煤炭行業(yè)地面建構(gòu)筑物常見“病害”及修復(fù)

樊利偉，張 宜，宋振業(yè)，湯青青，陳 田，丁 一

(1.中煤科工集團(tuán) 沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.北京固瑞恩科技有限公司，北京 100010)

我國的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀是“富煤缺油少氣”，煤炭在我國一次能源占比超過50%，與之對應(yīng)的就是數(shù)量眾多的煤炭相關(guān)企業(yè)。很多煤炭企業(yè)的地面建構(gòu)筑物由于建設(shè)和使用時間較長，服役環(huán)境相對較為惡劣，服役期間出現(xiàn)了很多問題。例如輸煤棧橋的滲漏、輸煤棧橋底板輕質(zhì)混凝土的破壞、選煤廠主廠房的墻面和地面破損、儲煤筒倉的耐磨層破損及脫落、儲煤筒倉的堵煤等。而其中有一些問題受到環(huán)境條件、生產(chǎn)運行等條件限制，很難解決，例如輸煤棧橋滲漏修復(fù)就是其中的“疑難雜癥”之一。

筆者結(jié)合近年的工程設(shè)計和施工經(jīng)驗，對煤炭行業(yè)地面建構(gòu)筑物的常見“病害”產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入分析，并結(jié)合部分修復(fù)工程經(jīng)驗，介紹相應(yīng)的修復(fù)材料和修復(fù)方法。

1 輸煤棧橋底板常見“病害”及修復(fù)

輸煤棧橋是煤炭行業(yè)承載帶式運輸機(jī)的工業(yè)構(gòu)筑物，在煤炭和電力等行業(yè)被廣泛采用，是煤炭生產(chǎn)和消費領(lǐng)域一種非常重要的工業(yè)構(gòu)筑物。受混凝土結(jié)構(gòu)自重大、施工速度慢、不適合大跨度建設(shè)等因素影響，鋼桁架結(jié)構(gòu)的輸煤棧橋幾乎是唯一的選擇，并且鋼桁架支撐加發(fā)泡混凝土輕質(zhì)底板(天基板)的組合最為普遍。而這一結(jié)構(gòu)形式在使用過程中逐漸出現(xiàn)棧橋底板滲漏和發(fā)泡混凝土輕質(zhì)底板破損等問題。

1.1 輸煤棧橋底板滲漏原因及修復(fù)

受環(huán)保和安全的要求，輸煤棧橋每天會進(jìn)行沖洗作業(yè)，對棧橋內(nèi)部的煤粉、灰塵等進(jìn)行清理。雖然棧橋新建時都會進(jìn)行防水設(shè)計和施工，但隨著使用時間的增加，很多棧橋都出現(xiàn)了底板防水層失效的問題，出現(xiàn)了大面積的滲漏。

經(jīng)分析，棧橋底板滲漏的原因主要有3點：一是原有防水層的施工質(zhì)量較差，部分棧橋完工后還沒驗收就出現(xiàn)了滲漏；二是鋼桁架結(jié)構(gòu)自身剛度較低，結(jié)構(gòu)對振動非常敏感[1]，帶式輸送機(jī)在運行中產(chǎn)生的持續(xù)振動，導(dǎo)致原有防水層開裂并與基層脫離(尤其是伸縮縫部位)，增加了滲漏風(fēng)險；三是沖洗水中含有的腐蝕性介質(zhì)、冬季的凍融等因素，都會加速防水層的劣化。

輸煤棧橋的底板滲漏是多種原因綜合導(dǎo)致的，而滲漏的修復(fù)又面臨很多難點：一是由于煤炭企業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)需要，輸煤帶式輸送機(jī)不能長時間停機(jī)，甚至需要不停機(jī)進(jìn)行修復(fù)；二是棧橋內(nèi)長期沖洗作業(yè)導(dǎo)致的環(huán)境濕度大、基層含水率高等問題，并且修復(fù)后短時間就要重新投入生產(chǎn)運行，并再次進(jìn)行沖洗作業(yè)；三是棧橋的振動，部分工況下滲漏修復(fù)后，短時間內(nèi)棧橋又重新投入生產(chǎn)運行中，振動有可能導(dǎo)致防水層脫落，而部分工況下甚至需要在振動環(huán)境下進(jìn)行滲漏修復(fù)。由于存在上述幾個難點，常規(guī)的滲漏修復(fù)方法很難見效。例如：霍州某煤礦采用噴涂聚脲的方式對輸煤棧橋底板進(jìn)行了防水處理，次年就出現(xiàn)了聚脲整體脫落和漏水的現(xiàn)象；陜西某煤礦輸煤棧橋采用丙烯酸類涂料進(jìn)行防水修復(fù)處理，項目處理完還未驗收，又出現(xiàn)了漏水問題。

