滨海风电风机基础防腐蚀研究

陈加兴 万 鑫

(1.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014;2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙 410014)

1 概述

我国东部沿海地区风能资源丰富，规模开发条件良好，同时该地区经济发达，随着常规能源的日益紧缺，在滨海地区开发风电的重要性日益加强。国家近年来也在大力加强对该地区风电场的投资建设，但由于发展时间较短，在滨海地区风机基础设计中仍有一些问题迫切需要解决，其中很重要的并且普遍存在的是基础混凝土防腐蚀处理问题。

2 工程地质

滨海风电场多位于浅海滩涂地区，场区地层多为沉积层，主要为粉砂、细砂层及粉质粘土层，部分夹有软弱粉土层。场区沉积土层深厚，承载力一般较低，结构较为松散。基岩埋藏较深，一般达数百米。地下水位埋藏很浅，受潮汐影响较大。场区地下水、海水对混凝土结构具有一定的腐蚀性、对钢筋混凝土中的钢筋在干湿交替环境下具有较强的腐蚀性。

东凌风电场工程位于江苏省如东县东部东凌港以北的滩涂地区，区域地貌上属长江三角洲堆积平原的近代海积平原，共安装47台风机，其中42台位于海边大堤内围垦区(大堤建成两年)，另外5台风机位于堤外海滩上，受海水影响。工程区盐碱严重，堤内场区虽受大堤保护，但在清晨仍可见地面上一层盐霜，堤外场区则直接与海水接触。

本地区地下水、海水pH值为7.9～8.59，属弱碱性水;总矿化度为15 252 mg/L～15 912 mg/L，属高矿化水;侵蚀性CO2含量为0.0 mg/L ～6.2 mg/L。Cl－含量为8 378 mg/L ～8 693 mg/L，其次是，含量为1 119 mg/L～1 132 mg/L，HCO3－含量为252 mg/L～287 mg/L。Mg2+含量为623 mg/L～716 mg/L，NH4+含量为0.772 mg/L～3.51 mg/L。水质分析成果表明工程区地下水、海水对混凝土结构具弱腐蚀性;对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水环境下具弱腐蚀性、在干湿交替环境下具强腐蚀性。

3 腐蚀破坏机理

滨海地区风机基础所处的环境比较恶劣，主要有以下几方面影响因素:

1)土壤中含有大量对混凝土起破坏作用的氯离子、硫酸根离子、金属离子等;

2)近海地区风速较大，混凝土表面干湿交替较快，特别是对于处于涨潮区与浪溅区的风机基础，每天的干湿交替，使混凝土表面出现盐结晶，加速了土壤和海水对混凝土的腐蚀速度，使混凝土的老化速度加快，服役年限减少;

3)华东地区处于微冻地区，冬季夜间温度在0℃以下，白天温度在0℃以上，使混凝土处于冻融循环环境。在这种环境下，混凝土表面防腐层容易起泡、剥落，加速了土壤和海水对混凝土的腐蚀速度，使风机基础使用寿命大大减少;

4)近海地区盐雾中含有氯离子、硫酸根离子、金属离子等，会对暴露在空气中的风机基础产生腐蚀，加速风机基础老化;

5)空气中的二氧化碳，对混凝土表面起碳化作用，使表面疏松，加速氯离子、硫酸根离子、金属离子侵蚀速度。

滨海地区风机基础处于这种特殊环境中，当上述5种因素相互叠加对风机基础混凝土产生共同作用时，如果不采取相应的防腐蚀措施，混凝土的腐蚀速度会大大加快，风机基础后期维修加固费用增加，且风机基础使用年限剧减。

滨海地区特殊环境对风机基础混凝土产生腐蚀的破坏机理主要包括:

1)氯离子侵蚀引起混凝土内部钢筋锈蚀。近海地区海水、土壤、大气中含有大量的氯离子，氯离子通过扩散作用，向混凝土内部渗透，渗透进混凝土内部的氯离子，对破坏钢筋表面的氧化膜有特殊能力，产生可溶性的铁——氯化铁，导致多孔铁锈的沉淀和氯的释放而不断侵蚀，从而引起混凝土内部钢筋生成含水氧化铁(铁锈)，铁锈产生的膨胀反应会导致锈蚀钢筋上部的混凝土产生开裂和剥落，严重影响建筑物正常使用和服役年限。主要反应过程如下:

2)硫酸盐腐蚀。近海地区海水、土壤、大气中含有大量的硫酸根离子，硫酸根离子通过扩散作用，向混凝土内部渗透，硫酸根离子与水化产物单硫型铝酸盐反应，形成大体积的钙矾石，反应后，体积增加约55%，引起浆体内部体积膨胀，并同时产生内应力，最后导致混凝土开裂和剥落。其主要反应过程如下:

此外，硫酸盐腐蚀还包括硫酸镁腐蚀、硫酸铜腐蚀等。

3)渗滤和盐霜。当混凝土表面受干湿交替作用时，混凝土表面常出现盐霜，这表明在混凝土内部发生渗滤，会导致孔隙率增加，从而降低混凝土强度并加快侵蚀物质的入侵速度，加速建筑物破坏。

4)盐类结晶。当混凝土与含大量盐类的海水、土壤接触时，这些盐类会渗入混凝土，经过蒸发、浓缩而在孔内结晶，如此反复或连续蒸发，将引起盐的沉积而造成混凝土表面开裂和剥落，特别是在水位变化区、干湿交替区，这种破坏最为明显。

5)冻融破坏。混凝土属于含水的多孔材料，在冻融循环的作用下，混凝土易发生开裂和表层剥落，引起混凝土腐蚀速度加快。

4 防腐蚀措施

风机基础混凝土结构的设计寿命要求一般为20年～25年。而现实中，处于腐蚀环境中的混凝土远远达不到设计寿命要求，有的在10年～15年就出现了钢筋锈蚀破坏，甚至有些不足5年就需要开始修复。对腐蚀破坏的混凝土进行加固修复所需要的花费是巨大的，已经成为一个重大的经济问题。因此，对滨海地区风机基础进行防腐蚀处理以提高混凝土结构耐久性的意义是非常显著的。

4.1 混凝土结构防腐蚀措施

混凝土结构防腐蚀措施主要包括两大类:基本措施和补充措施。

基本措施的基本内容是:通过优化设计与施工，最大限度地提高混凝土本身的耐久性，在使用中保持低渗透性，以限制环境侵蚀介质渗透进入混凝土，从而预防钢筋锈蚀。研究表明，最大限度地改善混凝土本身性能，是提高混凝土结构耐久性的诸多措施中最经济合理的。1)结构采用耐久性设计。2)提高混凝土保护层厚度和质量。3)采用高性能混凝土。

补充措施是指:环境侵蚀作用特别严重时，或设计、施工不当，单靠上述基本措施还不能保护混凝土结构必要的耐久性时，需要另外增加的其他防护措施。有以下几个方面:1)采用耐腐蚀钢筋。2)对混凝土进行表面处理。3)混凝土中掺加阻锈剂。4)电化学保护。

4.2 风机基础混凝土防腐蚀措施

风机基础混凝土防腐蚀处理主要从以下几个方面进行考虑:

1)结构选型设计。

频繁地干湿交替会加剧钢筋锈蚀，所以在结构选型和细部设计时，应尽量限制混凝土表面、接缝和密封处积水，加强排水，尽量减少受潮和溅湿的表面积。

由于环境侵蚀介质在构件棱角或突出部分可以同时从多方面侵入混凝土，而凹入部分易积存侵蚀介质、应力异常，因此从提高混凝土结构耐久性角度出发，混凝土构件选型应力戒单薄、复杂和多棱角。因此，风机基础混凝土承台建议采用八边形棱台柱体或者圆形台柱体。

