張明友,李靜平
(唐山三友化工股份有限公司純堿公司,河北唐山 063305)
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混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的一些建議
張明友,李靜平
(唐山三友化工股份有限公司純堿公司,河北唐山 063305)
為提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性,作者就自己的實踐經(jīng)驗,提出了樹立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計理念的必要性。從設(shè)計角度,提出了混凝土耐久性設(shè)計原則,指出了純堿公司裝置區(qū)主要工序混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別,最后給出了保證結(jié)構(gòu)耐久性的一些建議。供同行借鑒參考。
混凝土;結(jié)構(gòu);耐久性;設(shè)計;建議
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于自身優(yōu)勢,在純堿公司裝置區(qū)建構(gòu)筑物中被廣泛使用。由于生產(chǎn)工藝的特點(diǎn),鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物處于不同程度的腐蝕環(huán)境中。長期的腐蝕環(huán)境使部分承重構(gòu)件鋼筋銹蝕,甚者鋼筋腐蝕銹斷,脹裂混凝土,導(dǎo)致構(gòu)件剛度、承載力嚴(yán)重下降,形成結(jié)構(gòu)安全隱患,甚至加固后的一部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件又出現(xiàn)了腐蝕破壞。結(jié)果是建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計使用年限就被迫加固補(bǔ)強(qiáng)或拆除重建,同時給生產(chǎn)造成極大的威脅。
我公司屬于化工企業(yè),生產(chǎn)的連續(xù)性使得建構(gòu)筑物加固補(bǔ)強(qiáng)在邊生產(chǎn)、邊施工條件下進(jìn)行。施工時間受限、施工操作空間受限,補(bǔ)強(qiáng)施工難度非常大。
嚴(yán)重的腐蝕破壞如得不到治理,就不能保證建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限,將會制約企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。治理建構(gòu)筑物腐蝕,保證建構(gòu)筑物的實際使用年限達(dá)到設(shè)計使用年限,建立完善的建構(gòu)筑物管理制度以減少人為損壞,加強(qiáng)生產(chǎn)管理以減少腐蝕介質(zhì)跑冒滴漏,加強(qiáng)日常管理以及時維修是非常必要的,而建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)、新建工程設(shè)計中,設(shè)計者做好耐久性設(shè)計是保證建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)達(dá)到使用年限的首要關(guān)口?;炷两Y(jié)構(gòu)耐久性問題很復(fù)雜,作者從實踐經(jīng)驗出發(fā),對純堿公司裝置區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物耐久性設(shè)計提出自己的一些建議。
設(shè)計責(zé)任終身制,使結(jié)構(gòu)設(shè)計者首先注重構(gòu)件內(nèi)力計算、剛度計算及承載力驗算、變形驗算,這無可非議,這在一般非腐蝕環(huán)境下對建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的耐久性不會造成大的影響,但是一些設(shè)計者即使在有腐蝕的生產(chǎn)裝置區(qū)也不考慮混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物耐久性設(shè)計,勢必造成建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)達(dá)不到設(shè)計使用年限。因此樹立結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計理念是非常必要的。純堿公司裝置區(qū)建構(gòu)筑物的使用情況就說明了這一點(diǎn)。
