水泥基防腐体系在火电厂冷却塔中的应用

刘福庆，易志波，陈 东

（国能浙江余姚燃气发电有限责任公司，浙江余姚315400）

0 引言

火力发电厂作为我国主要的发电形式之一，在一些内陆城市经常会看到这样高耸入云的建筑物——冷却塔，它是火力发电厂的主要标志性建筑，其主要作用是把蒸汽轮机里出来的水蒸气在凝汽器中冷却出水的一种装置。自2010年以来，随着建筑技术的进步，超大型海水冷却塔、排烟冷却塔、三塔合一间接空冷塔相继投入使用，高度已超过200 m，塔筒壁厚0.2～2 m，冷却塔内表面积接近100 000 m2，许多新技术、新材料、新工艺应用到冷却塔的设计、制造和施工中。在这些超大型冷却塔投入使用的同时，冷却塔的结构耐久性也引起了人们的高度关注，尤其是对基建期、运行期冷却塔筒壁的防腐工程提出了更高的要求。本文将从水泥基防腐材料的特点谈起，通过对水泥基防腐材料适用性的试验，以某电厂2×500 MW燃煤发电机组为例，详细介绍水泥基防腐体系在火电厂冷却塔中的应用。

1 火电厂冷却塔的特点

1.1 冷却塔的工作环境特点

冷却塔混凝土结构常年经受水气侵蚀、水浸泡、水喷淋等作用，历经春夏秋冬，冻融交替，塔内外湿度差和温度差较大。水汽沿混凝土内部毛细孔渗透、扩散，加速了混凝土保护层碱骨料反应、碳化和钢筋锈蚀进程，导致混凝土保护层破损脱落，加剧了混凝土病害的发生和发展。

1.2 冷却塔的自身结构特点

冷却塔为双曲线型钢筋混凝土薄壁壳结构，最薄处只有200 mm左右。塔壁薄且表面积巨大，极易受到温度的影响，混凝土热胀冷缩的特性，决定了冷却塔每天都处于鸭蛋形的变化之中[1]。

1.3 冷却塔对防腐材料的要求

冷却塔的工作环境特点和自身结构特点，决定了冷却塔防腐材料必须具备以下几个特点：防腐涂层与混凝土的热兼容性良好，对基层含水率不敏感，涂层应具备一定的透气性，具备优异的防水抗渗及防腐性能，具备良好的黏结性能。

2 水泥基防腐材料在冷却塔防腐工程上的适用性分析

水泥基防腐材料是指以水泥为载体，加入胶粉、增强剂、改性剂、憎水剂、微硅粉、助剂和化学添加剂，经工厂预混，在现场按照配比精准混合，并按照特定工艺施工的高性能、无机环保材料。水泥基防腐材料具有如下特点。

2.1 与混凝土的热兼容性良好

水泥基防腐材料本质上与混凝土是同质材料，均以水泥为胶凝材料，微观结构均呈现细小的毛细孔隙，热膨胀系数基本相同。在产生温度梯度时，水泥基防腐涂层与结构混凝土的变形基本同步，不会产生相对位移，因而也就不会像环氧类等有机产品一样，出现起壳、剥落等问题。

2.2 对基层含水率不敏感

冷却塔常年经受水汽侵蚀、水浸泡和水喷淋等作用，基面无法在短时间内达到干燥标准，这就要求防腐材料具备潮湿基面施工、固化等一系列特性。水泥基防腐材料不但可以在潮湿基面上施工，而且潮湿的基面更有利于水泥基防腐涂层与基层的良好结合。

2.3 透气性好

水泥基防腐涂层有很好的透气性，其微观结构呈现细小毛细孔，在温度、压力作用下，结构内部的潮气可以正常地散发出来，不会导致涂层起鼓、起壳。而有机类涂层是水蒸气的屏障，完全不透气，结构内部的潮气无法正常散发出来，在温度、压力的作用下，水汽将涂层鼓起，发生起壳、脱落现象。

2.4 防水防渗及防腐性能好

水泥基防腐材料经过添加特种助剂、添加剂改性后，无论涂刷于迎水面还是背水面，其抗渗压力都大幅提高，能达到1.5 MPa（相当于150 m高的水头）。通过憎水材料的使用，很好地解决了涂层自身吸水的问题，确保了涂层的防水防渗性能。而产品中添加的聚合物成分，则大大提高了涂层抵抗腐蚀的能力。

2.5 与基层的黏结性能好

混凝土凝结硬化过程可以看作水泥水化的过程，即硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙及铁相固溶体等的水化过程。其中，硅酸三钙和硅酸二钙的水化过程生产了大量的钙离子，反应方程式[2]如下

水泥基防腐材料中含有的活性化学物质，在水的作用下向混凝土内部渗透，并与混凝土中游离的钙离子发生反应，生成不溶于水的结晶体，堵塞毛细孔。反应式如下

随着反应的进行，该结晶体不断填充混凝土的毛细孔并使其断开互不相连，由表层至纵深逐渐形成一个致密的抗渗区域，大大提高了结构整体的抗渗能力，降低了透水率，从而起到很好的防水抗渗效果。同时，结晶体的存在使防腐涂层与基层混凝土形成“咬合”，避免了单纯的物理黏结，大大提高了二者的结合强度。