針對上述幾個難點，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作，推出了一種新型的防水材料：納米級液體橡膠基復(fù)合防水涂料(聚瀝膜)。該材料是一種水性高彈性防水涂料，可在潮濕環(huán)境下施工，噴涂到基層上數(shù)秒之內(nèi)即可形成涂膜，涂膜延伸率達(dá)到1000%以上，還具有防串水、防穿刺、抗振動、耐酸堿、耐低溫、水性無污染等優(yōu)點，非常適合用于棧橋底板防水修復(fù)。同時還開發(fā)了快硬型的耐磨抗裂砂漿作為該涂料的保護(hù)層材料，該砂漿施工后30 min即可上人行走，因此整個防水體系可以在不影響煤礦生產(chǎn)的前提下，對棧橋底板的滲漏進(jìn)行修復(fù)。

1.2 輸煤棧橋底板輕質(zhì)混凝土破壞原因及修復(fù)

隨著礦井及選煤廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平的不斷提高，沖水作業(yè)越來越頻繁，加上防水層的失效等問題，棧橋底板經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)。在北方寒冷地區(qū)，這種潮濕狀態(tài)對混凝土的影響主要體現(xiàn)在2個方面：一方面由于凍融循環(huán)作用，使輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度下降，并出現(xiàn)酥脆、剝落現(xiàn)象；另一方面，由于煤粉中含有一定量的硫等腐蝕性介質(zhì)，使輕質(zhì)混凝土內(nèi)部堿度降低，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)片的銹蝕，鋼筋網(wǎng)片銹蝕膨脹又加速了輕質(zhì)混凝土的開裂破壞。同時棧橋帶式輸送機(jī)運行時的振動對輕質(zhì)混凝土開裂后的剝落起到了加速作用，最終導(dǎo)致棧橋底板輕質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，影響棧橋運行安全。此外，部分煤礦的棧橋，由于冬季滲漏結(jié)冰，在棧橋底部形成很長的冰棱，當(dāng)溫度升高時冰棱脫落，存在很大的安全隱患。

從上述分析可以看出，輸煤棧橋底板輕質(zhì)混凝土的破壞主要是由于水的滲入加上凍融循環(huán)作用導(dǎo)致的。因此，在棧橋底板輕質(zhì)混凝土修復(fù)之前，需要先解決棧橋的滲漏問題，然后再對已經(jīng)破壞的部分進(jìn)行修復(fù)，而修復(fù)的難點主要在于棧橋的持續(xù)振動、原有輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度低、施工困難等。

作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作開發(fā)了一種早強(qiáng)輕質(zhì)聚合物柔性修補(bǔ)砂漿對棧橋底板進(jìn)行修復(fù)。該砂漿具有輕質(zhì)、快硬、憎水、與基層黏結(jié)強(qiáng)度高、耐久性優(yōu)異、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點，克服了普通修補(bǔ)砂漿容重大、與基層粘結(jié)強(qiáng)度低、耐久性差、抗變形能力差的缺陷。

目前，聚瀝膜防水材料和早強(qiáng)輕質(zhì)聚合物柔性修補(bǔ)砂漿已在山東能源巴彥高勒煤礦、雙欣煤礦，山西柳林寨崖底煤礦、陜西小保當(dāng)煤礦、中煤納林河選煤廠等近20個項目中進(jìn)行了成功應(yīng)用，取得了滿意的修復(fù)效果，部分項目已經(jīng)正常使用了5年多，仍舊滴水不漏，經(jīng)修復(fù)的棧橋底板也完好無損。

2 儲煤筒倉的常見“病害”及修復(fù)

儲煤倉是煤炭開采后，在加工、運輸及存放過程中最主要的倉儲設(shè)施，大部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的圓形筒倉，底面呈漏斗狀，以便煤炭在中間放料口放出。

儲煤倉的常見“病害”包括：① 煤炭在進(jìn)入儲煤倉及從儲煤倉放出過程中，對倉壁尤其是漏斗斜壁部分的混凝土形成沖擊和磨損；② 煤倉堵塞、放料困難，尤其是含水率較高末煤更為常見；③ 因為凍融破壞、鋼筋銹蝕、儲煤自燃等原因，造成煤倉的本體結(jié)構(gòu)破壞。