純堿公司投產(chǎn)至今27年,近幾年,堿渣廢液輸送工序、鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土框架連年加固維修。二級泵站廢液前池到目前已新建2次,加固1次。新化鹽框架、建廠初期的老化鹽框架6年前雖然進(jìn)行了一次加固,但是由于混凝土框架沒有依據(jù)Cl-離子腐蝕環(huán)境做相應(yīng)的建筑防腐,大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件又出現(xiàn)了鋼筋生銹脹裂混凝土,結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患,導(dǎo)致繼續(xù)拆除重建或二次加固補(bǔ)強(qiáng)。重堿工序的蒸吸、碳化、濾過工段,煅燒工序的混凝土框架也存在著同樣的狀況。這與建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)未進(jìn)行耐久性設(shè)計或耐久性設(shè)計不合理有著直接的關(guān)系。
而與新化鹽框架同期建設(shè)的儲鹽倉、卸鹽地槽同樣為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),經(jīng)常處于嚴(yán)重的Cl-離子(氯化鈉)腐蝕環(huán)境中,由于混凝土結(jié)構(gòu)做了耐久性設(shè)計,且合理,混凝土內(nèi)表面做了環(huán)氧玻璃鋼防腐隔離層,使用21年來安然無樣。
純堿公司混凝土框架的腐蝕現(xiàn)狀,已告誡我們設(shè)計者,腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行耐久性設(shè)計,否則,設(shè)計文件中的設(shè)計使用年限就是紙上談兵,一句空話。
依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476-2008(以下簡稱《耐久性設(shè)計規(guī)范》),結(jié)合我公司的腐蝕環(huán)境,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計至少應(yīng)包括:
1)給出混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限、環(huán)境類別及作用等級。
2)選擇有力于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造。
3)對混凝土結(jié)構(gòu)材料提出耐久性質(zhì)量要求。
4)給出鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。
5)通過計算,嚴(yán)格控制混凝土裂縫。
6)防排結(jié)合。采取防水、防腐蝕液體的構(gòu)造措施;采取排水、排腐蝕液體的構(gòu)造措施。
7)嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用下,合理采取防腐蝕附加措施或多重防護(hù)策略。
8)對施工提出施工養(yǎng)護(hù)制度、保護(hù)層厚度的質(zhì)量要求。
9)對結(jié)構(gòu)使用階段的維護(hù)、修理與檢測提出要求。
要想做好混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計,首先要依據(jù)耐久性設(shè)計原則,結(jié)合我公司生產(chǎn)工序的腐蝕環(huán)境特點(diǎn),確定環(huán)境類別。例如:
4.1 堿渣廢液輸送工序
1)主要是廢液中Cl-離子侵入混凝土內(nèi)部,到達(dá)鋼筋表面與鋼筋接觸,發(fā)生電化學(xué)腐蝕,引起鋼筋銹蝕而脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為氯化物環(huán)境Ⅳ類。
因此,堿渣廢液輸送工序環(huán)境類別為氯化物環(huán)境Ⅳ類及化學(xué)腐蝕環(huán)境Ⅴ類。
4.2 涼水塔
1)普通涼水塔
主要是反復(fù)凍融循環(huán)損傷混凝土,后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為凍融環(huán)境Ⅱ類。
2)海水涼水塔
Michael Mauer:Apple公司的首席設(shè)計師Jonathan Ive就設(shè)計出一個完整的品牌世界,從產(chǎn)品到廣告,從商店到包裝。你我都知道,這一整套設(shè)計棒極了!
4.3 鹽水工序
4.4 重堿工序
4.5 其他工序
煅燒、成品工序主要是屋面、樓面、墻面隨意開鑿孔洞,屋面泛水施工質(zhì)量不佳,防水層破壞,造成漏水漏液。雨水、生產(chǎn)沖洗水、蒸汽跑冒滴漏凝結(jié)水、檢修時泄漏水等積聚在存有堿塵地面上,形成碳酸鈉溶液,甚至人為用蒸汽、水清理廠房墻面、窗臺、地面上的堿塵或堿疤。堿溶液滲入混凝土后,反復(fù)凍融循環(huán)溶蝕損傷混凝土,后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為凍融環(huán)境Ⅱ類。
