石化装置中混凝土的腐蚀分析及加固措施

2022-09-10

一、前言

石化装置在长期的使用过程中, 用于承载大型设备的钢筋混凝土基础出现了不同程度的表层剥离、开裂、钢筋外露、锈蚀的现象, 对设备的安全运转造成重大影响。某装置区内罐的框架式基础竣工近十年后, 出现大量纵向裂纹, 并且在近一年时间里, 裂缝快速发展, 其宽度达到1毫米以上, 表面粉刷层及钢筋保护层局部出现起鼓、脱落, 透过缝隙可见部分钢筋外露、锈蚀, 严重威胁到设备的安全运行。该设备基础所处的环境为含有二氧化硫的大气。同时, 设备外部有液体排出, 滴落在框架上表面, 并从框架外侧渗出。

二、原因分析

在低强度的混凝土中, 由于水泥浆含量低、水灰比大, 骨料相对含量高, 骨料之间存有大量孔隙, 在搅拌、振捣时水会在这些骨料孔隙间流动, 流动特性基本上与其他多孔物体的渗透流动相同。这些流动的水会形成通道, 其直径远比毛细管大。

1. 水的溶出影响

长期与水接触的混凝土结构, 混凝土中起重要支撑作用的石灰会被溶解, 使液相的石灰浓度下降, 在混凝土外表面, 游离的石灰在水的溶解下, 浓度不断降低, 由于内外浓度的差别, 混凝土内部的石灰会不断向外溶出, 其结果同样造成混凝土强度下降。外观表现为表层混凝土变得粗糙、易剥落。

2. 二氧化硫的影响

外界的二氧化硫渗入后, 首先将直接降低毛细管内液体的酸碱平衡浓度, 为了维持浓度平衡, 固态的游离石灰溶解加以补充。当在毛细管内碱度在酸的作用下迅速下降时, 附近的固态游离石灰很快耗尽, 碱度继续下降至水化产物的极限值时, 硅酸盐结晶组分会分解, 由高钙水化产物向低钙水化产物转化, 以不断释放出石灰。最终, 如果所有构成强度的高钙结晶都遭到分解而形成低钙结晶, 甚至进一步分解形成毫无胶结能力的硅胶和铝胶, 形成破坏。

3. 硫酸盐的影响

硫酸盐与硬化水泥浆中的铝酸盐通过反应, 会在铝酸盐表面形成钙矾石。而钙矾石的形成, 对混凝土内网状结构没有贡献, 相反, 由于铝酸盐形成钙矾石的过程中, 体积会增大到原来的8倍, 形成巨大的膨胀应力。同时, 硫酸盐还会与硅酸盐生成钙硅石 (主要由氢氧化钙、碳酸钙、二氧化硅和石膏在低温下形成) , 使混凝土表面产生鼓泡、胀裂和凸起, 使混凝土松软, 强度降低。

4. 水冻融的影响

一般认为, 因为混凝土中含有充满毛细管的自由水 (它的冰点和毛细管的管径相关, 并且不可能是纯水, 在低浓度部分, 它的冰点通常在-1摄氏度左右) 。在冬季遇冷时结冰, 产生体积膨胀, 超过混凝土抗拉强度时, 引起混凝土内毛细结构的破坏。当这种破坏不断积累后, 会形成微裂缝。在多次反复冻-融循环作用下, 混凝土中的微裂缝会相互贯通, 其强度会逐渐降低, 混凝土表面剥落, 造成破坏。这种情况在低强度的混凝土中更加明显。

5. 碱溶液的影响

当混凝土表面被碱溶液浸润, 其蒸发面暴露在含有二氧化碳的大气中时, 溶液在毛细管的外端不断蒸发, 碱溶液与二氧化碳形成的碱金属碳酸盐浓度不断提高, 最终在该处达到过饱和, 加速侵蚀作用。同时, 析出的结晶盐, 会随着温度的变化, 由带水结晶体转化为含水结晶体, 体积会大量增加, 从而形成膨胀应力, 当应力超过混凝土抗拉强度时, 也会形成类似水冻融产生的破坏。

6. 钢筋的锈蚀

在混凝土受到侵蚀时, 混凝土的碱性会下降, 而碱性是维持电化学反应不再继续进行的必要条件。当碱性降低时, 钢筋的这层钝化膜会遭到破坏, 电化学反应会继续进行, 持续生成氧化物, 最终形成大量氧化物 (铁锈) 的堆积。铁锈的体积比铁元素大很多, 这又引起了钢筋体积的膨胀, 最终会破坏混凝土, 造成开裂。其裂缝通常沿钢筋的方向延伸, 从外观看为基本平行的纵向裂缝。