2.1 儲煤倉耐磨層破壞原因及修復(fù)方法

煤炭經(jīng)帶式輸送機(jī)輸送至布料帶式輸送機(jī)，然后經(jīng)過不同進(jìn)料口自由下落進(jìn)入煤倉。如果是空倉情況，煤的落差較大，會對煤倉的斜壁形成較大的沖擊和磨損。如果不是空倉情況，煤自由下落后在煤倉中的料堆上滾落至四周，這個過程中會對儲煤筒倉倉壁有一定的沖擊和磨損作用；儲煤筒倉放料過程中，隨著筒倉中的煤向下運動，會對倉壁和下部漏斗斜壁造成磨損。

針對儲煤筒倉的磨損問題，一般是通過增加耐磨層進(jìn)行處理。煤倉耐磨層的傳統(tǒng)工藝主要采用粘貼鑄石板、微晶板、高分子板材，涂抹或澆筑鐵屑砂漿的方法進(jìn)行處理，但鑄石板與微晶板較脆，在煤炭塊料沖擊作用下容易出現(xiàn)碎裂脫落現(xiàn)象；高分子板防火性能差；鐵屑砂漿存在耐磨性較差、有銹蝕隱患等問題。

針對傳統(tǒng)耐磨材料存在的各種問題，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作在國內(nèi)率先研制出了一種水泥基高強(qiáng)抗磨材料，該材料具有高強(qiáng)、高韌性、抗沖擊、不空鼓、不脫落等優(yōu)點，可以長時間承受煤炭的摩擦和沖擊而不出現(xiàn)碎裂和脫落，并且作為水泥基材料，耐久性和防火性能與混凝土本體一致。自2006年推出以后，已成功應(yīng)用于平煤七星選煤廠、神華大柳塔選煤廠、國投哈密一礦選煤廠等近300個煤筒倉的新建和加固修復(fù)項目中，已完工項目最長已經(jīng)正常使用15 a之久。

2.2 煤倉堵塞原因分析及修復(fù)方法

煤炭與儲煤筒倉相對運動過程中，會有一定摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)越大，相對運動越困難，煤炭也就不容易放出。潮濕的煤末更容易粘附在倉壁上，阻擋煤炭向下運動，塊煤也容易堆積在儲煤筒倉漏斗斜坡與豎直倉壁結(jié)合部位，越積越多，最終造成煤倉堵塞，放料困難，部分工況下還會引發(fā)煤的自燃。

針對煤末和塊煤粘附堆積造成放料口堵塞的問題，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作開發(fā)了一種憎水型自潤滑的高強(qiáng)抗磨材料，并結(jié)合筒倉具體情況，形成了一套成熟的解決方案。憎水型自潤滑高強(qiáng)抗磨料除具備高強(qiáng)、高韌性等優(yōu)點外，還具有憎水和自潤滑的特性，使筒倉斜壁不易被水潤濕，降低潮濕的末煤和筒倉耐磨層之間的粘附，從而避免或改善放料口的堵塞問題。該方案目前已經(jīng)在國能集團(tuán)哈爾烏素選煤廠、華能集團(tuán)高頭窯煤礦等多個煤礦筒倉中進(jìn)行了實際應(yīng)用，改善堵倉的效果十分明顯。

2.3 煤倉本體結(jié)構(gòu)破壞原因分析及加固修復(fù)

儲煤筒倉在使用過程中會因為各種原因造成結(jié)構(gòu)破壞，不能滿足使用要求，如新建筒倉的配筋率不夠、混凝土強(qiáng)度等級不夠；煤倉失火導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞；混凝土結(jié)構(gòu)受到凍融或者腐蝕介質(zhì)侵蝕，導(dǎo)致混凝土和鋼筋的劣化等。

儲煤筒倉的破壞形式有多種，需要根據(jù)現(xiàn)場具體情況和設(shè)計要求選擇合適的加固方法，目前儲煤筒倉主要加固方法有增加截面積加固、粘鋼加固、粘貼碳纖維布加固、預(yù)應(yīng)力鋼筋加固等。作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作研制的滲透遷移型鋼筋阻銹劑，涂刷在混凝土表面，可以滲透到混凝土內(nèi)部，并對鋼筋形成鈍化保護(hù)作用，特別適合已有筒倉加固時內(nèi)部鋼筋銹蝕的修復(fù)處理。針對筒倉加固開發(fā)的澆筑型抗磨料，可以實現(xiàn)加固和耐磨的雙重功能。鋼筋鈍化處理、加固耐磨一體化的施工方案，具有較好的技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)實用性，已在平煤集團(tuán)首山一礦、罐子溝煤礦、大柳塔煤礦、高頭窯煤礦等儲煤筒倉加固項目進(jìn)行了應(yīng)用，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 選煤廠主廠房的常見“病害”及修復(fù)

