冷却塔水工混凝土老化病害从表面上看,主要有裂缝、渗漏、剥蚀等三种而每一种病害又是由多方面原因造成的。
裂缝主要由荷载、温度、干缩、钢筋锈蚀、碱集料反应、地基冻胀、水泥水化热温升等原因引起。
渗漏主要由混凝土振捣不合格、密度性差、伸缩缝止水带失效等原因引起。
剥蚀主要由冻融、冲磨气蚀、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱集料反应及低强风化等原因导致的。
**节 裂缝
裂缝是水工混凝土构筑物中最普通、最常见的病害之一,而混凝土裂缝往往是由多种原因联合作用的结果。
混凝土是多相复合脆性材料,当混凝土拉应力大于其抗拉强度,混凝土就会产生裂缝。
裂缝按深度不同,可分为表层裂缝、深层裂缝和贯通裂缝。
裂缝按宽度不同,可分为死缝(宽度和长度不再变化)、活缝(其宽度随外界环境条件和荷载变化而变化和增长缝(其宽度或长度随时间而增长)。
裂缝按产生原因,可分为温度裂缝、干缩裂缝、钢筋锈蚀裂缝、碱集料反应裂缝、超载裂缝和地基不均匀沉陷裂缝。
一、温度裂缝
大体积混凝土浇筑后,由于水泥水化热使混凝土内部温度升高。经实测可达72~75℃。由于大气环境温度较低,因此,混凝土温度开始下降,混凝土在温降过程中产生收缩。在约束条件下,当混凝土收缩变形大于混凝土极限拉伸变形时,混凝土容易产生裂缝,这种裂缝称为温度裂缝。
二、干缩裂缝(纹)
空气中混凝土因水分散失,而引起的体积缩小变形,称为干缩。干缩仅是混凝土收缩的一种。除干缩外,混凝土还有自生收缩(自缩)、温度收缩(冷缩)、炭化收缩等。
因为干缩的扩散速度比温度扩散速度要慢1000倍,所以混凝土表面已干缩,而其内部不干缩,这样内部混凝土对表面混凝土干缩起约束作用。使混凝土表面产生应力,当混凝土干缩应力大于混凝拉抗拉强度时,混凝土就会产生裂缝。实际上冷却塔水工混凝土产生干缩裂缝也包含混凝土自生体积收缩和碳化收作用的结果。
三、钢筋锈蚀裂缝
混凝土中钢筋发生锈蚀后,其锈蚀产物氢氧化铁的体积将比原来的体积增长2~4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力。当该膨胀应力大于抗拉强度时,混凝土产生裂缝,这种裂缝称为筋锈蚀裂缝。这种裂缝一般是沿钢筋长度方向发展的顺筋裂。
四、碱集料反应裂缝
由于我国过去水泥含碱量一般不高,自20世纪90年起，30余年来一直生产高混合材水泥,如粉煤灰水泥、400号矿渣水泥,其矿渣含量高达60%-70%.有这么多活性混合的厂水泥熟料含碱量高,砂石中有相当数量的活性成分可起到消化缓解碱的作用。因此在我国一般土建工程没有见到碱集料反应对工程的损害。由于近年来我国水泥、外加剂等生产技术的发展变化,混凝土碱集料反应问题已构成我国土建工程的一大潜在危害。尤其是冷却塔的水工混凝土长期处在水饱和及湿热的工作状态,更容易出现此类危害。大庆油田热电厂1号冷却塔191年投产运行,10年后在塔简壁喉部位置出现碱反应集料裂缝,冷却塔碱集料反裂缝,主要出现在塔内架构部位的混凝土梁、柱上,以及筒壁的喉部位置。从塔壁外观上看,筒壁喉部位置混凝土受钢筋约束多沿着环筋方向横向开裂,随着反应破坏的发展,可以看到从裂缝中溢出白色胶体痕迹,污染塔壁,影响厂区及冷却塔外表面的美观,其被称为冷却塔上的“牛皮癬”。
五、超载裂缝
当冷却塔遭受超载作用时,如冬季淋水架构严重结冰时,其构件产生的裂缝称为超载裂缝,也称为结构裂缝此外,冷却塔还有因地基产生不均匀沉陷产生的裂缝。因地基冻胀产生的裂缝也称为结构裂缝。
第二节 渗漏
冷却塔构筑物的主要任务是将生产过程中经热交换升温后的循环水,通过与空气直接接触,由蒸发传导方式进行热交换从而降低循环水的水温。因此,渗漏是冷却塔(循环水沟)水工混凝土构筑物常见的主要病害之一。渗漏会使冷却塔筒壁内部产生较大的渗透压力和浮托力,甚至危及冷却塔的稳定与结构安全。渗漏还会引发溶蚀、侵蚀、冻融、钢筋锈蚀、地基冻胀等病害,加速混凝土结构老化,缩短冷却塔的使用寿命。
按照渗漏的几何形状可分为点渗漏、线渗漏和面渗漏三种。
点渗漏和面渗漏一般是由混凝土施工质量差造成的。例如，材料不合格、配合比不准确、搅拌不均匀、振捣不密实、漏振、骨料析离、早期冻害、抗渗等级低等。造成混凝土内部形成相互连通的蜂窝孔隙,从而导致集中或零散渗漏和大面积渗漏观象发生。
