“烟塔合一”排烟冷却塔混凝土的耐久性研究

安明喆， 高 扬， 王 月， 韩 松， 余自若， 季文玉

(北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044)

1 试验

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为340m2/kg；掺合料选用S95矿粉、Ⅰ级粉煤灰，以及SiO2含量为90.22%(质量分数)的微硅粉；普通混凝土和高性能混凝土的细骨料采用河砂，细度模数为2.6，粗骨料选用粒径为5～10mm和10～ 25mm的玄武岩碎石；超高性能混凝土的骨料采用粒径分别为0.160～0.315，0.315～0.630，0.630～1.250mm的石英砂，掺配比例(质量比)为1∶4∶2；高性能混凝土采用聚羧酸系高效减水剂，减水率(质量分数)为30%，含固量(质量分数)为20%；超高性能混凝土采用氨基磺酸盐系高效减水剂，减水率为29%，含固量为30%.

1.2 配合比设计

选择现有“烟塔合一”排烟冷却塔筒体常用的C30普通混凝土(NC30)进行侵蚀试验.为了提高复杂环境下“烟塔合一”排烟冷却塔的耐久性，还设计了C30，C50高性能混凝土(HPC30，HPC50)以及超高性能混凝土(UHPC)进行侵蚀试验，具体配合比如表1，2所示.

1.3 试验方案

1.3.1冷凝溶液制备

表1 普通混凝土与高性能混凝土配合比及抗压强度

表2 超高性能混凝土配合比及抗压强度

1.3.2试验方法

试验统一采用100mm×100mm×100mm试件，NC30，HPC30，HPC50成型后，在常温下养护1d 后拆模，再放入标准养护室养护至28d；UHPC常温下养护1d拆模，放入蒸汽养护箱以15℃/h的速率升温至75℃，恒温养护68h，然后降至室温，再放入标准养护室养护至28d.

浸泡试验：在100L的塑料盒中放入8组(24个)养护至28d的试件，试件间保留1cm的间距，再注入60L冷凝溶液，然后将装有试件的塑料盒置于45℃的蒸汽养护箱中，以模拟混凝土在45℃条件下的抗侵蚀能力.为保持冷凝溶液的pH值稳定，每2d测试1次pH值，并用盐酸溶液进行调节，同时为了保持冷凝溶液中各离子浓度的稳定，每10d 更换1次冷凝溶液.试件在冷凝溶液中浸泡15，30，55，75，95d后，分别测定其抗压强度损失率.

质量损失率和中性化深度测定：试件在冷凝溶液中浸泡15，35，55，75，95d后，分别测定其质量损失率，然后将试件从中间劈开，清除断面上残存的粉末，再用1%(质量分数)的酚酞酒精溶液喷于断面上，并用游标卡尺测量其中性化深度.

微观结构分析：将冷凝溶液中浸泡95d的试件距离表面2～5mm处切取大小为3～8mm的样品，并迅速用无水乙醇将其冲洗干净，晾干后进行喷金处理.采用Quanta 250 FEG型扫描电子显微镜观察试件侵蚀前后的形貌，采用INCA X-MAX50型X射线能谱仪对侵蚀区的化学成分进行分析.

2 试验结果与分析

2.1 外观形貌与质量损失率

图1为NC30，HPC30，HPC50及UHPC在冷凝溶液中浸泡95d后的外观形貌.图2为不同混凝土在冷凝溶液作用下的质量损失率变化曲线.从图2可以看出，不同混凝土的质量损失率均随着浸泡时间的增加而增大，其中NC30的质量损失率最大，浸泡35d后其质量损失率变化曲线出现折点，增长速率明显增大，浸泡95d后其质量损失率为7.6%，试件表面砂浆剥蚀严重，棱角破坏程度大，粗骨料大量外露，试件尺寸明显减小(图1(a)).HPC30，HPC50的质量损失率变化曲线折点出现在55d，且质量损失率明显小于NC30；浸泡95d后，HPC30的质量损失率为4.4%，仅为NC30的57.9%，HPC50的质量损失率为4.0%.由此可见，HPC30，HPC50在冷凝溶液作用下的抗侵蚀能力明显优于NC30.在冷凝溶液中浸泡95d后，HPC30表面的水泥石出现了剥蚀现象，试件棱角破坏，部分粗骨料外露，试件尺寸略有减小(图1(b))，HPC50表面的水泥石有一定溶蚀，试件棱角有少许剥落，部分细骨料外露，但试件基本完整(图1(c)).UHPC的质量损失率随着浸泡时间的增加缓慢增大，其质量损失率变化曲线无明显折点，在冷凝溶液中浸泡95d后，其质量损失率为1.3%，仅为NC30的17.1%，试件表面基本完整，棱角处略有剥落，外观形貌变化不大(图1(d)).在冷凝溶液中浸泡55d后，UHPC的质量损失率增幅明显小于HPC30，HPC50.

