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- 火力发电厂冷却塔混凝土的耐久性保护研究
| 火力发电厂冷却塔混凝土的耐久性保护研究 [摘要]：本文论述了火力发电厂冷却塔混凝土耐久性保护的重要性，分析了影响混凝土耐久性的诸个因素，从理论上就冷却塔混凝土耐久性保护与防腐处理之间的关系进行了探讨，就混凝土耐久性的综合治理提出了k8凯发天生赢家的解决方案。 [关键词]：冷却塔 防腐 防水 耐久性 [abstract]:the article is about the importance of endurance for concrete of water cooling tower, and analysis the factors which effect the endurance of concrete, discuss the relationship between concrete protection and concrete antisepsis. give the advises for the endurance of concrete protection. [key words]：water cooler tower antisepsis waterproof endurance 1. 概况 冷却塔又称凉水塔，是火力发电厂工业循环水冷却的重要设施，国内外一般采用的是双曲线形自然通风式钢筋混凝土结构；冷却塔由塔筒（包括上环梁、下环梁）、支撑塔筒的人字形（或x形）柱、淋水构件（包括中央竖井、主水槽、分水槽、配水槽、支撑水槽及淋水填料等的梁和立柱）等组成。在长期使用时，由于介质冲刷、冻融循环等使混凝土表层受到破坏；而工业冷却水循环使用又会滋生大量微生物，换热器的泄漏也会使许多腐蚀介质直接进入循环水中，加速混凝土结构的腐蚀，降低冷却塔的使用寿命。因此，为了保证冷却塔的安全、长期稳定运行，须对冷却塔内混凝土结构进行防腐蚀处理，常用的办法是涂刷防腐蚀涂料。 但自20世纪80年代以来，发电厂冷却塔的破坏逐步增多。中国建筑材料研究院对内蒙古通辽热电厂冷却塔、黑龙江省寒地科学研究院对黑龙江省北安热电厂冷却塔以及哈尔滨工业大学材料学院对于黑龙江和内蒙东部8个热电厂16座冷却塔的调查发现：这些冷却塔多数已到了必须进行维修的程度，个别的甚至已经坍塌，分析和研究这些破坏的成因对于保护冷却塔，进而解决冷却塔混凝土耐久性问题显得十分必要。 2. 冷却塔混凝土耐久性问题 混凝土耐久性是一个综合的研究课题，但目前对混凝土耐久性的重要性认识片面，有时把混凝土的强度与耐久性混为一谈，甚至把混凝土强度代替混凝土抗渗标号！需知在建筑物使用期间，强度受到耐久性的影响而发生变化，作为安全保证强度，乃是耐久性影响下的强度，而不是原来的混凝土设计强度；绝大多数混凝土建筑物的破坏原因与耐久性有关，而单独由于荷载或其他原因的却很少。不同的建筑结构有不同的耐久性要求，除了人为的因素外（施工队伍的资质与技术条件等），更多的是混凝土自身的特点与耐久性的关系，研究这些影响耐久性因素的特点对于混凝土耐久性的保护具有十分重要的指导意义。 2.1冷却塔混凝土侵蚀破坏特点 冷却塔混凝土结构的耐久性失效主要与侵蚀有关，这种侵蚀不同于其它建筑结构，主要有溶出性侵蚀、微生物弱酸腐蚀和冻融破坏三种形式，其结果表现为混凝土层疏松、掉皮、甚至露筋，或因冲刷、冻融破坏导致混凝土壁内空隙加大等，严重的最终导致冷却塔的失效报废。对冷却塔混凝土耐久性的保护，首先应弄清混凝土受到的侵蚀破坏特点，进而有针对性的进行防护是十分重要的。 （1）溶出性侵蚀 溶出性侵蚀是冷却塔混凝土破坏的最主要形式之一，这是因为在所有混凝土水泥水化产物中，ca(oh)2的溶解度是最大的，它的极限石灰浓度为21mmol/l，ph值为12.5，因此当混凝土处于水中时，由于环境水的不断渗入，ca(oh)2为了保持其稳定存在，首先被溶解直至混凝土液相钙浓度达到极限浓度。但混凝土内外液相钙的浓度差，导致钙的不断向外扩散，若环境水是流水（冷却塔循环水即如此），在不断的溶解和扩散中，混凝土内部的ca(oh)2逐渐耗尽，此时缺少了ca(oh)2的“保护”，csh凝胶开始分解。