提高工程安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，在濱海地區(qū)特殊環(huán)境下，建議采用高性能混凝土。

5 處理效果

東凌風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土采用八邊形棱臺(tái)柱體形式;混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為P8，抗氯離子滲透性不大于2 000 C;采用普通硅酸鹽水泥，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行有效控制;對(duì)混凝土采取良好的溫控和養(yǎng)護(hù)措施;混凝土保護(hù)層厚度為100 mm;混凝土表面涂刷環(huán)氧樹脂漆防腐涂層。單臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土防腐蝕處理費(fèi)用約1.5萬(wàn)元～2.0萬(wàn)元。至今已安全運(yùn)行4年，未出現(xiàn)腐蝕破壞現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

在濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，防腐蝕處理是普遍存在的問(wèn)題，但因?yàn)榉栏g處理將提高工程造價(jià)，而部分設(shè)計(jì)人員也心存僥幸心理，因此，防腐蝕處理問(wèn)題沒(méi)有得到真正有效的重視。本文認(rèn)為，應(yīng)充分考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中混凝土防腐蝕耐久性的重要性。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投資在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投資中僅占很小的一部分，但風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)卻是關(guān)系到風(fēng)機(jī)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的至關(guān)重要的因素。因此在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮防腐蝕處理，因地制宜地采用防腐蝕基本措施和補(bǔ)充措施，提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土的耐久性，保證風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

混凝土腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因?；炷练栏g處理是系統(tǒng)的研究課題。本文結(jié)合東凌風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)濱海地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防腐蝕處理提出一些有效措施，可供同類工程參考。

［1］甘 毅.濱海區(qū)軟土地基大型風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［J］.能源與環(huán)境，2006(5)：99-101.

［2］洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護(hù)技術(shù)［J］.工業(yè)建筑，2000(1)：6-8.

［3］李錦宏.淺談如何提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［J］.城市建設(shè)理論研究，2011(12)：101-103.

［4］張寶勝，干偉忠，陳 濤.杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性解決方案［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006(6)：72-77.

［5］JTJ 275-2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］FD 003-2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)［S］.