劉福慶，易志波，陳 東

（國能浙江余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江余姚315400）

0 引言

火力發(fā)電廠作為我國主要的發(fā)電形式之一，在一些內(nèi)陸城市經(jīng)常會(huì)看到這樣高聳入云的建筑物——冷卻塔，它是火力發(fā)電廠的主要標(biāo)志性建筑，其主要作用是把蒸汽輪機(jī)里出來的水蒸氣在凝汽器中冷卻出水的一種裝置。自2010年以來，隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，超大型海水冷卻塔、排煙冷卻塔、三塔合一間接空冷塔相繼投入使用，高度已超過200 m，塔筒壁厚0.2～2 m，冷卻塔內(nèi)表面積接近100 000 m2，許多新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)用到冷卻塔的設(shè)計(jì)、制造和施工中。在這些超大型冷卻塔投入使用的同時(shí)，冷卻塔的結(jié)構(gòu)耐久性也引起了人們的高度關(guān)注，尤其是對(duì)基建期、運(yùn)行期冷卻塔筒壁的防腐工程提出了更高的要求。本文將從水泥基防腐材料的特點(diǎn)談起，通過對(duì)水泥基防腐材料適用性的試驗(yàn)，以某電廠2×500 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例，詳細(xì)介紹水泥基防腐體系在火電廠冷卻塔中的應(yīng)用。

1 火電廠冷卻塔的特點(diǎn)

1.1 冷卻塔的工作環(huán)境特點(diǎn)

冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)常年經(jīng)受水氣侵蝕、水浸泡、水噴淋等作用，歷經(jīng)春夏秋冬，凍融交替，塔內(nèi)外濕度差和溫度差較大。水汽沿混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔滲透、擴(kuò)散，加速了混凝土保護(hù)層堿骨料反應(yīng)、碳化和鋼筋銹蝕進(jìn)程，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層破損脫落，加劇了混凝土病害的發(fā)生和發(fā)展。

1.2 冷卻塔的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

冷卻塔為雙曲線型鋼筋混凝土薄壁殼結(jié)構(gòu)，最薄處只有200 mm左右。塔壁薄且表面積巨大，極易受到溫度的影響，混凝土熱脹冷縮的特性，決定了冷卻塔每天都處于鴨蛋形的變化之中[1]。

1.3 冷卻塔對(duì)防腐材料的要求

冷卻塔的工作環(huán)境特點(diǎn)和自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了冷卻塔防腐材料必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：防腐涂層與混凝土的熱兼容性良好，對(duì)基層含水率不敏感，涂層應(yīng)具備一定的透氣性，具備優(yōu)異的防水抗?jié)B及防腐性能，具備良好的黏結(jié)性能。

2 水泥基防腐材料在冷卻塔防腐工程上的適用性分析

水泥基防腐材料是指以水泥為載體，加入膠粉、增強(qiáng)劑、改性劑、憎水劑、微硅粉、助劑和化學(xué)添加劑，經(jīng)工廠預(yù)混，在現(xiàn)場按照配比精準(zhǔn)混合，并按照特定工藝施工的高性能、無機(jī)環(huán)保材料。水泥基防腐材料具有如下特點(diǎn)。

2.1 與混凝土的熱兼容性良好

水泥基防腐材料本質(zhì)上與混凝土是同質(zhì)材料，均以水泥為膠凝材料，微觀結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)細(xì)小的毛細(xì)孔隙，熱膨脹系數(shù)基本相同。在產(chǎn)生溫度梯度時(shí)，水泥基防腐涂層與結(jié)構(gòu)混凝土的變形基本同步，不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，因而也就不會(huì)像環(huán)氧類等有機(jī)產(chǎn)品一樣，出現(xiàn)起殼、剝落等問題。

2.2 對(duì)基層含水率不敏感

冷卻塔常年經(jīng)受水汽侵蝕、水浸泡和水噴淋等作用，基面無法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)，這就要求防腐材料具備潮濕基面施工、固化等一系列特性。水泥基防腐材料不但可以在潮濕基面上施工，而且潮濕的基面更有利于水泥基防腐涂層與基層的良好結(jié)合。