2.6 对基层平整度要求不高

冷却塔筒壁采用翻模施工，表面精度差，加上运行过程中冻融破坏、自身老化等原因，混凝土表面较粗糙，麻面、气孔普遍存在。水泥基防腐涂层的厚度通常为1.5 mm，这个厚度不但能够有效覆盖基层，解决气孔问题，而且其粗细骨料形成的良好级配可以有效地解决“针眼”问题，形成致密的防水防腐层，实现对基层混凝土的全覆盖。

2.7 安全性能好

水泥基防腐材料为无机环保材料，无毒无害，不燃烧，遇明火也不起烟雾，确保安全。

3 水泥基防腐材料适用性试验

3.1 吸水性试验

抗渗等级越高的混凝土，其能够抵抗的抗渗压力越大，例如P12的抗渗混凝土能够抵抗120 m高的水头保持不渗水。抗渗压力高并不代表不吸水。用C40高性能抗渗混凝土作试件，恒压1.2 MPa并持续24 h，劈开后发现其渗水深度为2.1 mm；同批次试件在静水中自然浸泡7天，劈开后发现其吸水深度为2.4 mm。而涂刷了水泥基防腐材料的试件，不仅能够抵抗1.5 MPa的水压力，而且在静水中浸泡150 d吸水深度几乎看不到。

试验证明，水泥基防腐涂层有效解决了涂层自身吸水的问题，具有优异的防水防渗性能。

3.2 抗冻性试验

3.2.1 表观试验

C40混凝土试件，经过50次单边冻融循环之后，水泥质剥落，骨料外露。同批次试件涂刷水泥基防腐材料后，经过50次单边冻融循环，未见破坏。

3.2.2性能试验

空白试件和涂刷水泥基防腐材料的试件，经过150次冻融循环前后的性能试验结果如表1所示。

表1 冻融循环前后的性能试验结果

从表1可以看出，空白试件和水泥基防腐涂层试件的抗压强度均有所降低，但空白试件下降的幅度较高，达到了15%，而水泥基防腐涂层试件下降幅度只有3.4%。空白试件的抗渗压力也有所下降，由0.4 MPa下降到0.3 MPa，表明在冻融过程中试件产生了微裂纹，使试件的抗渗能力降低；而水泥基防腐涂层试件的抗渗压力不降反升，由1.4 MPa上升到1.5 MPa，抗渗能力大幅提高。

无论是表观试验还是性能试验，均证明水泥基防腐涂层能够有效抵御冻融破坏，延长结构混凝土的使用寿命。

3.3 防腐性能试验

将空白试件以及涂刷了水泥基防腐涂层的试件，同时放置在酸、碱、盐溶液中浸泡60 d，观察其涂层情况并进行性能测试，以判断水泥基防腐材料抵抗化学侵蚀的能力。

具体试验条件如下：一是稀盐酸溶液，用盐酸加蒸馏水稀释得到pH值为4.0的稀盐酸溶液；二是氢氧化钠溶液，用氢氧化钠溶于蒸馏水得到pH值为12.0的氢氧化钠溶液；三是硫酸铵溶液，用硫酸铵试剂与蒸馏水配制成0.5 mol/L的盐溶液。用这3种溶液进行试验。

抗压强度：浸泡前的空白试件抗压强度取实测平均值21.4 MPa，涂刷水泥基防腐材料的试件抗压强度取实测平均值23.5 MPa，浸泡后的抗压强度为实测值。试验结果如表2所示。

表2 溶液侵蚀前后的性能试验结果

试验结果证明，水泥基防腐层在pH值为4.0～12.0的碱、盐、弱酸溶液中都可以正常使用。涂层外观无变化，抗压强度不下降，抗渗性能不降低。

4 火电厂应用实例

某电厂2×500 MW燃煤发电机组，1996年投产。冷却塔经过近10 a的运行，塔壁及淋水柱混凝土结构上的有机防腐涂层脱落，混凝土结构受冻融、碳化和氯离子等因素的侵蚀，出现了混凝土破损、部分人字柱裂缝、混凝土大量剥落和钢筋裸露等情况。

2015年，采用上述水泥基防腐体系对1号、2号冷却塔内壁喉部以上区域进行了整体防腐处理。此次维修的目的是清理松散混凝土，整体修补，恢复混凝土结构轮廓，并进行钢筋阻锈处理和整体防水防腐涂装保护，避免钢筋混凝土结构再受破坏，延长混凝土结构维修周期。

4.1 防腐体系

“三分材料，七分施工”是防腐工程的定律，好的材料离不开高质量的施工，优秀的防腐体系是材料与施工的珠联璧合，缺一不可。针对冷却塔的病害情况，电厂采用了水泥基凉水塔防水防腐保护涂料进行冷却塔防腐防渗维修，并严格按照如下工艺处理，取得了良好的工程效果。

首先，将基面打磨清理至清洁坚固的状态，对暴露的锈蚀钢筋涂刷UGD3110水泥基钢筋阻锈剂，并采用UP2110顶立面修补砂浆修复破损部位，恢复结构轮廓。其次，整体涂刷UGD3610混凝土抗碱封闭底漆封闭基底。最后，整体涂刷US1101水泥基凉水塔防水防腐保护涂料，对混凝土结构进行整体防腐防渗保护。

4.2 维修效果

经过3个月的施工，维修效果良好，达到了预期目的。经过5 a的运行，水泥基防腐体系完好地保护了冷却塔塔筒筒壁，实现了安全、可靠、经济、环保的目标，为电厂的平稳运行做出了贡献。