作為設(shè)計者,當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到多種環(huán)境共同作用時,應(yīng)綜合考慮作用等級進(jìn)行耐久性設(shè)計。
5.1 各專業(yè)要加強(qiáng)溝通
5.2 依據(jù)腐蝕環(huán)境及作用等級做相應(yīng)的建筑防腐
5.2.1 新化鹽棧橋、老化鹽棧橋、化鹽框架、儲鹽倉、海水涼水塔
這些混凝土結(jié)構(gòu)綜合判斷為海洋氯化物環(huán)境為主,作用等級為非常嚴(yán)重腐蝕Ⅲ-E。類似建構(gòu)筑物混凝土構(gòu)件,依據(jù)《耐久性設(shè)計規(guī)范》第6.1.4條必須做防腐措施。
混凝土表面防腐做法建議采用環(huán)氧類玻璃鋼隔離層,其特點(diǎn)是耐酸耐堿。地面、樓面、踢腳、墻裙面層采用環(huán)氧類砂漿,有條件時可采用耐腐蝕花崗巖石板;梁、柱、頂棚隔離層上做耐紫外線防腐涂料兩道,以防止隔離層老化,同時也可起到裝飾效果。此做法為傳統(tǒng)施工工藝,工人操作熟練,經(jīng)濟(jì)適用,市場上材料供應(yīng)充足。
化鹽棧橋、化鹽框架及加固后的化鹽棧橋、化鹽框架,混凝土表面由于沒有做任何防腐隔離層,導(dǎo)致目前二次加固補(bǔ)強(qiáng),設(shè)計、施工方案確定非常困難。
5.2.2 一、二、三級泵站的廢液前池
綜合判斷為氯化物環(huán)境為主, 作用等級為非常嚴(yán)重腐蝕Ⅳ-E, 類似建構(gòu)筑物混凝土構(gòu)件依據(jù)《耐久性設(shè)計規(guī)范》第6.1.4條必須做防腐措施。但不宜采用各種纖維類的玻璃鋼隔離層,也不宜采用強(qiáng)度較高的花崗巖、鑄石板等石板面層。實踐中發(fā)現(xiàn),受高溫廢液沖刷,玻璃鋼、石板脫落進(jìn)入廢液泵體內(nèi),纏繞打擊葉輪,導(dǎo)致葉輪損壞。防腐材料選擇上原則上要選擇耐溫、耐磨材料。堿渣廢液溫度85~95 ℃ ,防腐做法建議采用酚醛類材料(耐溫120 ℃)、乙烯基酯類材料(耐溫120 ℃)、雙酚A型不飽和聚酯類材料(耐溫100 ℃),防腐構(gòu)造為底漆、封閉膩子、面漆、稀撒細(xì)石英砂、抹相應(yīng)的樹脂砂漿。
以前廢液前池混凝土開裂導(dǎo)致加固補(bǔ)強(qiáng)或重建,除了工程施工質(zhì)量問題外,表面沒有防腐措施是一個主要原因。
5.2.3 重堿工序
綜合判斷為氯化物環(huán)境為主,作用等級應(yīng)定為Ⅳ-D,從現(xiàn)場腐蝕現(xiàn)狀看,同樣應(yīng)做防腐措施。防腐做法建議同5.2.1。由于蒸吸、碳化工段是敞開式框架,防腐隔離層表面刷耐紫外線防腐涂料是非常必要的。
原混凝土框架梁柱開裂,加固補(bǔ)強(qiáng)后又開裂?;炷羶?nèi)銹蝕鋼筋未替換、混凝土外表面沒有做隔離層防腐是兩個主要原因。
5.3 結(jié)構(gòu)布置
力求平面、剖面簡單,減少構(gòu)件的暴露面積,盡量避免凹凸變化;盡量不選用懸挑結(jié)構(gòu),如必須選用宜采用懸挑梁板結(jié)構(gòu),不宜采用懸挑板結(jié)構(gòu)。施工縫、變形縫避開環(huán)境不利的部位,否則采取有效構(gòu)造措施。
如鹽水工序儲鹽倉,設(shè)計設(shè)置伸縮縫時就存在構(gòu)造不合理問題。兩個框架柱凈寬即伸縮縫寬僅僅100 mm, 因施工無法操作,伸縮縫處的框架柱表面既沒有做抹面防腐,也未做隔離層防腐,樓層伸縮縫散落下的原鹽掉入框架柱之間的伸縮縫中,原鹽中的Cl-離子給兩側(cè)的框架柱造成了非常嚴(yán)重的腐蝕,鋼筋銹蝕甚者銹斷,混凝土爆裂,被迫加固。伸縮縫狹窄,加固補(bǔ)強(qiáng)后又要保證伸縮縫的伸縮功能,使得設(shè)計方案的確定和施工非常困難。伸縮縫兩側(cè)同一框架柱相鄰內(nèi)側(cè)面,由于做了環(huán)氧類玻璃鋼隔離層,混凝土目前完好無損。
建議類似的非常嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中,建筑結(jié)構(gòu)的伸縮縫設(shè)置寬度應(yīng)大于500 mm,為施工防腐隔離層、防腐抹面或加固提供可操作空間。
5.4 明確混凝土保護(hù)層厚度
《耐久性設(shè)計規(guī)范》2.1.18條明確規(guī)定,混凝土保護(hù)層指從混凝土表面到鋼筋(包括縱向鋼筋、箍筋和分布筋)公稱直徑外邊緣之間的最小距離;對后張法預(yù)應(yīng)力筋,為套管或孔道外邊緣到混凝土表面的距離?!痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010第2.1.18條明確規(guī)定,混凝土保護(hù)層是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件中鋼筋外邊緣至構(gòu)件表面范圍用于保護(hù)鋼筋的混凝土。混凝土保護(hù)層概念現(xiàn)行規(guī)范與舊規(guī)范有著本質(zhì)的不同。據(jù)了解現(xiàn)在一些設(shè)計者及施工人員還是舊規(guī)范的概念,誤認(rèn)為保護(hù)層厚度指的是主筋外邊緣至混凝土構(gòu)件表面的距離。例如箍筋為φ10的混凝土柱,如果老規(guī)范保護(hù)層為30 mm,按現(xiàn)行規(guī)范保護(hù)層為20 mm,就鋼筋混凝土一般環(huán)境下,都不滿足現(xiàn)行規(guī)范的的構(gòu)造要求。我們時常發(fā)現(xiàn)梁柱箍筋、縱筋在混凝土表面對應(yīng)位置上呈現(xiàn)紅褐色的條狀銹斑,沿銹斑混凝土開裂。這與設(shè)計或施工原因?qū)е碌谋Wo(hù)層厚度偏小有著直接關(guān)系。
