趙承明

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430064)

1 引言

平煤集團(tuán)一礦選煤廠及上海大屯能源股份有限公司選煤廠主廠房均建于20世紀(jì)80年代，至今服役已超過20年的時(shí)間。主廠房作為煤礦地面重要生產(chǎn)建筑，內(nèi)部工藝設(shè)備繁多，載荷復(fù)雜，在長期使用期間，其內(nèi)部使用環(huán)境惡化，空氣濕度、溫度變化頻繁，對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕性的有害介質(zhì)不斷增加(如圖1)，疊加復(fù)雜的振動(dòng)荷載的疲勞作用，造成廠房內(nèi)部鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷劣化現(xiàn)象，混凝土腐蝕、裂縫產(chǎn)生發(fā)展、表層混凝土剝落、鋼筋外露、部分鋼筋銹蝕嚴(yán)重、承載能力下降等(如圖2)，已嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用，存在較大的安全隱患。

近年來，廠房內(nèi)部進(jìn)行選煤工藝技術(shù)改造，兩座主廠房內(nèi)部新增或改裝許多大型動(dòng)力設(shè)備，廠房內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。為確保主廠房內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)安全性及耐久性的要求，分別對兩座主廠房進(jìn)行了比較全面的檢測，并提供了詳細(xì)的檢測及評定報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及檢測評定報(bào)告，對相關(guān)承載構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算，并對部分承載能力不足的構(gòu)件分類進(jìn)行加固維護(hù)設(shè)計(jì)。本文研究了在惡劣自然環(huán)境與特殊力學(xué)環(huán)境的長期耦合作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷劣化機(jī)理，探討了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷劣化后的有效加固維護(hù)技術(shù)，為后期的改造方案提供指導(dǎo)，保證結(jié)構(gòu)使用的可靠性。

圖1 內(nèi)部腐蝕介質(zhì)積聚示意圖

圖2 部分鋼筋混凝土構(gòu)件損傷劣化現(xiàn)狀

2 主廠房檢測結(jié)果及分析

2.1 主廠房使用環(huán)境檢測主要結(jié)果及分析

選煤廠主廠房與一般建筑物相比具有獨(dú)特的使用環(huán)境，主要包括惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的工藝、力學(xué)環(huán)境。按照對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響機(jī)理的不同將環(huán)境作用分為物理作用、化學(xué)作用、生物作用。物理作用通常包括干濕交替、水的滲透、凍融循環(huán)等;化學(xué)作用有水解反應(yīng)、硫酸鹽反應(yīng)、氯離子滲透等;生物作用則有菌類的侵蝕等。主廠房內(nèi)鋼筋混凝土構(gòu)件腐蝕主要與以下兩方面的因素有關(guān):一是構(gòu)件長期處于潮濕交替、干濕交替的環(huán)境之中，在這樣的環(huán)境中，混凝土構(gòu)件的碳化速度是比較快的，由此將導(dǎo)致混凝土構(gòu)件較快的劣化，引起鋼筋銹蝕、混凝土構(gòu)件開裂、承載能力下降等一系列耐久性的問題。二是工業(yè)生產(chǎn)過程中跑、冒、滴、漏出的有害介質(zhì)(酸性氣體、液體、硫酸鹽、氯鹽、細(xì)分散度的顆粒等)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件長期的侵蝕，同時(shí)受到工藝力學(xué)環(huán)境的促進(jìn)。

本文多次環(huán)境檢測結(jié)果及分析如下:

(1)主廠房特殊的使用環(huán)境造成其內(nèi)部有多種腐蝕性氣態(tài)介質(zhì)聚集，如H2S、SO2及Cl2等，正常情況下含量約為普通環(huán)境中的幾十倍甚至幾百倍。

(2)主廠房內(nèi)生產(chǎn)和沖洗時(shí)同時(shí)也集聚了大量的腐蝕性液體，現(xiàn)場采樣發(fā)現(xiàn)，主廠房內(nèi)液體中腐蝕性離子如 Cl－、NO3－、SO42－、F－等含量較高，約為一般自然環(huán)境中含量的幾十甚至幾百、幾千倍。

