抗冻融剥蚀薄壁修复砂浆技术在热电厂的应用

梁 龙

(北京琦正德科技有限责任公司， 北京102600)

0 引 言

冻融破坏是中国东北、西北和华北地区混凝土建筑物在运行过程中产生的主要病害之一[1]。华能大庆热电有限公司(大庆华能热电厂)位于黑龙江省大庆市，经过3个冬季的运行，冷却塔部分混凝土表面出现剥蚀现象，剥蚀深度从1 mm到10 mm不等。其特点是水泥砂浆剥落，粗骨料外露，属明显的混凝土冻融剥蚀特点。

初期混凝土冻融剥蚀，只是表面砂浆层的剥落，因缺乏了表层致密的砂浆层的保护，使得混凝土表层结构变得更加疏松，混凝土吸水率和孔隙率皆快速增加，如不加以制止，这种劣化的速度会加速发展，直至混凝土强度的丧失，危及整个建筑结构的运行安全。依据全寿命经济分析法(LCCA)及2000年国务院发布的《建设工程质量管理条例》第279号令，对建筑结构的设计寿命提出明确要求[2]。为了保证冷却塔结构安全，出现冻融剥蚀的混凝土需得到快速有效的治理。

许多预防老化病害的措施，在规划设计和施工阶段就应认真考虑并实施[3]。传统的修复方法是在混凝土表面涂刷氯磺化聚氯乙烯防腐涂料或环氧防腐涂层等。实践证明，单纯地涂刷防腐涂料不能从根本上解决混凝土冻融剥蚀问题。哈尔滨某电厂、鹤岗某电厂、双鸭山某电厂、抚顺某电厂等三北地区大部分热力发电厂，每隔几年就涂刷一遍防腐涂料，结果是混凝土冻融剥蚀问题依然严重，有的冷却塔塔壁甚至出现渗漏现象，钢筋锈蚀加重，混凝土大块剥落；不仅浪费财力，更严重影响了建筑结构安全。

在冷却塔的防水防腐中存在一个认识上的误区，把防腐与抗冻混为一谈，认为防腐就包含抗冻。其实防腐与抗冻是针对混凝土耐久性保护的两个不同的概念，其机理不同，对材料的要求也不同。防腐重点是要求涂料具有防酸、碱、盐等抗腐蚀能力，而抗冻是要求能提高混凝土抗冻融剥蚀能力。涂料的防腐能力合格不代表其抗冻能力合格。三北地区由于严寒的环境特点，混凝土冻融剥蚀是混凝土耐久性失效的主要原因。因此，提高混凝土抗冻性比混凝土防腐更为重要。

而传统的防腐涂料没有关于提高混凝土抗冻融剥蚀能力的数据和依据。防腐涂料自身的抗冻性无法满足严寒地区混凝土的抗冻要求。以防腐来代替抗冻是造成材料选择上的严重误区，这也是造成冷却塔混凝土修复失败的主要原因。

1 大庆华能热电厂冷却塔修复方案设计

其实，自从混凝土结构诞生就伴随着表面维修[4]。大庆华能热电厂冷却塔混凝土冻融剥蚀面修复，拟先采用聚合物防冻砂浆进行表面修复，然后在砂浆表面涂刷混凝土抗冻融防剥蚀涂料作为提高混凝土抗冻性双层保护手段。这样设计的原因有两方面：一是砂浆面层保护了混凝土冻融剥蚀面，抗冻涂料更进一步提高了修复砂浆的抗冻等级，达到双层保护的效果；另一方面，覆盖了原本混凝土冻融剥蚀留下的坑坑洼洼的痕迹，使整体维修效果更加美观。

如果用砂浆对混凝土冻融剥蚀面进行修复，砂浆修复保护层厚度不到1 cm，不到1 cm的砂浆修复层较难抵抗严寒地区的低温冻害而不发生剥蚀。因小于1 cm的薄壁砂浆更易达到饱和吸水状态，砂浆含水率越高，抗冻性越差。薄壁修复的难点还在于修复层与基层混凝土的粘结强度。如果粘结界面强度不够，会在新旧混凝土结合薄弱处先发生冻融破坏，造成修复层的整体脱落。

与设计院和相关材料专家学者共同研究商定，现场选定了薄壁修复抗冻砂浆的研究课题，以期解决困扰寒冷地区冷却塔混凝土冻融剥蚀修复难题。

2 室内试验研究

实验用抗冻修复砂浆和界面剂型号为砼益佳-U585，抗冻涂料型号为砼益佳-U587。

2.1 试验方案

1)选取1组已经冻融剥蚀的混凝土抗冻试件作为试验对象。

2)为使修复后的试件顺利放进冻融试验用的橡胶桶内，切除试件两侧厚度各1 cm，只保留两个剥蚀面。

3)其中一个剥蚀面只涂刷界面剂，另外一个剥蚀面涂刷界面剂和修补砂浆(界面剂和修补砂浆均由抗冻砂浆母料砼益佳-U585调配)，测试试件制备见图1。其目的是分别检验界面剂和界面剂加修复砂浆在冻融条件下的粘结效果，会否随着冻融的加深而从混凝土表面剥落。