2.3 透氣性好

水泥基防腐涂層有很好的透氣性，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細(xì)小毛細(xì)孔，在溫度、壓力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潮氣可以正常地散發(fā)出來，不會(huì)導(dǎo)致涂層起鼓、起殼。而有機(jī)類涂層是水蒸氣的屏障，完全不透氣，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潮氣無法正常散發(fā)出來，在溫度、壓力的作用下，水汽將涂層鼓起，發(fā)生起殼、脫落現(xiàn)象。

2.4 防水防滲及防腐性能好

水泥基防腐材料經(jīng)過添加特種助劑、添加劑改性后，無論涂刷于迎水面還是背水面，其抗?jié)B壓力都大幅提高，能達(dá)到1.5 MPa（相當(dāng)于150 m高的水頭）。通過憎水材料的使用，很好地解決了涂層自身吸水的問題，確保了涂層的防水防滲性能。而產(chǎn)品中添加的聚合物成分，則大大提高了涂層抵抗腐蝕的能力。

2.5 與基層的黏結(jié)性能好

混凝土凝結(jié)硬化過程可以看作水泥水化的過程，即硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣及鐵相固溶體等的水化過程。其中，硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化過程生產(chǎn)了大量的鈣離子，反應(yīng)方程式[2]如下

水泥基防腐材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)，在水的作用下向混凝土內(nèi)部滲透，并與混凝土中游離的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的結(jié)晶體，堵塞毛細(xì)孔。反應(yīng)式如下

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，該結(jié)晶體不斷填充混凝土的毛細(xì)孔并使其斷開互不相連，由表層至縱深逐漸形成一個(gè)致密的抗?jié)B區(qū)域，大大提高了結(jié)構(gòu)整體的抗?jié)B能力，降低了透水率，從而起到很好的防水抗?jié)B效果。同時(shí)，結(jié)晶體的存在使防腐涂層與基層混凝土形成“咬合”，避免了單純的物理黏結(jié)，大大提高了二者的結(jié)合強(qiáng)度。

2.6 對(duì)基層平整度要求不高

冷卻塔筒壁采用翻模施工，表面精度差，加上運(yùn)行過程中凍融破壞、自身老化等原因，混凝土表面較粗糙，麻面、氣孔普遍存在。水泥基防腐涂層的厚度通常為1.5 mm，這個(gè)厚度不但能夠有效覆蓋基層，解決氣孔問題，而且其粗細(xì)骨料形成的良好級(jí)配可以有效地解決“針眼”問題，形成致密的防水防腐層，實(shí)現(xiàn)對(duì)基層混凝土的全覆蓋。

2.7 安全性能好

水泥基防腐材料為無機(jī)環(huán)保材料，無毒無害，不燃燒，遇明火也不起煙霧，確保安全。

3 水泥基防腐材料適用性試驗(yàn)

3.1 吸水性試驗(yàn)

抗?jié)B等級(jí)越高的混凝土，其能夠抵抗的抗?jié)B壓力越大，例如P12的抗?jié)B混凝土能夠抵抗120 m高的水頭保持不滲水?？?jié)B壓力高并不代表不吸水。用C40高性能抗?jié)B混凝土作試件，恒壓1.2 MPa并持續(xù)24 h，劈開后發(fā)現(xiàn)其滲水深度為2.1 mm；同批次試件在靜水中自然浸泡7天，劈開后發(fā)現(xiàn)其吸水深度為2.4 mm。而涂刷了水泥基防腐材料的試件，不僅能夠抵抗1.5 MPa的水壓力，而且在靜水中浸泡150 d吸水深度幾乎看不到。

試驗(yàn)證明，水泥基防腐涂層有效解決了涂層自身吸水的問題，具有優(yōu)異的防水防滲性能。

3.2 抗凍性試驗(yàn)

3.2.1 表觀試驗(yàn)

C40混凝土試件，經(jīng)過50次單邊凍融循環(huán)之后，水泥質(zhì)剝落，骨料外露。同批次試件涂刷水泥基防腐材料后，經(jīng)過50次單邊凍融循環(huán)，未見破壞。

3.2.2性能試驗(yàn)

