牛荻濤 李星辰 劉西光 呂 瑤

(1.省部共建西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安建筑科技大學(xué)，西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

工業(yè)建筑是推動(dòng)和支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其安全運(yùn)行對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展有著非常重要的作用。長(zhǎng)期以來，工程界研究的重點(diǎn)是工業(yè)建筑的安全性和使用性能，隨著耐久性病害導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故不斷增多，既有工業(yè)建筑混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題越來越受到關(guān)注，但是對(duì)不同環(huán)境下結(jié)構(gòu)耐久性損傷特征和規(guī)律認(rèn)識(shí)不足。

在我國(guó)的城市規(guī)劃中，工業(yè)建筑用地一般占總用地面積的20% ～35%，在一些工業(yè)型城市，甚至高達(dá)50%以上［1-2］。與民用建筑相比，工業(yè)建筑局部使用環(huán)境更為復(fù)雜多變，主要表現(xiàn)為腐蝕介質(zhì)種類多、相態(tài)全、濃度高、腐蝕性強(qiáng)，局部環(huán)境溫度、濕度高，干濕交替頻率高，荷載噸位大，動(dòng)力荷載導(dǎo)致的疲勞問題突出［3-4］。因此，提高工業(yè)建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，是工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

我國(guó)既有工業(yè)建筑面積已超過120億m2，其中使用20年以上的工業(yè)建筑中混凝土結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，這部分工業(yè)建筑多處于超負(fù)荷使用狀態(tài)，且長(zhǎng)期遭受高溫、高濕和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的作用，耐久性損傷引起的結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌事故時(shí)有發(fā)生，每年由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)近百億元［5］。因此，既有工業(yè)建筑混凝土耐久性已成為必須關(guān)注的問題。本文通過對(duì)典型工業(yè)環(huán)境下的腐蝕介質(zhì)濃度和環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)試，對(duì)酸性腐蝕介質(zhì)、高溫、高濕、凍融和疲勞作用下工業(yè)建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的特征和規(guī)律進(jìn)行分析，可為既有工業(yè)建筑的診治和維護(hù)提供一些建議。

1 環(huán)境作用與耐久性損傷

1.1 酸性腐蝕環(huán)境

工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)使用或產(chǎn)生如氯氣、氯化氫、二氧化硫及其他無機(jī)、有機(jī)酸霧等腐蝕性介質(zhì)，對(duì)建筑物有強(qiáng)烈的腐蝕作用。例如硫銨車間在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生以CO2、SO2為主的酸性氣體、含 SO42-的酸性水及酸霧，并伴有少量氨氣和一些以(NH4)2SO4為代表的硫酸鹽腐蝕性介質(zhì);尿素車間在生產(chǎn)過程中使用CO2酸性氣體，導(dǎo)致建筑物處在高濃度酸性腐蝕環(huán)境中。因此，為準(zhǔn)確了解腐蝕性介質(zhì)的種類與濃度，選取硫銨車間和尿素車間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，檢測(cè)廠房的耐久性狀況。

通過對(duì)某硫銨車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知：此車間年均溫度為25.6℃，年均濕度為44.9%，不同工段CO2和SO2酸性氣體的濃度見表1，同時(shí)查閱當(dāng)?shù)丨h(huán)保局的有關(guān)資料可知，大氣環(huán)境中CO2和SO2氣體的平均濃度分別為 740.5，0.056 mg/m3。由此可知：硫銨車間中的CO2和SO2濃度含量遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境中的酸性氣體濃度。

表1 酸性氣體含量Table 1 The concentration of acid gas mg/m3

對(duì)硫銨車間硫化床及結(jié)晶槽工段等酸性氣體濃度較高的區(qū)域和尿素車間進(jìn)行耐久性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)尿素車間內(nèi)部混凝土構(gòu)件腐蝕較為嚴(yán)重，混凝土表面已完全剝落(圖1a)。硫銨車間混凝土表面普遍存在膨脹腐蝕和粉化現(xiàn)象，樓板處、設(shè)備管道以及罐槽附近混凝土剝落、酥松腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，硫化床工段二層平臺(tái)檐口處混凝土完全腐蝕剝落、鋼筋銹斷(圖1b)。