2)裂缝控制。

混凝土交付使用时如果存在裂缝，则腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快。研究和工程实践表明，这时钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸露于大气中的钢筋。这是由于裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。因此，有效控制混凝土裂缝对提高混凝土耐久性也具有重要意义。

风机基础混凝土最容易产生的是温度缝，因此，混凝土施工过程中应该做好温控及养护措施。东凌风电场风机基础施工时，要求所有风机基础混凝土浇筑时入仓温度不大于25℃，必要时要求采取骨料预冷、散装水泥冷却、加冷却水或加冰拌和等措施。混凝土内设置测温元件，混凝土浇筑时在风机基础混凝土内部埋设4个测温点，混凝土浇筑完成后即开始测量混凝土内部温度，要求混凝土内部温差及内外温差不大于25℃，当超过25℃时应采取混凝土温控措施。混凝土的表面应采用防水膜保持湿润状态，防止雨水和温度剧变，养护时间不少于15 d。

3)提高混凝土保护层厚度。

提高混凝土保护层厚度是提高滨海地区风机基础钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩将会导致混凝土保护层出现裂缝，反而削弱其对钢筋的保护作用。《风电机组地基基础设计规范》表9.5.5规定，对于滨海地区风机基础底部混凝土最小保护层厚度为100 mm，对于海水环境风机基础底部混凝土最小保护层厚度为110 mm。根据设计经验，滨海地区风机基础底部混凝土保护层厚度可取100 mm～120 mm。

4)混凝土保护涂层。

完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触、弥补混凝土多孔性的缺陷的作用，从而延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命。混凝土浇筑完成28 d以后，表面涂刷防腐涂料。鉴于环氧树脂类涂层具有较好的防护性能和耐久性，可用于较严酷的腐蚀环境中，且单价较为便宜，施工较为方便，防腐涂层底层可采用环氧树脂封闭漆一遍，面层采用环氧树脂漆(厚度不小于500 μm)。涂刷时保持混凝土表面干燥。完好的环氧树脂漆在其有效使用年限内将能较好的保护混凝土不受腐蚀破坏。

5)采用高性能混凝土。

高性能混凝土通过采用优质混凝土矿物掺合料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实，高耐久的混凝土材料。高性能混凝土具有较高的抗氯离子渗透性，性价比较高。从提高工程安全性、可靠性和经济性等方面考虑，在滨海地区特殊环境下，建议采用高性能混凝土。

5 处理效果

东凌风电场风机基础混凝土采用八边形棱台柱体形式;混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P8，抗氯离子渗透性不大于2 000 C;采用普通硅酸盐水泥，对混凝土配合比进行有效控制;对混凝土采取良好的温控和养护措施;混凝土保护层厚度为100 mm;混凝土表面涂刷环氧树脂漆防腐涂层。单台风机基础混凝土防腐蚀处理费用约1.5万元～2.0万元。至今已安全运行4年，未出现腐蚀破坏现象。

6 结语

在滨海地区风机基础设计中，防腐蚀处理是普遍存在的问题，但因为防腐蚀处理将提高工程造价，而部分设计人员也心存侥幸心理，因此，防腐蚀处理问题没有得到真正有效的重视。本文认为，应充分考虑风机基础设计中混凝土防腐蚀耐久性的重要性。风机基础投资在整个风电场投资中仅占很小的一部分，但风机基础却是关系到风机能否安全稳定运行的至关重要的因素。因此在风机基础设计中，应充分考虑防腐蚀处理，因地制宜地采用防腐蚀基本措施和补充措施，提高风机基础混凝土的耐久性，保证风机的安全运行。

混凝土腐蚀是影响混凝土结构耐久性的重要原因。混凝土防腐蚀处理是系统的研究课题。本文结合东凌风电场风机基础设计经验，对滨海地区风机基础防腐蚀处理提出一些有效措施，可供同类工程参考。

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