(3)主廠房內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)表面的固體附著物中也含有大量的腐蝕性物質(zhì)，在廠房內(nèi)部溫度、濕度的共同作用下，也對混凝土、鋼筋等材料及構(gòu)件產(chǎn)生較大的腐蝕。

(4)主廠房內(nèi)部隨季節(jié)和生產(chǎn)情況干濕交替頻繁、溫度變化也較大，為腐蝕性介質(zhì)的腐蝕作用提供了便利的條件。

(5)主廠房因其特殊的使用要求，結(jié)構(gòu)布置、荷載大小及分布較為復(fù)雜，振動(dòng)作用明顯，工藝、力學(xué)環(huán)境較為惡劣[1]。

(6)結(jié)合主廠房內(nèi)部腐蝕環(huán)境的檢測分析結(jié)果，參照《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，可以看出主廠房內(nèi)腐蝕環(huán)境下的氣態(tài)腐蝕性介質(zhì)對鋼筋混凝土材料及構(gòu)件的腐蝕性等級基本為弱級、中級，液態(tài)腐蝕性介質(zhì)對鋼筋混凝土材料及構(gòu)件的腐蝕性等級基本為中級，固體附著物中含有大量的S、Cl等腐蝕性元素，在環(huán)境綜合作用下同樣對鋼筋混凝土材料及構(gòu)件有著較大的腐蝕作用。

2.2 主廠房混凝土構(gòu)件檢測主要結(jié)果及分析

對兩座主廠房內(nèi)混凝土構(gòu)件表觀特征、碳化深度、混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋銹蝕率、構(gòu)件動(dòng)力性能及反應(yīng)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了多次檢測，主要檢測結(jié)果和分析結(jié)論如下:

(1)限于當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)水平，主廠房內(nèi)部混凝土構(gòu)件施工質(zhì)量較差，普遍存在混凝土密實(shí)性差，麻面嚴(yán)重，混凝土疏松;部分構(gòu)件表面腐蝕嚴(yán)重，微細(xì)裂縫密布;銹脹裂縫普遍可見，部分構(gòu)件表層混凝土剝離，鋼筋裸露銹蝕。

(2)混凝土的平均碳化深度值在20 mm～50 mm之間，平均碳化速度是一般環(huán)境中碳化速度的2倍～3倍。

(3)兩座主廠房原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度(舊200號(hào))偏低，現(xiàn)場取樣檢測發(fā)現(xiàn)大部分混凝土強(qiáng)度值基本達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，少數(shù)偏低10% ～20%，部分混凝土抗壓強(qiáng)度值離散性較大。而且，混凝土本身性能不斷劣化，內(nèi)部損傷不斷積累，脆性增加，滲透型很高。

(4)主廠房內(nèi)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部鋼筋直徑、分布基本與設(shè)計(jì)圖紙相符，保護(hù)層厚度偏小;其中保護(hù)較好混凝土構(gòu)件內(nèi)部鋼筋銹蝕率較低，主筋銹蝕率在5%以內(nèi)，箍筋銹蝕率在3% ～10%之間;而裸露鋼筋銹蝕情況嚴(yán)重，裸露箍筋銹蝕率超過20%，甚至出現(xiàn)銹斷現(xiàn)象，裸露主筋銹蝕率在5% ～20%之間。

(5)銹蝕鋼筋強(qiáng)度下降，延性降低，頸縮階段不明顯。

(6)構(gòu)件表層混凝土長期受到各種外界因素的影響，其在水化、碳化和礦物分解后又產(chǎn)生了許多新的物相，如樣品中 CaCO3、Fe2O3含量較高，說明取樣混凝土碳化程度較嚴(yán)重，同時(shí)鋼筋有不同程度的銹蝕。

(7)主廠房內(nèi)部振動(dòng)設(shè)備較多，部分構(gòu)件在長期的振動(dòng)荷載作用下，構(gòu)件內(nèi)部疲勞損傷出現(xiàn)不同程度的累積，并不斷加劇。