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：尿素車間和硫銨車間內(nèi)混凝土普遍存在腐蝕情況，并且酸性氣體濃度越高的區(qū)域，混凝土表面腐蝕、粉化以及剝落現(xiàn)象越嚴(yán)重。這是因?yàn)樗嵝詺怏w溶于水后與混凝土反應(yīng)生成非凝膠性物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土由表及里逐步破壞;同時(shí)酸性氣體會(huì)促進(jìn)混凝土中水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的水解，破壞混凝土內(nèi)部的凝膠體，導(dǎo)致混凝土喪失強(qiáng)度;酸性氣體溶于水后形成的硫酸根離子會(huì)與混凝土發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石和石膏，造成混凝土體積膨脹，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。

酸性氣體的腐蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，并出現(xiàn)粉化、剝落的現(xiàn)象，并且混凝土的腐蝕速率與氣體濃度呈正比。

圖1 酸性氣體環(huán)境下混凝土腐蝕破壞Fig.1 Damage of concrete attacked by acid gas

1.2 凍融環(huán)境

混凝土處于飽水狀態(tài)和凍融循環(huán)交替作用是發(fā)生混凝土凍融破壞的必要條件。我國(guó)地域廣闊，工業(yè)建筑形式多樣，存在大量位于寒冷地區(qū)且經(jīng)常與水接觸的工業(yè)建(構(gòu))筑物，比如水位變化區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)物、儲(chǔ)料筒倉(cāng)、水池以及發(fā)電站冷卻塔(圖2)等，我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)的水利大壩，工程局部或大面積遭受不同程度的凍融破壞。因此，凍融破壞是我國(guó)北方地區(qū)工業(yè)建筑的主要耐久性病害之一。

圖2 某冷卻塔凍融破壞Fig.2 Damage of cooling power induced by freezing and thawing

為了解實(shí)際工程中凍融循環(huán)對(duì)工業(yè)建(構(gòu))筑物的影響，對(duì)陜西省北部某運(yùn)煤棧橋的環(huán)境參數(shù)和耐久性狀況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：棧橋所處地區(qū)的年平均氣溫為 8.7℃，月平均最高氣溫(7月)為 23.0℃，月平均最低氣溫(12月)為-7.0℃;地區(qū)的年平均濕度為50.7%，月平均最高相對(duì)濕度(9月)為72.7%，月平均最低相對(duì)濕度(3月)為27.5%，如圖3所示。

圖3 某棧橋所處環(huán)境月平均氣溫與平均相對(duì)濕度Fig.3 Temperature and relative humidity of a trestle

為了更準(zhǔn)確地獲取棧橋所經(jīng)歷的凍融循環(huán)情況，在棧橋現(xiàn)場(chǎng)安裝了兩套溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)混凝土內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)各月份的日溫度變化情況以及溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定了棧橋所在地區(qū)的年凍融循環(huán)次數(shù)約為110次。

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)棧橋支架構(gòu)件凍融現(xiàn)象較為嚴(yán)重，棧橋經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，通廊內(nèi)部積累了大量的煤灰需要清洗去除，清洗棧橋的廢水和大氣降水便不斷侵蝕棧橋構(gòu)件。棧橋支架構(gòu)件凍融損傷部位多在棧橋柱頂和柱底、棧橋梁頂面和側(cè)面等與水接觸較多的部位。結(jié)果表明：廠區(qū)外凍融損傷要比廠區(qū)內(nèi)構(gòu)件損傷嚴(yán)重，損傷構(gòu)件多呈保護(hù)層大片剝落，粗骨料外露，表觀損傷層疏松(圖4)。

圖4 棧橋支架凍融破壞Fig.4 Damage of a trestle induced by freezing and thawing

通過超聲平測(cè)法測(cè)量了凍融較為嚴(yán)重的3根柱子和2根梁的凍融損傷層厚度，柱的凍融損傷層厚度分別為 15.88，15.13，10.26 mm，梁的凍融損傷層厚度分別為 22.02，25.06 mm。由此可知：混凝土凍融損傷層較大，并且混凝土梁的凍融損傷層厚度要明顯大于柱的凍融損傷層厚度，原因是構(gòu)件柱長(zhǎng)期處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于凍融作用造成構(gòu)件內(nèi)部劣化有一定的抑制作用，從而表現(xiàn)出柱的凍融損傷層厚度要小于梁的凍融損傷層厚度。

凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落，粗骨料外露以及表觀損傷層結(jié)構(gòu)疏松。這是由于混凝土毛細(xì)孔中的自由水結(jié)冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，其毛細(xì)孔壁同時(shí)承受毛細(xì)孔冰晶膨脹壓和凝膠孔滲透壓，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開裂，在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫由表及里相互貫通，其強(qiáng)度逐漸降低，直至完全喪失使用性能，因此，混凝土邊角等應(yīng)力比較集中的部位首先開裂剝落，然后從表面開始向內(nèi)部剝落。凍融循環(huán)還使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸解離和破壞，強(qiáng)度和彈性模量降低，材料呈松脆化趨勢(shì)。因此，凍融循環(huán)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，混凝土逐漸脆化，對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生危害。

1.3 高溫環(huán)境

由于生產(chǎn)工藝的影響，冶金行業(yè)的大量工業(yè)建筑處于高溫工作環(huán)境。冶金行業(yè)曾對(duì)鋼鐵企業(yè)的63個(gè)熱車間的741個(gè)構(gòu)件的表面溫度進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明：構(gòu)件表面溫度在20～600℃，其中，表面溫度在60～150℃的構(gòu)件占總數(shù)的93%。高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，對(duì)建筑物的使用產(chǎn)生影響。

為研究高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，課題組對(duì)某鋼廠的高爐底板以及沖渣溝進(jìn)行了檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：鐵溝板底普遍存在破損，混凝土顏色呈褐色，局部區(qū)域板底破損嚴(yán)重，鋼筋外露(圖5a)，沖渣溝內(nèi)部混凝土保護(hù)層基本已經(jīng)完全破壞，漏筋明顯，混凝土發(fā)紅(圖5b)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了高爐底板溫度變化情況(圖 6)，高溫底板混凝土表面溫度在 80～160℃，溫度沿長(zhǎng)度和高度方向均存在梯度。

圖5 高溫環(huán)境混凝土爆裂Fig.5 Bursting damage of concrete induced by high temperature

為確定高爐底板破損嚴(yán)重區(qū)域混凝土所經(jīng)歷過的溫度，對(duì)混凝土取樣并進(jìn)行熱重測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖7。按照 CECS 252∶2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［6］中火災(zāi)后混凝土構(gòu)件材料微觀分析的推定方法，由熱重結(jié)果可知：內(nèi)、外側(cè)試樣的熱重曲線基本相似，600℃以前樣本吸熱量較小，很少量的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化或物理變化，說明該試樣中不含Ca(OH)2，因此可以判斷樣本內(nèi)外兩側(cè)經(jīng)歷過480℃的高溫。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)試樣700℃時(shí)吸熱量較大，即有物質(zhì)發(fā)生了較大吸熱?？梢耘袛嘣摌颖静牧衔唇?jīng)歷過700℃高溫，推測(cè)經(jīng)歷最高溫度為550℃。

高溫導(dǎo)致了混凝土保護(hù)層剝落，孔隙率增大，有害孔增多，孔隙連通性增強(qiáng)，侵蝕介質(zhì)擴(kuò)散速率增加，且溫度越高，破壞現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致混凝土失去結(jié)晶水，內(nèi)部的砂漿收縮而骨料膨脹，兩者之間的不相容性導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，引起兩者的黏結(jié)面開裂，產(chǎn)生微裂縫并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土表面開裂。隨著溫度進(jìn)一步升高，混凝土內(nèi)部晶型發(fā)生改變，氫氧化鈣和碳酸鈣分解，并且鋼筋開始軟化，砂漿脫落，粗骨料開始破碎，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇下降。因此，高溫對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)有較大影響，且溫度越高，影響越明顯。

圖6 某鋼廠高爐底板溫度變化情況Fig.6 Temperature variation of blast furnace bottom plate in a steel plant

圖7 混凝土試樣熱重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis results of the concrete samples

圖8 工業(yè)建筑環(huán)境相對(duì)濕度Fig.8 Relative humidity variation of industrial buildings