图1 不同混凝土在冷凝溶液中浸泡95d后的外观形貌Fig.1 Comparison of exterior morphology of different concretes after condensate solution immersion for 95d

图2 不同混凝土在冷凝溶液作用下的质量损失率变化曲线Fig.2 Mass loss rate changes of different concretes under the erosion of condensate solution

2.2 抗压强度

图3，4分别为不同混凝土在冷凝溶液作用下抗压强度和抗压强度损失率的变化曲线.从图3可以看出，NC30，HPC30，HPC50的抗压强度随着浸泡时间的增加呈现先增大后减小的趋势，而UHPC的抗压强度随着浸泡时间的增加不断下降，但下降趋势缓慢.

图3 不同混凝土在冷凝溶液作用下抗压强度的变化曲线Fig.3 Compressive strength changes of different concretes under the erosion of condensate solution

图4 不同混凝土在冷凝溶液作用下抗压强度损失率的变化曲线Fig.4 Compressive strength loss rate changes of different concretes under the erosion of condensate solution

在冷凝溶液中浸泡15，30，55，75和95d后，NC30的抗压强度损失率分别为-10.1%，-10.3%，6.2%，33.0%和40.3%.HPC30，HPC50的抗压强度变化曲线与NC30大致相同，可分为增大和减小2个阶段，但其折点在15d处.在冷凝溶液中浸泡15，55和95d后，HPC30的抗压强度损失率分别为-13.8%，7.6%和31.9%，HPC50的抗压强度损失率分别为-11.9%，-9.2%，19.8%；在冷凝溶液中浸泡95d后，HPC30，HPC50的抗压强度损失率分别是NC30的79.2%，49.1%；在冷凝溶液中浸泡15，55和95d后，UHPC的抗压强度损失率分别为6.0%，1.4%和9.4%，抗压强度损失率变化曲线无明显折点.而且，在冷凝溶液中浸泡95d后，相比于NC30，HPC30，HPC50，UHPC的抗压强度损失率分别下降了76.7%，70.5%，52.5%.这表明UHPC的抗压强度保持最好，在冷凝溶液作用下的损伤程度最低.

2.3 中性化深度

混凝土的中性化不仅影响混凝土自身的性能，还影响其中纤维或配筋的抗锈蚀性能，因此中性化深度常被用来考察酸性环境作用下的混凝土性能[9-10].图5为不同混凝土中性化深度随浸泡时间的变化曲线.

图5 不同混凝土中性化深度随浸泡时间的变化曲线Fig.5 Neutral depth changes of different concretes with the increase of immersion time

由图5可知，在冷凝溶液中浸泡55d前，不同混凝土的中性化深度均随浸泡时间的增加直线上升，在冷凝溶液中浸泡55d后，中性化深度上升趋势变缓.在冷凝溶液中浸泡15，35，55，75和95d时，NC30的中性化深度分别为0.5，1.4，2.9，3.8和4.3mm，而HPC30的中性化深度分别为0.6，1.3，2.4，2.8和3.1mm；在冷凝溶液中浸泡55，95d 时，HPC50的中性化深度分别为2.0，2.6mm，明显小于NC30；在冷凝溶液中浸泡55，95d时，UHPC的中性化深度分别为1.9，2.4mm，略小于HPC50，与NC30相比，其在冷凝溶液中浸泡95d时的中性化深度降低了44.2%.

3 侵蚀机理分析

图6 不同混凝土在冷凝溶液中浸泡95d后的侵蚀产物Fig.6 Erosion product of different concretes under the erosion of condensate solution

4 结论

(1)在模拟排烟冷却塔冷凝溶液的作用下，不同混凝土均发生了侵蚀现象，NC30的侵蚀最为严重.在冷凝溶液中浸泡95d时，NC30，HPC30，HPC50和UHPC的质量损失率分别为7.6%，4.4%，4.0%和1.3%.水泥石中的Ca(OH)2与冷凝溶液中的H+反应，生成Ca2+的可溶性盐，使水泥石的碱度降低，导致其他水化产物溶解或分解，引起试件表面剥落.

(2)NC30，HPC30，HPC50的抗压强度随着冷凝溶液浸泡时间的增加，呈先增大后减小的趋势，而UHPC的抗压强度呈不断下降趋势.在冷凝溶液中浸泡95d时，NC30，HPC30和HPC50的抗压强度分别下降了40.3%，31.9%和19.8%，而UHPC仅下降了9.4%，说明UHPC的抗侵蚀能力明显优NC30，HPC30，HPC50.

