趙承明

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢430064)

1 引言

平煤集團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80年代，至今服役已超過20年的時間。主廠房作為煤礦地面重要生產建筑，內部工藝設備繁多，載荷復雜，在長期使用期間，其內部使用環(huán)境惡化，空氣濕度、溫度變化頻繁，對混凝土結構產生腐蝕性的有害介質不斷增加(如圖1)，疊加復雜的振動荷載的疲勞作用，造成廠房內部鋼筋混凝土構件產生較為嚴重的損傷劣化現(xiàn)象，混凝土腐蝕、裂縫產生發(fā)展、表層混凝土剝落、鋼筋外露、部分鋼筋銹蝕嚴重、承載能力下降等(如圖2)，已嚴重影響結構的正常使用，存在較大的安全隱患。

近年來，廠房內部進行選煤工藝技術改造，兩座主廠房內部新增或改裝許多大型動力設備，廠房內部混凝土結構進行相應調整。為確保主廠房內部混凝土結構安全性及耐久性的要求，分別對兩座主廠房進行了比較全面的檢測，并提供了詳細的檢測及評定報告，結合現(xiàn)場實際情況及檢測評定報告，對相關承載構件及整體結構進行了安全性設計復核驗算，并對部分承載能力不足的構件分類進行加固維護設計。本文研究了在惡劣自然環(huán)境與特殊力學環(huán)境的長期耦合作用下鋼筋混凝土結構的損傷劣化機理，探討了鋼筋混凝土結構損傷劣化后的有效加固維護技術，為后期的改造方案提供指導，保證結構使用的可靠性。

圖1 內部腐蝕介質積聚示意圖

圖2 部分鋼筋混凝土構件損傷劣化現(xiàn)狀

2 主廠房檢測結果及分析

2.1 主廠房使用環(huán)境檢測主要結果及分析

選煤廠主廠房與一般建筑物相比具有獨特的使用環(huán)境，主要包括惡劣的自然環(huán)境和復雜的工藝、力學環(huán)境。按照對混凝土結構耐久性影響機理的不同將環(huán)境作用分為物理作用、化學作用、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;化學作用有水解反應、硫酸鹽反應、氯離子滲透等;生物作用則有菌類的侵蝕等。主廠房內鋼筋混凝土構件腐蝕主要與以下兩方面的因素有關:一是構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，混凝土構件的碳化速度是比較快的，由此將導致混凝土構件較快的劣化，引起鋼筋銹蝕、混凝土構件開裂、承載能力下降等一系列耐久性的問題。二是工業(yè)生產過程中跑、冒、滴、漏出的有害介質(酸性氣體、液體、硫酸鹽、氯鹽、細分散度的顆粒等)對結構構件長期的侵蝕，同時受到工藝力學環(huán)境的促進。

本文多次環(huán)境檢測結果及分析如下:

(1)主廠房特殊的使用環(huán)境造成其內部有多種腐蝕性氣態(tài)介質聚集，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)主廠房內生產和沖洗時同時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)主廠房內部混凝土結構表面的固體附著物中也含有大量的腐蝕性物質，在廠房內部溫度、濕度的共同作用下，也對混凝土、鋼筋等材料及構件產生較大的腐蝕。

(4)主廠房內部隨季節(jié)和生產情況干濕交替頻繁、溫度變化也較大，為腐蝕性介質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，結構布置、荷載大小及分布較為復雜，振動作用明顯，工藝、力學環(huán)境較為惡劣[1]。

(6)結合主廠房內部腐蝕環(huán)境的檢測分析結果，參照《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》中的相關規(guī)定，可以看出主廠房內腐蝕環(huán)境下的氣態(tài)腐蝕性介質對鋼筋混凝土材料及構件的腐蝕性等級基本為弱級、中級，液態(tài)腐蝕性介質對鋼筋混凝土材料及構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件有著較大的腐蝕作用。

2.2 主廠房混凝土構件檢測主要結果及分析

對兩座主廠房內混凝土構件表觀特征、碳化深度、混凝土抗壓強度、鋼筋銹蝕率、構件動力性能及反應等相關參數(shù)進行了多次檢測，主要檢測結果和分析結論如下:

(1)限于當時的施工技術水平，主廠房內部混凝土構件施工質量較差，普遍存在混凝土密實性差，麻面嚴重，混凝土疏松;部分構件表面腐蝕嚴重，微細裂縫密布;銹脹裂縫普遍可見，部分構件表層混凝土剝離，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)兩座主廠房原設計混凝土強度(舊200號)偏低，現(xiàn)場取樣檢測發(fā)現(xiàn)大部分混凝土強度值基本達到設計強度值，少數(shù)偏低10% ～20%，部分混凝土抗壓強度值離散性較大。而且，混凝土本身性能不斷劣化，內部損傷不斷積累，脆性增加，滲透型很高。

(4)主廠房內鋼筋混凝土構件內部鋼筋直徑、分布基本與設計圖紙相符，保護層厚度偏小;其中保護較好混凝土構件內部鋼筋銹蝕率較低，主筋銹蝕率在5%以內，箍筋銹蝕率在3% ～10%之間;而裸露鋼筋銹蝕情況嚴重，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)銹蝕鋼筋強度下降，延性降低，頸縮階段不明顯。

(6)構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重，同時鋼筋有不同程度的銹蝕。

(7)主廠房內部振動設備較多，部分構件在長期的振動荷載作用下，構件內部疲勞損傷出現(xiàn)不同程度的累積，并不斷加劇。

2.3 鋼筋混凝土材料及構件損傷劣化原因和機理

檢測結果表明，主廠房內部自然環(huán)境較為惡劣，工藝及力學環(huán)境復雜，在內外多因素的長期共同作用下，鋼筋混凝土材料與構件的損傷劣化較一般建筑物要嚴重得多，其損傷劣化原因及機理主要包括以下兩個方面:

(1)平煤一礦及大屯選煤廠主廠房分別建設于20世紀80年代初和80年代末，由于當時的設計和施工水平有限，混凝土原材料級配較差，水灰比較大，造成主廠房內部混凝土構件強度偏低、保護層偏小，混凝土表面密實性較差[2]，這些因素是影響鋼筋混凝土材料和構件可靠性的主要內因。

(2)主廠房內部氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種形態(tài)的腐蝕性介質相互影響，并且干濕交替頻繁，溫度變化較大，在內部耦合成惡劣的自然環(huán)境，然后與特殊的工藝力學環(huán)境等進一步耦合作用，這些復雜使用環(huán)境的長期耦合作用是影響鋼筋混凝結構可靠性的主要外因。這些外因之間相互影響，然后與內因綜合作用，導致鋼筋混凝土構件劣化，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 鋼筋混凝土結構安全性復核和加固維護

3.1 鋼筋混凝土結構安全性設計復核驗算方法

準確分析主廠房內部使用環(huán)境，混凝土構件的檢測結果，研究鋼筋混凝土材料及構件的損傷劣化原因和機理，在此基礎上，對主廠房內部鋼筋混凝土結構進行單個構件到整體結構的分析，然后進行進一步的設計復核驗算?；炷两Y構復核驗算采用PKPM進行精確建模，采用最新的結構布置和最新荷載分布，利用satwe進行計算，并重點考慮大型振動設備的荷載作用，對特殊部位的重要疲勞構件采用專門軟件進行動力模擬計算。

同時，結合檢測分析結論，考慮選煤廠主廠房所處自然環(huán)境、工藝及力學環(huán)境的特殊性，相應構件受環(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，主廠房結構設計復核驗算過程中混凝土抗壓強度取為實際評定值的0.85～0.95，對比校驗過程中根據(jù)實際檢測情況，結合不同腐蝕區(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的計算分析配筋結果導出，與折減后的鋼筋有效工作面積進行逐一校對，從而獲得鋼筋混凝土構件的配筋差額數(shù)據(jù)，為后續(xù)混凝土構件的評定提供依據(jù)。然后根據(jù)《既有建筑物質量檢驗與可靠性評定》、《工業(yè)廠房可靠性鑒定標準》、《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》中的相關規(guī)定，對每個混凝土構件的安全性等級進行評定，按照A、B、C、D四個等級進行分類，為進一步的加固方案設計及維護措施的確定提供依據(jù)。