空白試件和涂刷水泥基防腐材料的試件，經(jīng)過150次凍融循環(huán)前后的性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 凍融循環(huán)前后的性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，空白試件和水泥基防腐涂層試件的抗壓強(qiáng)度均有所降低，但空白試件下降的幅度較高，達(dá)到了15%，而水泥基防腐涂層試件下降幅度只有3.4%?？瞻自嚰目?jié)B壓力也有所下降，由0.4 MPa下降到0.3 MPa，表明在凍融過程中試件產(chǎn)生了微裂紋，使試件的抗?jié)B能力降低；而水泥基防腐涂層試件的抗?jié)B壓力不降反升，由1.4 MPa上升到1.5 MPa，抗?jié)B能力大幅提高。

無論是表觀試驗(yàn)還是性能試驗(yàn)，均證明水泥基防腐涂層能夠有效抵御凍融破壞，延長結(jié)構(gòu)混凝土的使用壽命。

3.3 防腐性能試驗(yàn)

將空白試件以及涂刷了水泥基防腐涂層的試件，同時(shí)放置在酸、堿、鹽溶液中浸泡60 d，觀察其涂層情況并進(jìn)行性能測試，以判斷水泥基防腐材料抵抗化學(xué)侵蝕的能力。

具體試驗(yàn)條件如下：一是稀鹽酸溶液，用鹽酸加蒸餾水稀釋得到pH值為4.0的稀鹽酸溶液；二是氫氧化鈉溶液，用氫氧化鈉溶于蒸餾水得到pH值為12.0的氫氧化鈉溶液；三是硫酸銨溶液，用硫酸銨試劑與蒸餾水配制成0.5 mol/L的鹽溶液。用這3種溶液進(jìn)行試驗(yàn)。

抗壓強(qiáng)度：浸泡前的空白試件抗壓強(qiáng)度取實(shí)測平均值21.4 MPa，涂刷水泥基防腐材料的試件抗壓強(qiáng)度取實(shí)測平均值23.5 MPa，浸泡后的抗壓強(qiáng)度為實(shí)測值。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 溶液侵蝕前后的性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果證明，水泥基防腐層在pH值為4.0～12.0的堿、鹽、弱酸溶液中都可以正常使用。涂層外觀無變化，抗壓強(qiáng)度不下降，抗?jié)B性能不降低。

4 火電廠應(yīng)用實(shí)例

某電廠2×500 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，1996年投產(chǎn)。冷卻塔經(jīng)過近10 a的運(yùn)行，塔壁及淋水柱混凝土結(jié)構(gòu)上的有機(jī)防腐涂層脫落，混凝土結(jié)構(gòu)受凍融、碳化和氯離子等因素的侵蝕，出現(xiàn)了混凝土破損、部分人字柱裂縫、混凝土大量剝落和鋼筋裸露等情況。

2015年，采用上述水泥基防腐體系對(duì)1號(hào)、2號(hào)冷卻塔內(nèi)壁喉部以上區(qū)域進(jìn)行了整體防腐處理。此次維修的目的是清理松散混凝土，整體修補(bǔ)，恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)輪廓，并進(jìn)行鋼筋阻銹處理和整體防水防腐涂裝保護(hù)，避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)再受破壞，延長混凝土結(jié)構(gòu)維修周期。

4.1 防腐體系

“三分材料，七分施工”是防腐工程的定律，好的材料離不開高質(zhì)量的施工，優(yōu)秀的防腐體系是材料與施工的珠聯(lián)璧合，缺一不可。針對(duì)冷卻塔的病害情況，電廠采用了水泥基涼水塔防水防腐保護(hù)涂料進(jìn)行冷卻塔防腐防滲維修，并嚴(yán)格按照如下工藝處理，取得了良好的工程效果。

首先，將基面打磨清理至清潔堅(jiān)固的狀態(tài)，對(duì)暴露的銹蝕鋼筋涂刷UGD3110水泥基鋼筋阻銹劑，并采用UP2110頂立面修補(bǔ)砂漿修復(fù)破損部位，恢復(fù)結(jié)構(gòu)輪廓。其次，整體涂刷UGD3610混凝土抗堿封閉底漆封閉基底。最后，整體涂刷US1101水泥基涼水塔防水防腐保護(hù)涂料，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體防腐防滲保護(hù)。

4.2 維修效果

經(jīng)過3個(gè)月的施工，維修效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。經(jīng)過5 a的運(yùn)行，水泥基防腐體系完好地保護(hù)了冷卻塔塔筒筒壁，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目標(biāo)，為電廠的平穩(wěn)運(yùn)行做出了貢獻(xiàn)。