(4)NC30，HPC30，HPC50及UHPC的中性化深度随着浸泡时间的增加而增大，在冷凝溶液中浸泡95d时，其中性化深度分别为4.3，3.1，2.6，2.4mm， 即使是结构致密的UHPC也会产生较大的中性化深度.这是由于水泥石中的Ca(OH)2与冷凝溶液中的H+反应，生成Ca2+的可溶性盐降低了水泥石的碱度所致.

参考文献：

[1] 翟明，董芃，王丽.利用冷却塔排放脱硫湿烟气技术的应用[J].电站系统工程,2005,21(4):27-29.

ZHAI Ming,DONG Peng,WANG Li.Application of technology to discharge desulfurized wet flue gas via a cooling tower[J].Power System Engineering,2005,21(4):27-29.(in Chinese)

[2] 刘国树,李兴.烟塔合一冷却塔淋水架构混凝土损坏的原因分析与对策[J].天津电力技术,2011(3):34-36.

LIU Guoshu,LI Xing.Analysis of water spray structure damage of cooling tower with flue gas and treatment[J].Tianjin Electric Power Technology,2011(3):34-36.(in Chinese)

[3] 梁龙,刘绍中,孙玉龙.火力发电厂冷却塔混凝土的耐久性保护研究[J].商品混凝土,2008(2):17-19.

LIANG Long,LIU Shaozhong,SUN Yulong.Research on durability protection of power plant cooling tower concrete[J].Ready-Mixed Concrete,2008(2):17-19.(in Chinese)

[4] CHEN Mengcheng,WANG Kai,XIE Li.Deterioration mechanism of cementitious materials under acid rain attack[J].Engineering Failure Analysis,2013,27(1):272-285.

[5] XIE Shaodong,QI Li,ZHOU Ding.Investigation of the effects of acid rain on the deterioration of cement concrete using accelerated tests established in laboratory[J].Atmospheric Environment,2004,38(27):4457-4466.

[6] HILLEMEIER B,HUETTL R.High performance concrete—An example of acid resistance[J].Concrete Precasting Plant and Technology,2000,66(1):52-60.

[7] 刘绍中，孙玉龙，梁龙.火电厂冷却塔混凝土的耐久性保护研究[J].电力建设,2008,29(4)：96.

LIU Shaozhong,SUN Yulong,LIANG Long.Research on durability protection of power plant cooling tower concrete[J].Electric Power Construction,2008,29(4):96.(in Chinese)

[8] 姚友成,侯宪安.烟塔合一的冷却塔腐蚀与防护[J].电力勘测设计,2006(5):17-20.

YAO Youcheng,HOU Xian’an.Corrosion and protection of NDCT with flue gas discharge[J].Electric Power Survey & Design,2006(5):17-20.(in Chinese)

[9] 许崇法,曹双寅,范沈龙,等.应力、碳化及酸雨作用下混凝土中性化试验研究[J].土木工程学报,2014,47(5):64-70.

XU Chongfa,CAO Shuangyin,FAN Shenlong,et al.Experimental study on the concrete neutralization under stress and carbonization and acid rain[J].China Civil Engineering Journal,2014,47(5):64-70.(in Chinese)

[10] 牛荻涛,周浩爽,牛建刚.承载混凝土酸雨侵蚀中性化试验研究[J].硅酸盐通报,2009,28(3):411-415.

NIU Ditao,ZHOU Haoshuang,NIU Jiangang.Investigation of neutralization of concrete under loads by accelerated acid rain test[J].Bulletin of the Chinese ceramic society,2009,28(3):411-415.(in Chinese)

[11] 陈烽.模拟酸雨环境下胶砂、混凝土抗蚀性能的试验研究[D].长沙：中南大学,2007.

CHEN Feng.Experimental study of the corrosion performance of mortar and concrete under the environment which simulated the condition of acid rain[D].Changsha:Central South University,2007.(in Chinese)

[12] 张英姿，范颖芳，刘江林，等.模拟酸雨环境下C40混凝土抗压性能试验研究[J].,2010,13(1):105-110.

ZHANG Yingzi,FAN Yingfang,LIU Jianglin,et al.Experimental study on compressive performance of concrete C40 in simulated acid environment[J].,2010,13(1):105-110.(in Chinese)

[13] 余自若,高康,安明喆,等.活性粉末混凝土微观结构及其对强度与抗氯离子渗透性能的影响研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2013 ,45(1):31-37.

YU Ziruo,GAO Kang,AN Mingzhe,et al.Influence of micro-structure on the strength and resistance to chloride ion permeability of reactive powder concrete[J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology(Nature Science),2013,45(1):31-37.(in Chinese)

[14] 安明喆，王军民，崔宁，等.活性粉末混凝土的微观结构研究[J].低温建筑技术,2007(3):1-3.

AN Mingzhe,WANG Junmin,CUI Ning,et al.Research on microstructure of reactive powder concrete[J].Low Temperature Architecture Technology,2007(3):1-3.(in Chinese)