海洋環(huán)境下混凝土變電站建造過程氯離子管控

俞鐵勇 吳 亮 毛江鴻 王炎銘 張 軍

1.國家電網(wǎng)舟山電力公司 浙江 舟山 316004；

2.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司 浙江 杭州 310012；

3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 浙江 寧波 315100

對于沿海混凝土結(jié)構(gòu)而言，引發(fā)鋼筋銹蝕的最主要原因是鋼筋周圍氯離子濃度（物質(zhì)的量濃度）超過閾值[1]。氯離子的侵蝕作用導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜發(fā)生部分或者整體破壞，進而出現(xiàn)鋼筋腐蝕、保護層開裂以及承載力退化等一系列耐久性問題。

沿海混凝土結(jié)構(gòu)變電站由于存在雜散電流[2-3]且處于氯化物環(huán)境，在氯鹽-雜散電流雙重因素腐蝕條件下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題更加突出[4]。

沿海混凝土結(jié)構(gòu)氯離子濃度超過閾值的原因主要有2個，分別為原材料引入和外部環(huán)境侵蝕。隨著河砂資源匱乏，海砂作為建筑材料替代河砂被大量用于建筑工程中。若沒有經(jīng)過嚴(yán)格處理，砂中的氯離子濃度將大幅超過規(guī)范限值。

目前，海砂及其拌和物的氯離子主要是通過砂子氯離子濃度檢測[5]以及拌和物氯離子濃度檢測2個角度進行 管控。

然而，海砂中的氯離子釋出和浸泡時間密切相關(guān)，隨著浸泡時間的延長氯離子檢出值會緩慢上升[6]。由上述分析可知，在混凝土澆筑之前，快速且準(zhǔn)確地檢測拌和物氯離子濃度存在技術(shù)上不足。

本文分析了氯離子侵蝕的主要途徑以及氯鹽-雜散電流耦合作用的機理，討論了現(xiàn)階段原材料和拌和物氯離子濃度檢測的規(guī)范方法，解釋了管控中存在氯離子濃度超標(biāo)問題的原因。按不同檢測方法對施工階段混凝土中氯離子濃度進行檢測并分析數(shù)據(jù)，提出了海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)變電站施工期氯離子管控要點。

1 海洋環(huán)境下混凝土變電站氯離子管控重要性

1.1 雜散電流與氯鹽耦合致鋼筋銹蝕問題

氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕機理為：當(dāng)混凝土中鋼筋周圍游離態(tài)氯離子濃度到達某一限值時，鋼筋表面的鈍化膜被破壞后形成腐蝕電位，從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，即在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。

根據(jù)周圍環(huán)境差異，電化學(xué)腐蝕可分為2種情況：一種為氧氣充足時，另一種為缺氧或者酸性條件下。電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)式如下：

雜散電流的腐蝕機理為：當(dāng)通過鋼筋的電流密度小于0.6 mA/dm2，鋼筋與周圍的硅酸鹽水泥發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成一種電阻率較大的白色化合物，并附著在鋼筋表面，形成鈍化區(qū)；當(dāng)通過鋼筋的電流密度大于0.6 mA/dm2，陽極區(qū)鋼筋失電子受腐蝕，陰極區(qū)鋼筋得電子，發(fā)生析氫或耗氧反應(yīng)[7]。

雜散電流和氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕是一個相互促進的過程。雜散電流會加大混凝土內(nèi)部的腐蝕電位差，從而加速氯離子的擴散作用，使得陽極區(qū)的氯離子濃度變大，從而加劇鋼筋的銹蝕；另一方面，氯離子的存在會降低混凝土內(nèi)部的電阻率，使得混凝土內(nèi)部電阻對雜散電流的消耗減少，從而加速雜散電流的腐蝕作用。由此可見，存在雜散電流的含氯混凝土結(jié)構(gòu)比相同環(huán)境下其他的結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生耐久性問題。

1.2 氯離子的主要來源

氯離子對沿海混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成破壞主要通過2種形式：外部環(huán)境侵入與內(nèi)部原材料引入。對于沿海變電站這樣的沿海混凝土結(jié)構(gòu)而言，海水及空氣中的氯離子以外部侵入的方式對結(jié)構(gòu)造成侵蝕；而在我國東部沿海地區(qū)的一些城市，由于河砂資源匱乏，部分混凝土建筑在建造過程中不當(dāng)使用海砂或海水澆筑，會因海砂或海水中攜帶的大量氯鹽導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部氯離子濃度超標(biāo)，進而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕及結(jié)構(gòu)的劣化。

本文對浙江舟山地區(qū)的淡化海砂、未淡化海砂以及河砂按JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，水泥按GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，淡化海砂拌和物按JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》，分別進行氯離子濃度測定，并統(tǒng)一換算成占膠凝材料的質(zhì)量百分比。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，海岸環(huán)境等級為三b，各原材料占膠凝材料最大氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，各原材料中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及與規(guī)范值對比如表1所示。

對表1中的數(shù)據(jù)進行分析可知，未淡化海砂中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超過0.1%的閾值；淡化后海砂及其拌和物中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)已接近0.1%的閾值。由此可見，在原材料階段氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)已接近甚至超過閾值，而在服役期外部環(huán)境中的氯離子也會侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而存在混凝土內(nèi)部氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過閾值的風(fēng)險，引發(fā)混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕。因此，嚴(yán)格控制混凝土原材料中的氯離子對于保障混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極其重要。