3.2 鋼筋混凝土結構加固維護技術

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、粘貼纖維復合材法、化學灌漿法、外粘鋼法以及間接加固法中的外加預應力法、增設支點法等[9]。

由于粘貼碳纖維材料加固鋼筋混凝土結構具有許多其他加固方法無法比擬的優(yōu)點，如對腐蝕性介質的抵抗能力較強，材料本身耐久性能優(yōu)越，振動荷載造成的加固損耗較小，施工方便，基本不改變原結構外形，不會對原結構造成損傷，修復加固效果好，維修費用較低，施工工期短且施工技術相對成熟等[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級的鋼筋混凝土構件進行加固設計時，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算差額的構件，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

同時對所有加固后的C、D級構件及B級構件進行維護處理，以滿足耐久性方面的要求，延長結構的使用壽命。維護方案建議為:先剔除空鼓混凝土，清除浮塵，進行表面清理后按 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。

在進行粘貼碳纖維材料或其他加固方法施工及構件表面維護時應嚴格按照規(guī)范中的規(guī)定執(zhí)行，并重點注意構件表面清理、找平、倒角等工作，保證加固材料與原構件和表層維護之間的粘結力。

4 結語

(1)現(xiàn)今我國部分選煤廠主廠房建成已有較長時間，由于當時的設計和施工水平有限，材料等級較低，原有鋼筋混凝土結構普遍存在內部缺陷，這是影響鋼筋混凝土材料受腐蝕程度和構件損傷、承載力下降、結構存在安全隱患的主要內因。

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

(3)選煤廠主廠房內部結構受內、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重:混凝土本身性能變差，內部微細裂縫不斷增加，伴隨鋼筋銹蝕、截面變小，延性變差、強度降低;混凝土構件隨時間的持續(xù)損傷劣化的速率會不斷加快，順筋裂縫不斷擴展，表層混凝土剝落，疲勞損傷積累和加劇，鋼筋與混凝土粘結力持續(xù)下降，構件承載能力降低，變形不斷加大，從而導致局部構件及整體結構存在不同程度的安全隱患，主廠房的使用壽命很難保證。

(4)采用合理的設計計算方法對主廠房結構進行復核時，應重點考慮材料及構件存在不同程度的損傷積累，惡劣使用環(huán)境和復雜荷載的共同作用，根據(jù)實際檢測結果，對設計中材料的相關參數(shù)采用合理的折減系數(shù)，從而保證計算結果的準確性級安全性。

(5)對已經損傷劣化的選煤廠主廠房鋼筋混凝土結構，應根據(jù)綜合評定等級，結合現(xiàn)場實際情況進行針對性加固設計，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措施減少主廠房內部惡劣環(huán)境對結構的影響，并加強使用期間的監(jiān)測。

[1]趙承明.煤礦腐蝕環(huán)境碳纖維布加固鋼筋混凝土小偏心受壓柱的力學性能研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學，2009.

[2]呂恒林，周淑春，吳元周.煤礦地面工業(yè)環(huán)境中鋼筋混凝土結構劣化機理和防治技術研究[C]//2007年第一屆海峽兩岸三地混凝土技術研討會論文集.大連:大連理工大學出版社，2007.

[3]柯 偉.中國腐蝕調查報告[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003:6-8.

[4]范穎芳.受腐蝕鋼筋混凝土構件性能研究[D].大連:大連理工大學，2002.

[5]郝曉麗.氯腐蝕環(huán)境混凝土結構耐久性與壽命預測[D].西安:西安建筑科技大學，2004.

[6]賈紅梅，閻貴平，閆光杰.混凝土中鋼筋銹蝕的研究[J].中國安全科學學報，2005，15(5):56-59.

[7]楊淑慧.腐蝕對鋼筋力學性能的影響的研究[D].鄭州:鄭州大學，2002.

[8]曹雙寅.受腐蝕混凝土的力學性能[J].東南大學學報:自然科學版，1991，(4):89-95.

[9]中華人民共和國建設部.GB50367－2006.鋼筋混凝土結構加固設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[10]呂恒林，宋 雷，陳 王景，等.某煤礦選煤廠皮帶走廊的可靠性評定與加固維護建議[J].江蘇建筑，2008，(4):23-25.