1.4 高濕環(huán)境

受生產(chǎn)工藝的影響，很多輕工業(yè)和重工業(yè)的生產(chǎn)車間相對(duì)濕度達(dá)到了75%以上，有的甚至達(dá)到100%，且許多工藝區(qū)段干濕交替頻率高。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)相對(duì)濕度大于75%時(shí)，工業(yè)環(huán)境中的 SO2、Cl2、HCl、NO2、H2S、CO2等酸性氣體引起的混凝土腐蝕速率加快，高濕環(huán)境下尤其是干濕交替環(huán)境的鋼筋銹蝕也極為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

為研究干濕交替環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞特征，對(duì)某鋼廠選燒車間以及高爐平臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。首先對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見圖8。從圖8a可知：在工作狀態(tài)下，選燒車間內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)濕度處于70%以上，且最高濕度達(dá)100%。選燒車間的工作狀態(tài)處于高濕環(huán)境，長(zhǎng)時(shí)間處于干濕交替的環(huán)境。從圖8b可以看出，煉鐵高爐平臺(tái)的相對(duì)濕度周期性呈現(xiàn)100%高濕度。這是因?yàn)楦郀t出鐵時(shí)爐渣會(huì)沿沖渣溝進(jìn)入沖渣池，該過程會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣。

對(duì)選燒車間內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)裂縫甚至剝落現(xiàn)象(圖9)。原因是干濕循環(huán)會(huì)顯著影響混凝土表層一定深度范圍內(nèi)的水分分布，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分沿傳輸方向出現(xiàn)較大的梯度，而混凝土是一種多孔材料，具有干縮濕脹的特性，濕度梯度的出現(xiàn)必然會(huì)致使混凝土存在由表及里的收縮或濕脹梯度，收縮或濕脹梯度也將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂，抗?jié)B能力降低，有害介質(zhì)沿裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土性能衰退。

圖9 選燒車間內(nèi)部環(huán)境Fig.9 Inner environment condition of sintering workshop

1.5 疲勞荷載作用

工業(yè)廠房吊車梁承受吊車產(chǎn)生的周期性重復(fù)荷載。蘇聯(lián)曾對(duì)66個(gè)車間的164跨工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明吊車梁是破壞最嚴(yán)重的構(gòu)件之一。

圖10 混凝土吊車梁疲勞破壞Fig.10 Fatigue damage of reinforced concrete crane beam

對(duì)某鋼廠的混凝土吊車梁進(jìn)行了檢測(cè)，見圖10?？梢钥闯觯旱踯嚵涸谥貜?fù)荷載長(zhǎng)期作用下，梁會(huì)出現(xiàn)開裂，在混凝土缺陷處，裂縫發(fā)展較快。這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部存在各種初始缺陷，而這些微小缺陷在疲勞應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中從而形成一個(gè)高能區(qū)，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，高能區(qū)通過塑性變形和裂紋的擴(kuò)展使能量得以釋放，微小缺陷也緩慢并不可恢復(fù)地增長(zhǎng)，當(dāng)其尺寸達(dá)到某個(gè)臨界值，微裂縫就會(huì)失穩(wěn)發(fā)展，相互貫穿，最后形成宏觀裂縫，導(dǎo)致破壞。

2 結(jié)束語

1)在工業(yè)酸性腐蝕環(huán)境下，酸性腐蝕介質(zhì)濃度可高達(dá)一般大氣環(huán)境的數(shù)十倍，混凝土腐蝕較為嚴(yán)重。

2)局部高溫環(huán)境中，混凝土表面溫度都可達(dá)到80℃，最高可達(dá)500℃，造成混凝土發(fā)生爆裂;局部高濕環(huán)境下，環(huán)境相對(duì)濕度最高可達(dá)到100%，最低為75%，干濕交替現(xiàn)象極為嚴(yán)重;凍融破壞是我國(guó)北方地區(qū)工業(yè)建(構(gòu))筑物的主要耐久性病害之一。

3)吊車梁在重復(fù)荷載長(zhǎng)期作用下會(huì)發(fā)生開裂，缺陷部位裂縫發(fā)展較快。

4)典型工業(yè)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕、凍脹開裂、高溫爆裂和疲勞開裂等損傷劣化，造成混凝土結(jié)構(gòu)性能退化。