表1 各建筑材料中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 建筑用砂氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測及風(fēng)險分析

2.1 建筑用砂氯離子檢測方法

我國針對建筑原材料均制定了相關(guān)檢測方法，其中水泥、粉煤灰、礦粉等原材料中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定，其氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)失控風(fēng)險較低。海砂需要經(jīng)過淡化處理才能滿足氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求。淡化方法包括自然堆放法、淡水沖洗法等[8]，相關(guān)學(xué)者研究表明水/砂的質(zhì)量比是影響淡化效果的主要因素[9-10]，同時試驗表明，海砂內(nèi)部空隙的氯離子存在從微空隙持續(xù)滲出的可能[11]。目前，砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測方法如表2所示。

表2 砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測方法

由上表可知，規(guī)程之間的主要區(qū)別是溶出的靜置時間不同。

2.2 建筑用砂氯離子檢測實例及風(fēng)險分析

本文按照不同檢測方法進行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測并對比。根據(jù)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，將淡化后的海砂（下文用海砂代替）與蒸餾水拌勻后靜置2 h，然后用化學(xué)滴定法檢測海砂中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另外，增加不同靜置時間組（靜置12 h和24 h）作為對比，得到如圖1所示氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測 結(jié)果。

圖1 不同氯離子靜置時間效果比較

由圖1可知，不同靜置時間對海砂中氯離子的溶出效率有較為明顯的差異，按規(guī)范規(guī)定的通過2 h靜置明顯低于靜置12 h和24 h溶出的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。郭元強等學(xué)者分析和討論了不同試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法對海砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試結(jié)果的影響程度，表明不同的試驗方法對海砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測試結(jié)果存在較大差異，應(yīng)結(jié)合工程實際需要，選擇測試標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法，以便真實體現(xiàn)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

吳帥[12]通過設(shè)置不同溫度、不同浸泡時間，發(fā)現(xiàn)海砂溶液在80 ℃環(huán)境下浸泡1 h可以檢出氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值。由上述分析可知，原材料氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測，特別是海砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測的主要風(fēng)險是取樣的代表性，以及氯離子溶出速率的影響。

3 拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測及風(fēng)險分析

3.1 混凝土拌和物氯離子檢測方法

混凝土建造過程中生產(chǎn)、運輸環(huán)節(jié)時間緊湊，且拌和物的初凝時間短，我國規(guī)范推薦方法為通過靜置或加熱煮沸5 min來溶出拌和物內(nèi)部氯離子，然后進行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定。表3為拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測方法對比。

表3 拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測方法

對比拌和物和砂中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試方法可知，我國混凝土拌和物測試過程中溶出時間少于砂子中氯離子溶出時間，因此，拌和物中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果存在偏低的風(fēng)險。

3.2 混凝土拌和物氯離子檢測實例及風(fēng)險分析

根據(jù)JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》（附錄A和附錄B）規(guī)定，將一組河砂拌和物和海砂拌和物分別與蒸餾水拌勻后煮沸5 min，然后用化學(xué)滴定法分別檢測其氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；將另一組河砂拌和物與海砂拌和物和蒸餾水拌勻后用RCT測試法分別檢測其氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同氯離子檢測方法效果比較

由圖2可知，僅通過附錄A方法無法有效地排出拌和物中的全部氯離子，而附錄B方法對溶液進行煮沸可提高氯離子溶出效率，但提升效果有限；另一方面，海砂拌物氯離子檢出值已接近GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的0.1%閾值。通過施工階段海砂及其拌和物中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)分析可知，混凝土澆筑之前要快速且準(zhǔn)確地檢測原材料以及拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的技術(shù)上的不足。

4 變電站建造過程氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)管控建議

海洋環(huán)境下混凝土變電站存在外界腐蝕和雜散電流共同作用，對其進行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)管控至關(guān)重要。混凝土內(nèi)氯離子的來源主要包括建筑用砂、水泥、外加劑及拌和用水。

由表1的數(shù)據(jù)分析可知，造成混凝土內(nèi)部氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過閾值的主要原因是建筑用砂。施工期混凝土結(jié)構(gòu)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)全過程管控中，包含了原材料氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測和拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測2個管控流程，其管控流程及要點如圖3所示。

圖3 混凝土氯離子全過程管控及風(fēng)險分析

由實例測試結(jié)果可知，考慮混凝土從出廠至澆筑時間較短的現(xiàn)實難題，5～10 min浸泡或煮沸時間無法溶出建筑用砂及水泥中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，僅通過拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測進行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)管控存在失效風(fēng)險，因此，需要結(jié)合建筑用砂進行氯離子的嚴(yán)格管控。同時，依據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，為嚴(yán)格管控氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，建議增加海砂浸泡時間，從而使氯離子充分溶出。

5 結(jié)語

1）海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)變電站受外界氯離子侵蝕以及變電站雜散電流的耦合作用，混凝土耐久性問題會更加突出，混凝土內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)管控顯得更加重要。

2）混凝土拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)受檢測時間限制，拌和物中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測量常低于真實值，僅通過管控拌和物氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)風(fēng)險，建議結(jié)合建筑用砂氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測進行綜合管控。

3）由實測結(jié)果可知，建筑用砂的氯離子溶出量隨著靜置時間增加而增大，為更嚴(yán)格地控制海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)變電站的耐久性，從工程管理角度出發(fā)，建議在現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上增加海砂靜置時間，以獲取更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。