三、处理方法

综上所述, 混凝土的腐蚀是一个非常复杂的问题, 混凝土的腐蚀往往是各种因素综合作用所产生的结果。结合该设备基础实际环境情况, 对该设备基础的处理主要采取隔绝外界液体腐蚀的方法进行处理。

经过详细测量, 该基础未发现不均匀沉降, 并且周围硬化地面情况良好, 说明基础地下部分未受腐蚀。针对柱开裂严重, 钢筋发生锈蚀, 可以采取湿式外包钢加固防腐。即对框架柱的裂缝进行修补, 增加防腐措施, 并且对因锈蚀造成钢筋的强度损失进行弥补。具体做法如下:

1. 将原钢筋混凝土柱表面疏松层去掉, 对疏松层下的裂缝可以用超细混凝土注浆料灌实。柱表面用乳胶水泥 (乳胶含量不少于5%) 修补平整。柱四角磨出小圆角, 用钢丝刷刷毛, 用压缩空气吹扫干净。

2. 柱角抹5厚乳胶水泥, 立即粘上角钢, 并用夹具在两个方向上将柱四角的角钢夹紧, 夹具间距不大于500毫米。

3. 焊接扁钢。焊接时注意分段交替焊接。焊接过程应在胶浆初凝前完成。

4. 钢结构完成后抹30厚乳胶水泥保护。

该基础经本方法加固施工后, 效果良好。

四、处于装置区内钢筋混凝土结构设计时可采取的防腐措施

1. 结构设计

在设计中解决混凝土腐蚀问题, 是最根本的方法。在确定设计标准时, 不能参照一般性的设计规范, 应根据具体的情况, 适当提高对混凝土的抗渗等级的要求, 并且采用尽量减少构件中的应力水平, 严格控制钢筋的直径, 限制裂缝的宽度不得超过0.2毫米, 在容易受到雨淋或可能积水的混凝土构件表面做成斜面, 或者设置排水系统等方法。

从构造上来说, 可以适当提高混凝土的标号, 加大钢筋保护层的厚度。根据《混凝土结构耐久性设计规范》要求, 处于含有腐蚀性气体的环境中, 混凝土强度等级应提高一级, 钢筋保护层厚度也应相应增加。

从材料方面, 根据实际情况, 可采用火力发电厂电除尘产生的优质细粒粉煤灰作为添加剂, 将能有效提高混凝土的耐久度。根据资料建议, 粉煤灰掺合量约在20%~50%之间, 具体可以通过实验确定。

在设计中, 还要考虑具体的生产工艺条件, 以及出现事故时, 侵蚀介质的变化情况。这是必须要加强考虑的。

2. 施工控制

混凝土生产应确保高质量、高密度、永久性和耐用型混凝土。混凝土浇筑在规定的温度范围内进行。骨料应保持在阴暗处, 也可以使用冷水消除混凝土的温度。如有必要, 在大面积浇筑时, 可以使用冷却水循环管降低温度。在混凝土施工缝表面不应有影响混凝土或降低接缝表面粘合的碎片和任何其他物。在有液体飞溅区避免或严格限制使用施工缝。施工时严格操作程序, 保证施工质量。

从施工后处理方面, 可以对混凝土进行表面处理, 涂覆防腐涂料或附加保护层。实际经验表明, 涂覆氯化橡胶漆类、聚氨脂漆类和树脂涂料等, 保护周期可达20年左右。附加沥青、玻纤布沥青、玻纤布树脂, 也有良好的效果。

结论

根据混凝土的腐蚀主要因素, 结合设备基础所处的环境情况, 提出了以隔离外界腐蚀、提高强度为主的加固、防腐处理方法。对类似的混凝土设备基础, 应在设计施工中就采取必要的防腐的措施, 主要包括添加粉煤灰、改善施工工艺、混凝土的表面处理等方法, 避免今后出现类似的问题。

摘要：本文介绍了某装置中混凝土腐蚀的主要因素, 包括二氧化硫的侵蚀、水冻融、碱结晶、环境湿度等因素。在分析原因的基础上论述了对该混凝土的加固处理方法, 并提出在设计中避免混凝土腐蚀的基本措施, 主要有添加粉煤灰、改善施工工艺、在结构设计中采取措施等方法从而在根本上避免出现这些问题, 提高混凝土使用的耐久性和安全性, 降低对装置的维护成本。

关键词：混凝土,腐蚀,防腐措施,耐久性