2.3 鋼筋混凝土材料及構(gòu)件損傷劣化原因和機(jī)理

檢測結(jié)果表明，主廠房內(nèi)部自然環(huán)境較為惡劣，工藝及力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，在內(nèi)外多因素的長期共同作用下，鋼筋混凝土材料與構(gòu)件的損傷劣化較一般建筑物要嚴(yán)重得多，其損傷劣化原因及機(jī)理主要包括以下兩個(gè)方面:

(1)平煤一礦及大屯選煤廠主廠房分別建設(shè)于20世紀(jì)80年代初和80年代末，由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工水平有限，混凝土原材料級配較差，水灰比較大，造成主廠房內(nèi)部混凝土構(gòu)件強(qiáng)度偏低、保護(hù)層偏小，混凝土表面密實(shí)性較差[2]，這些因素是影響鋼筋混凝土材料和構(gòu)件可靠性的主要內(nèi)因。

(2)主廠房內(nèi)部氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種形態(tài)的腐蝕性介質(zhì)相互影響，并且干濕交替頻繁，溫度變化較大，在內(nèi)部耦合成惡劣的自然環(huán)境，然后與特殊的工藝力學(xué)環(huán)境等進(jìn)一步耦合作用，這些復(fù)雜使用環(huán)境的長期耦合作用是影響鋼筋混凝結(jié)構(gòu)可靠性的主要外因。這些外因之間相互影響，然后與內(nèi)因綜合作用，導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件劣化，引起鋼筋銹蝕、混凝土開裂、損傷腐蝕加劇、承載能力下降等一系列可靠性問題[3－5]。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核和加固維護(hù)

3.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算方法

準(zhǔn)確分析主廠房內(nèi)部使用環(huán)境，混凝土構(gòu)件的檢測結(jié)果，研究鋼筋混凝土材料及構(gòu)件的損傷劣化原因和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，對主廠房內(nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件到整體結(jié)構(gòu)的分析，然后進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算?；炷两Y(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算采用PKPM進(jìn)行精確建模，采用最新的結(jié)構(gòu)布置和最新荷載分布，利用satwe進(jìn)行計(jì)算，并重點(diǎn)考慮大型振動(dòng)設(shè)備的荷載作用，對特殊部位的重要疲勞構(gòu)件采用專門軟件進(jìn)行動(dòng)力模擬計(jì)算。

同時(shí)，結(jié)合檢測分析結(jié)論，考慮選煤廠主廠房所處自然環(huán)境、工藝及力學(xué)環(huán)境的特殊性，相應(yīng)構(gòu)件受環(huán)境腐蝕、疲勞荷載作用、混凝土劣化、鋼筋銹蝕等因素的耦合作用，主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算過程中混凝土抗壓強(qiáng)度取為實(shí)際評定值的0.85～0.95，對比校驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)際檢測情況，結(jié)合不同腐蝕區(qū)域及腐蝕程度對原鋼筋面積乘以0.8～1的折減系數(shù)，折減后的鋼筋面積為鋼筋有效工作面積[6－8]。將 saewe的計(jì)算分析配筋結(jié)果導(dǎo)出，與折減后的鋼筋有效工作面積進(jìn)行逐一校對，從而獲得鋼筋混凝土構(gòu)件的配筋差額數(shù)據(jù)，為后續(xù)混凝土構(gòu)件的評定提供依據(jù)。然后根據(jù)《既有建筑物質(zhì)量檢驗(yàn)與可靠性評定》、《工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》、《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，對每個(gè)混凝土構(gòu)件的安全性等級進(jìn)行評定，按照A、B、C、D四個(gè)等級進(jìn)行分類，為進(jìn)一步的加固方案設(shè)計(jì)及維護(hù)措施的確定提供依據(jù)。

3.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固維護(hù)技術(shù)

目前在加固改造工程中較為常用的方法主要有:直接加固法中的增大截面法、粘貼纖維復(fù)合材法、化學(xué)灌漿法、外粘鋼法以及間接加固法中的外加預(yù)應(yīng)力法、增設(shè)支點(diǎn)法等[9]。