图1 测试试件制备

4)修复后的试件标准养护28天，取出后，干燥2天，其中2个试件6个面全部涂刷混凝土抗冻防剥蚀涂料砼益佳-U587，另外1个试件不涂刷。

5)刷完涂料7天后，泡水48 h，进行抗冻测试，测试方法为快冻法。

2.2 试验数据

涂刷抗冻涂料与未涂刷抗冻涂料混凝土质量损失率测试结果对比见表1，混凝土动弹性模量损失率测试结果对比见表2，混凝土动弹性模量损失率P趋势对比见图2。

图2 涂刷抗冻涂料与未涂刷抗冻涂料混凝土动弹性模量损失率对比图

表1 混凝土质量损失率

表2 混凝土动弹性模量损失率

2.3 试验分析

1)未涂刷抗冻涂料的抗冻试件，在冻融循环150次时，混凝土出现冻酥破损现象，冻害是从切割的光滑面开始的。但即使出现严重的剥蚀现象，涂刷界面剂的一侧和界面剂加修复砂浆的一侧，并未出现修复层剥落现象。这表明采用界面剂和砂浆修复后，即使在混凝土发生冻融剥蚀的情况下，仍未与混凝土发生剥离，优于混凝土自身的抗冻性。未涂刷抗冻涂料的混凝土在F150次冻融循环试验效果见图3。

图3 未涂刷抗冻涂料混凝土冻融循环F150次试验后

2)涂刷抗冻涂料的混凝土试件，在抗冻等级达到F1000次时，质量损失率几乎为0，见图4。观察发现，无论是混凝土切割面，界面剂涂刷面还是砂浆修复面都未出现任何开裂剥蚀痕迹。表明抗冻涂料在提高修复砂浆抗冻性上的辅助作用明显。

图4 涂刷抗冻涂料混凝土冻融循环F1000次试验后

2.4 修复砂浆抗冻机理分析

为分析薄壁砂浆的高抗冻机理，分别就涂刷抗冻涂料的混凝土试件和未涂刷抗冻涂料的混凝土试件做了切片电镜分析，具体对比图见图5和图6[5]。

图5 未涂刷抗冻涂料混凝土

图6 涂刷抗冻涂料混凝土

对比图5和图6混凝土电子显微图片，发现涂刷抗冻涂料的砂浆切片，内部生成许多纤维状化学产物，胶着在混凝土内部，而未涂刷抗冻涂料则没有如此化学产物的生成。因这些纤维状的化学产物是该抗冻涂料与砂浆水化产物发生化学反应的结果，像从水泥石中长出的纤维状产物一样。因此，它与混凝土的结合是一种比较牢固的化学键的结合，而不仅仅是镶嵌式填充。区别于传统涂膜类涂料，这层抗冻层存在于混凝土内部，不会出现传统涂膜类涂料分层的现象，因此它更适应混凝土的弹性变形。

另外，这种化学产物是在混凝土碱性环境下的作用产生的，因此，混凝土水化产物，尤其是Ca(OH)2参与了化学反应，这样就改变了表面混凝土原先因碱性的化学活性的问题，使混凝土由原来的碱活性变得更加惰性，减少了酸性条件下的腐蚀。

3 工程应用实效

为检验试验数据对于真实工程的应用效果，2018年在厂区的冷却塔冻融剥蚀的梁柱上做了实际应用与检测，具体工艺流程见图7～11，经过一个冬季运行效果见图12。

图12 一个冬季后运行效果

图7 表面清理

经过一个冬季的冻融循环，冷却塔淋水柱的修复砂浆虽然只有不到1 cm的厚度，但没有出现任何剥落痕迹，砂浆修复表面光滑，没有任何冻融剥蚀现象，工程应用效果与试验数据一致。

图8 涂刷界面剂

图9 修复砂浆施工

图10 固化养护

图11 涂刷抗冻涂料

4 结 语

1)冻融剥蚀是寒区混凝土冷却塔破坏的主要原因，传统的防腐材料虽然具有防腐功能，但不能解决混凝土冻融剥蚀的问题。以防腐来代替抗冻，是寒区冷却塔混凝土耐久性设计的一个误区。

2)寒区冷却塔薄壁修复的技术难点在于：不足

1 cm的修复保护层既要满足修复如初的外观要求，又要起到保护混凝土，提高其抗冻性的技术指标。此次研究工作，使薄壁砂浆的抗冻能力提高到F1000次抗冻等级，并且在工程实践应用中，取得了与试验结果一致的效果。经过一个冬季的运行，修复过的冷却塔梁柱外表面薄壁砂浆保持完整，未出现脱落，开裂，剥蚀的痕迹。后期的监测还会持续进行。

3)厚度小于1 cm的薄壁修复砂浆的抗冻性研究，为寒区冷却塔混凝土抗冻融剥蚀的修复提供了技术依据和有效的解决方案，提高了冷却塔建筑结构的耐久性，增加了结构使用寿命，为后期的安全运行提供了保障。