因此水泥石水化产物的稳定都必须在一定浓度的石灰溶液中才能够保证，如果液相中的石灰浓度小于该水化产物的极限浓度，则该水化产物将被溶解或分解，有资料表明：当混凝土中钙溶出量达到自身的25%时，其抗压强度下降36%，抗拉强度下降66%，当溶出量达到33%时，混凝土变得酥松而失去强度。据资料及现场勘查发现，多数塔破坏严重的部位集中在常期有水冲蚀的混凝土表面，如支撑主分水槽的梁和立柱，冷却塔筒壁、淋水构件、中央竖井、主水槽和分水槽等，破坏特点为：结构表面混凝土大片剥落，钢筋部分锈蚀，尚未剥落的混凝土表面已经开裂、发酥，并且在混凝土表面有严重的析碱泛白现象。 （2）微生物弱酸腐蚀 在敞开循环冷却水系统中，微生物的危害往往与水垢和侵蚀的危害并列为三大危害，微生物是指各类非常微小的单细胞生物。在循环冷却水中的微生物分为藻类、细菌及真菌。冷却塔光照充足，通气良好，是藻类生长的理想场所，特别是敞口的冷却塔，藻类的繁殖更加严重，藻类分为蓝藻、绿藻、硅藻等，藻类在冷却塔壁或淋水构件上生长，会引起许多其他微生物的共同生长繁殖，组成复杂的生物群落。这种生物群落在其新陈代谢的过程中要产生各种酸类，对混凝土起腐蚀作用。细菌可分为铁细菌、硫酸盐还原菌、硫细菌及氮化细菌等，其中硫酸盐还原菌对金属的腐蚀主要是通过阴极去极化作用加速腐蚀过程；而有铁细菌活动的部位，氢氧化铁沉积物的产生不仅速度快而且量大，当氧浓差电池形成以后，阳极区溶解的铁离子因铁细菌的作用迅速被氧化，因而加速了铁的进一步腐蚀；硫细菌为好氧性细菌，一般在氧与硫化物同时存在的微氧环境下繁殖，能够把硫化物、硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸，生成的硫酸使水的ph值降低，在局部区域内甚至可能生成相当于10%浓度的硫酸，使ph值降低到1.0-1.1。低ph值会使金属和混凝土局部腐蚀破坏；氮化菌为好氧性菌，能使水中有机态氮化物转化为无机态氮，硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌适宜于中性或碱性环境，这种菌群对循环水系统的危害很大，硝化细菌群中的三类细菌可以互相促进繁殖。亚硝酸菌和硝酸菌化转化出大量的亚硝酸和硝酸，使系统ph值降低，造成金属和混凝土的腐蚀。 （3）冻融破坏 冷却水在冷却塔中会出现冻融破坏问题。这是由于在混凝土内部存在微细孔隙，冷却水进入空隙后不仅造成腐蚀，在冬天还会使水冻结。因水冻结时体积膨胀9%，从而产生相当大的内应力，使钢筋混凝土塔壁产生裂纹而破坏，这在我国北方地区表现的较为明显。 就混凝土材料自身而言，冷却塔混凝土耐久性的失效原因主要是由以上三种侵蚀方式造成，但这三种方式并非孤立的各自作用，而是相互促进：溶出性侵蚀使混凝土表面变得酥松，增加了混凝土的孔隙率，为微生物进一步深入侵蚀混凝土中的钢筋创造了条件；而混凝土孔隙率的增加，同时也增加了混凝土的表面吸水率，在负温情况下，加剧了混凝土的冻融破坏；冻融破坏更加剧了表层混凝土的破坏，使内部新的混凝土裸露出来，又为溶出性侵蚀创造了条件，因此这三种侵蚀方式互为影响，如同一恶性循环环境，其破坏力远比单一一种侵蚀方式更为严重。 3. 冷却塔混凝土耐久性的保护措施及存在的问题 3.1传统的保护方法及存在的问题 鉴于冷却塔混凝土腐蚀的严重性和危害性，为了保证冷却塔的安全、长周期运行，须对冷却塔内混凝土各部件进行防腐蚀处理，传统做法是在混凝土表面涂刷防腐蚀涂料，一般采用高氯化聚乙烯涂料、氯磺化聚乙烯涂料、高氯化聚酚烯涂料、氯化橡胶类涂料或氰凝加玻璃布类似玻璃钢防腐等；规范设计要求“涂料与混凝土表层需有良好的粘着力，涂料有良好的耐水、耐油、防腐蚀性能，耐水冲刷、喷淋和飞溅、耐候、耐老化、保光、保色性能突出，施工方便等”。 但笔者认为在选择涂料时，除了防腐功能外，冷却塔的不均匀热荷载是需要考虑的一个重要因素。当太阳由东向西运动时，大体积的冷却塔会受到不均匀热应力作用。冷却塔的壁相对来说比较薄，容易被太阳晒热，而在每一个特定时刻，太阳只能照射到冷却塔50%的表面，相对于没有被照射到的部分，被照射部分体积发生膨胀，导致冷却塔的横截面呈鸡蛋形，且随着太阳的移动而变化。