由于粘貼碳纖維材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有許多其他加固方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如對腐蝕性介質(zhì)的抵抗能力較強(qiáng)，材料本身耐久性能優(yōu)越，振動(dòng)荷載造成的加固損耗較小，施工方便，基本不改變原結(jié)構(gòu)外形，不會(huì)對原結(jié)構(gòu)造成損傷，修復(fù)加固效果好，維修費(fèi)用較低，施工工期短且施工技術(shù)相對成熟等[10]?？紤]選煤廠主廠房所處自然環(huán)境、工藝及力學(xué)環(huán)境的特殊性，對兩座主廠房評定為C、D級的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先采用粘貼碳纖維材料的方法提高其承載能力(如圖3)。對于部分僅靠粘貼碳纖維材料不能滿足計(jì)算差額的構(gòu)件，可考慮采用加大截面等方法來滿足加固要求(如圖4)。

圖3 某鋼筋混凝土梁粘貼碳纖維布加固施工圖

圖4 某鋼筋混凝土梁加大截面加固施工圖

同時(shí)對所有加固后的C、D級構(gòu)件及B級構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)處理，以滿足耐久性方面的要求，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。維護(hù)方案建議為:先剔除空鼓混凝土，清除浮塵，進(jìn)行表面清理后按 0.3 kg/m2～0.5 kg/m2用量分三層刷滲透型鋼筋阻銹劑，表面分兩層增做20 mm厚1∶2水泥砂漿面層。

在進(jìn)行粘貼碳纖維材料或其他加固方法施工及構(gòu)件表面維護(hù)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范中的規(guī)定執(zhí)行，并重點(diǎn)注意構(gòu)件表面清理、找平、倒角等工作，保證加固材料與原構(gòu)件和表層維護(hù)之間的粘結(jié)力。

4 結(jié)語

(1)現(xiàn)今我國部分選煤廠主廠房建成已有較長時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)和施工水平有限，材料等級較低，原有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在內(nèi)部缺陷，這是影響鋼筋混凝土材料受腐蝕程度和構(gòu)件損傷、承載力下降、結(jié)構(gòu)存在安全隱患的主要內(nèi)因。

(2)主廠房內(nèi)部氣態(tài)腐蝕性介質(zhì)、液態(tài)腐蝕性介質(zhì)、固態(tài)腐蝕性介質(zhì)在特殊的溫濕度環(huán)境中相互影響共同作用，從而在主廠房內(nèi)部形成了成惡劣的自然環(huán)境，耦合上主廠房內(nèi)部特殊的工業(yè)荷載產(chǎn)生的力學(xué)環(huán)境，這種復(fù)雜使用環(huán)境的長期共同作用是造成主廠房混凝土結(jié)構(gòu)損傷、可靠性下降的主要外因。

(3)選煤廠主廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)受內(nèi)、外因的長期共同作用，隨著使用年限的增加，鋼筋混凝土材料劣化嚴(yán)重:混凝土本身性能變差，內(nèi)部微細(xì)裂縫不斷增加，伴隨鋼筋銹蝕、截面變小，延性變差、強(qiáng)度降低;混凝土構(gòu)件隨時(shí)間的持續(xù)損傷劣化的速率會(huì)不斷加快，順筋裂縫不斷擴(kuò)展，表層混凝土剝落，疲勞損傷積累和加劇，鋼筋與混凝土粘結(jié)力持續(xù)下降，構(gòu)件承載能力降低，變形不斷加大，從而導(dǎo)致局部構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)存在不同程度的安全隱患，主廠房的使用壽命很難保證。

(4)采用合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮材料及構(gòu)件存在不同程度的損傷積累，惡劣使用環(huán)境和復(fù)雜荷載的共同作用，根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果，對設(shè)計(jì)中材料的相關(guān)參數(shù)采用合理的折減系數(shù)，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性級安全性。

(5)對已經(jīng)損傷劣化的選煤廠主廠房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)綜合評定等級，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行針對性加固設(shè)計(jì)，建議優(yōu)先采用粘貼纖維材加固法和增大截面加固法，然后采用合理的維護(hù)措施減少主廠房內(nèi)部惡劣環(huán)境對結(jié)構(gòu)的影響，并加強(qiáng)使用期間的監(jiān)測。

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