混凝土的保護(hù)層厚度直接影響構(gòu)件的耐久性,因此設(shè)計者要給以重視,要根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境作用等級,依據(jù)《耐久性設(shè)計規(guī)范》嚴(yán)格確定保護(hù)層厚度。
5.5 設(shè)計時,嚴(yán)格控制混凝土裂縫
腐蝕環(huán)境下,混凝土構(gòu)件如在正常使用時受拉區(qū)就出現(xiàn)裂縫,腐蝕介質(zhì)就可暢通無阻到達(dá)鋼筋表面,無疑加快了混凝土構(gòu)件的破壞,耐久性也就無從談起。因此,構(gòu)件設(shè)計不僅要滿足承載力要求,還必須依據(jù)腐蝕環(huán)境下作用等級,控制混凝土裂縫。
儲鹽、化鹽、海水涼水塔直接接觸海水氯離子的類似建構(gòu)筑物的構(gòu)件,建議按“嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫控制”,即荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算時,構(gòu)件受拉區(qū)混凝土不產(chǎn)生拉應(yīng)力。蒸吸、碳化、固定銨工段類似建構(gòu)筑物的構(gòu)件,建議按“一般要求不出現(xiàn)裂縫控制”,即荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算時,構(gòu)件受拉區(qū)混凝土拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。
5.6 排水、排液
屋面樓面要減少開洞,必須開洞時,洞口周圍應(yīng)向上、下做反沿,防止雨水、雪水、腐蝕液體流到板底腐蝕梁板柱。
樓地面要做排液坡度,減少液體在樓地面上的滯留時間。如果生產(chǎn)特點(diǎn),樓面不可避免地積聚腐蝕液體時,應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的排液系統(tǒng)。
5.7 設(shè)計中,對混凝土結(jié)構(gòu)材料的耐久性提出質(zhì)量要求
如最大水膠比、最低混凝土強(qiáng)度等級、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量,粗骨料細(xì)骨料的巖類及最大含泥量等。它們直接影響著混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性。腐蝕等級作用越嚴(yán)重,要求最大水膠比、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量就越低,要求最低混凝土強(qiáng)度等級就越高。
如儲鹽、化鹽、海水涼水塔、重堿工序類似建筑結(jié)構(gòu)即使有防腐隔離層,混凝土強(qiáng)度等級也不宜低于C40。
混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)做好耐久性設(shè)計,尤其是腐蝕環(huán)境作用等級較高的混凝土結(jié)構(gòu),必須做好耐久性設(shè)計。依據(jù)腐蝕介質(zhì)、機(jī)理的不同,采取針對性的建筑防腐構(gòu)造?;炷涟l(fā)生微小裂縫時,說明鋼筋已經(jīng)銹蝕,此時做建筑防腐為時已晚,建筑防腐應(yīng)與混凝土結(jié)構(gòu)同時設(shè)計,同時施工,同時投入使用,將得到事半功倍的作用,才能從設(shè)計本質(zhì)上保證混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。
[1] 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范GB/T50476-2008[S]
TU276
C
1005-8370(2016)04-07-04
2016-06-06
張明友,1986年畢業(yè)于河北建筑工程學(xué)院,工民建專業(yè),本科學(xué)士。土建高級工程師,國家二級注冊建筑師,現(xiàn)任唐山三友化工股份有限公司純堿公司二級專家,30年來一直從事工程施工管理、項目建設(shè)、土建專業(yè)設(shè)計工作。