线渗漏较为常见、发生率高。根据渗漏水的速度,渗漏分为慢渗、快渗、漏水和射流等4种。渗水量与渗径长度、静水压力渗流截面等因素有关。
造成渗漏的原因主要有以下几种:
(1)裂缝,尤其是贯通性干缩裂缝,没有及时处理是产生渗漏的主要原因之一。漏水程度与裂缝的形状(长度、宽度、深度分布)及温度有关。冬季温度低,裂缝宽度大,在同样水位下渗漏量就大,筒壁结冰就严重。
(2)施工缝止水结构失效,橡胶止水带施工工艺不正确,凝土预留的凹凸止水槽施工时清理不干净,止水板搭接长度小高度不够,还有止水板本身有孔洞,这些都会引起渗漏。
(3)混凝土施工质量差,抗渗指标没有达到设计要求。振排不密实、漏振,出现蜂窝孔洞,从而导致在混凝土中渗漏。
(4)施工时,筒壁模板对拉螺栓没有按设计要求封堵或封不严,给结构安全带来隐患,造成渗漏。渗漏对冷却塔混凝土的危害性很大,渗漏会使混凝土产经蚀性破坏。混凝土中水泥的水化产物,主要有水化硅酸钙、水铝酸钙、水化铁铝钙及氢氧化钙。而足够的氢氧化钙,是水产在以上水化产物中,氢氧化钙在水中的溶解度较高,在物凝聚、结晶稳定的保证情况下,混凝土毛细孔中均存在饱和氢氧化钙溶流一B渗漏,渗漏水就可能把混凝土中的氢氧化钙溶出带走。在外部形成白色碳酸钙结品晶,这样就破坏了水泥其他水化产物稳定存在的平衡条件。从而引起水化产物的分解,导致混凝土性能的下降。当混凝土中总的氢氧化钙含量(以氧化钙量计算)被溶出25%时,混凝土强度下50%:当溶出超33%时,混凝土将完全失去了强度,而松散破坏。由此可见,渗漏对混凝土产生溶蚀造成后果的严重性。另外,渗漏会引起并加速其他病害的发生与发展。当循环水对混凝土有侵蚀时,由于渗漏会促使循环水向混凝土内部发展从而增加破坏的广度和深度。在寒冷地区,由于渗漏会使混凝土内部的含水量增大,促使混凝土的冻融破坏。对冷却塔构筑物来说,渗漏还会加速钢筋锈蚀等。
第三节 剥蚀
冷却塔水工混凝土产生剥蚀破坏主要是由于环境因素(水气、温度)与混凝土及其内部的水化产物、砂石骨料、掺合料、外加剂、钢筋相互之间生产一系列的物理、化学复杂反应,从而形成大于混凝土抗拉强度的破坏应力所致。
常见的剥蚀破坏有以下三种:
1.冻融破坏
混凝土产生冻融破坏,主要是混凝土在水和正负温度交替作用下产生的疲劳破坏。混凝土在冻融过程中,混凝土孔隙中充满水时,当温度降低至冰点以下,而使孔隙水产生物态变化,即水变成冰,其体积膨胀%,从而产生膨胀力。与此同时,混凝土在冻结过程中还出现冷水在孔隙中的迁移和重新分布,从而在混凝土的内部结构产生渗透压,这两种应力在混凝土冻融过程中反复出现,并相互促进,最终造成混凝土的疲劳破坏。
2.钢筋锈蚀破坏
水工混凝土中钢筋锈蚀的主要原因有:
(1)混凝土在空气中发生碳化,而使混凝土的内部碱度降低,钢筋钝化膜破坏,从而使钢筋产生电化学腐蚀现象,导致钢筋生锈。
(2)由于水中氯离子侵入到混凝土中,也使钢筋的钝化膜破钢筋生锈坏,从而形成钢筋的电化学腐蚀。
因此,钢筋锈蚀过程实际是大气中的二氧化碳和水中氯离子等侵蚀介质向混凝土内部渗透、迂移而引起的钢筋钝化膜破坏并产生电化学反应,使铁变成氢氧化铁的过程。钢筋生锈后,其锈蚀产物的体积比原来增大2~4倍。从而在其周围的混凝土中产生膨胀应力,最终导致钢筋保护层开裂、剥落,而保护层开裂、剥落又进一步加速钢筋锈蚀。这一恶性循环将混凝土结构的钢筋保护层大量破坏,钢筋截面减小,从而降低结构的承载能力和稳定性,影响结构安全。
3.水侵蚀
在冷却塔的淋水架构混凝土构件中往往容易发生冲磨破坏及水侵蚀破坏。
(1)冲磨破坏是一种单纯的机械作用,它既有水流作用下物体间的相互摩擦,又有相互间的冲击碰撞。在水流作用下形成对混凝土表面的磨损与冲击,这种作用是连续的和不规则的,最终对混凝土表面造成冲磨破坏。也就是民间所说的“水滴石穿”的道理。
(2)水质侵蚀是可溶性侵蚀介质随着水渗透扩散到混凝土中,再与混凝土中水泥水化产物或其他组分发生化学反应,生成膨胀产物或溶解度较大的反应物。从而使混凝土产生胀裂溶出性剥离。
冷却塔受到水质侵蚀出现的破坏主要有两类:
1)硫酸盐侵蚀,属膨胀型破坏。
2)酸性水的溶出性侵蚀。
溶出性侵蚀会促使混凝土中的氢氧化钙不断溶出,从而引起水泥水化产物分解,水泥石结构酥松,混凝土强度降低。
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