因此与混凝土粘接的涂料的变形能力一定要适应冷却塔的变形，否则在粘接处由于变形能力差异会导致涂料与混凝土基面的开裂、分离。 为了保证防腐涂料的长期有效性，不但要求其与混凝土基面有良好的粘着力，而且同时还应具备足够的柔韧性以满足冷却塔的热应力变形。熟悉涂料的人们知道，涂料的柔韧性与粘接强度成反比关系，粘接强度越高，柔韧性越差，反之亦然。但实际情况是在选择涂料时，人们偏重于化学防腐方面，而对于物理力学变形方面考虑较少，但在目前防腐蚀涂料的检测指标中并没有疲劳变形试验内容。对于粘接强度高、柔韧性差的涂料（如玻璃钢类环氧涂料），由于不能适应冷却塔混凝土的频繁变形，变形模量的差异易于导致在粘接面处开裂；而对于柔韧性较好的防腐涂料，虽然其变形能力能够适应混凝土的热应力变形，但粘接强度的降低及对基层处理要求过高（因涂料中橡胶的饱和度较大，对基层处理要求较高，需达到sa2.5级或st3级，否则粘结不好），同样会降低其寿命。另外由于混凝土碱性材质的特征，易与涂刷其表面的高分子涂料发生皂化反应，使涂膜老化，降低涂层寿命，结合实际勘查发现，大部分冷却塔防腐涂料，三至五年时间内易出现掉皮、开裂和与混凝土分离的现象，因此防腐涂料不能从根本上解决冷却塔混凝土耐久性的保护问题。 3.2冷却塔混凝土耐久性问题的分析和解决思路 分析研究冷却塔混凝土耐久性侵蚀破坏的特点，发现无论这三种侵蚀破坏的任何一种方式，皆与以下三个因素有关：
传统的冷却塔混凝土防腐蚀措施，虽然在一定程度上保护了混凝土的耐久性，但其前提条件是防腐涂层的完好未损，一旦涂层受到破坏，混凝土裸露于外部环境则不可避免的受到侵蚀破坏，涂层的完整性和寿命决定其保护的时效，但正如前面所述，因为涂膜类防腐涂料的不足，不能从根本上解决混凝土耐久性问题。依据侵蚀破坏的特点制定防腐蚀措施或许更加有的放矢。 方法一．矿物掺和料的使用：水泥中掭加矿物掺和料，如粉煤灰，水淬碱性矿渣等，由于粉煤灰或水淬碱性矿渣的水化反应是二次反应，需要水泥水化产物碱性ca(oh)2的激法，因此在反应过程中一方面消耗了部分水泥水化产物中ca(oh)2的含量，降低了ca(oh)2在水化产物中的比例，另一方面，通过化学反应结合的新的水化产物csh凝胶的溶解度低于ca(oh)2，因此能够有效降低混凝土溶蚀性破坏。 方法二．水泥外加剂的使用：高效减水剂和引气剂的使用不但降低水灰比、提高混凝土各项力学性能指标，关键是增加了混凝土的密实度，增加了有益于混凝土耐久性的凝胶孔和降低了混凝土的毛细孔隙，即降低了混凝土的吸水率，提高了混凝土的耐久性。 方法三．涂料的选择与使用：除了传统的涂膜类涂料外，近年来从德国、美国引进的一种渗透型有机硅改性涂料如佳耐德-801，为冷却塔混凝土耐久性的保护提供了新思路，其作用主要有以下几个方面：
图一 基准混凝土 图二 涂刷过的受检混凝土 憎水、防腐的功能 该类产品改变了混凝土毛细孔壁的表面能，使得混凝土由过去的吸水变成憎水，进而使得表层混凝土毛细作用难以发生，将腐蚀性离子的传输媒介---水拒之于外，因此由微生物生成的弱酸离子就无法进入到混凝土内部。而且由于其反应产物的si-o网键的类玻璃体网状结构，因其键能很高，大于普通涂膜类高分子材料的c-o网键的键能，腐蚀性酸性溶液较难打开其化学键，具有较强的耐酸性；而且si-o网键的无机材质特点，解决了有机涂膜耐紫外线差的缺点。具体数值见表二 表二 防水及耐酸、耐碱等性能检测数据
由于憎水的作用，降低了混凝土的吸水率，能够有效提高混凝土的抗冻性，而且不仅是水冻破坏，对于饱和盐水的冻融破坏也具有十分突出的效果，其结果见表四。
抗氯盐盐冻检测数
5. 结语 冷却塔混凝土耐久性的保护不单纯是防腐一方面的工作，弄清了其破坏基理，综合治理，进行有针对性的设计预防，能够有效提高混凝土的寿命，延长冷却塔的使用年限。除了混凝土自身需要防范的地方外，施工队伍的技术水平、管理能力同样重要，只有标本兼治，才能取得预期的设计效果。
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