3.1 主廠房墻體“病害”及修復(fù)

選煤廠主廠房是煤炭洗選作業(yè)的主要場所，選煤廠70%以上設(shè)備在主廠房內(nèi)運行。目前選煤廠主廠房多采用框架結(jié)構(gòu)，燒結(jié)磚或加氣砌塊填充作為墻體。由于洗煤車間用水量大，主廠房室內(nèi)一直處于潮濕環(huán)境中，水汽容易滲入墻體。而設(shè)備運行時形成的長時間、高振幅的振動，使得墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)微細(xì)裂紋，使得室內(nèi)水汽更容易進(jìn)入墻體。由于墻體一直處于潮濕狀態(tài)中，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)墻體逐漸出現(xiàn)反堿、涂料層剝落、抹灰層脫落等問題；冬季低溫環(huán)境下，水汽滲透至外墻時，還存在凍融破壞問題，導(dǎo)致外墻抹灰層大面積空鼓脫落，存在很大的安全隱患。

主廠房的墻體破壞，主要原因是水汽滲入造成的，因此修復(fù)的首要問題是解決墻體的防水、防滲。因為內(nèi)部環(huán)境非常潮濕，內(nèi)墻表面大部分時間都有冷凝水的存在，導(dǎo)致油性涂料粘不住、水性涂料干不了，因此普通的防水涂料很難滿足具體工況要求。根據(jù)現(xiàn)場情況，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作開發(fā)了一種可在潮濕環(huán)境下正常施工的防水涂料—聚納膜。聚納膜是一種水性反應(yīng)型自干燥防水涂料，與常規(guī)水性涂料靠水分蒸發(fā)的成膜機(jī)理不同，聚納膜的干燥成膜是通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的，因此即使在異常潮濕的環(huán)境下，也可以正常成膜，實現(xiàn)防水、防滲的作用。聚納膜同時還具有彈性好、耐腐蝕、自清潔等優(yōu)點，通過噴涂施工或者滾刷施工，可在墻體表面形成一層有機(jī)—無機(jī)復(fù)合防水涂膜，達(dá)到隔絕水汽和腐蝕介質(zhì)的目的，可以有效防止選煤廠主廠房內(nèi)部的水汽外滲，避免有害介質(zhì)侵蝕和凍融作用對墻體和混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。聚納膜還可根據(jù)客戶要求調(diào)整顏色，對墻面及彩鋼板屋面具有保護(hù)作用的同時，也具有一定的裝飾效果，改變了以往人們對工礦企業(yè)建筑色彩單調(diào)的印象。目前該材料和修復(fù)方案，已經(jīng)在巴彥高勒、主廠房室內(nèi)墻體防護(hù)、彩鋼板屋面防護(hù)等工程中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。

3.2 主廠房地面“病害”及修復(fù)

選煤廠的主廠房地面通常都有積水存在，而水中含有的硫、磷、氯等腐蝕介質(zhì)，對地面混凝土造成了嚴(yán)重的腐蝕破壞?；炷恋母g破壞，表現(xiàn)為面層混凝土的粉化、脫落等問題，局部嚴(yán)重的部位，甚至出現(xiàn)了貫穿破壞；另一方面，含有腐蝕性介質(zhì)的水也會導(dǎo)致混凝土的堿度降低，從而失去對內(nèi)部鋼筋保護(hù)作用；水中含有的氯離子會加速混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕；高頻振動會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)各種微細(xì)裂紋，加速混凝土和鋼筋的腐蝕破壞。在潮濕環(huán)境、腐蝕介質(zhì)、高頻振動的綜合作用下，選煤廠主廠房的結(jié)構(gòu)損傷速度非常快，對主廠房的結(jié)構(gòu)安全形成很大的威脅。

選煤廠主廠房地面破壞修復(fù)，需要解決鋼筋銹蝕和混凝土破損的問題，面臨的施工難點包括環(huán)境潮濕、振動大、施工窗口期短等。為此，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作開發(fā)了一種專用聚合物防腐砂漿，該專用砂漿具有快硬、防水防腐、耐磨抗震等優(yōu)點，可實現(xiàn)不停產(chǎn)修復(fù)施工。該材料已經(jīng)在巴彥高勒等煤礦選煤廠主廠房進(jìn)行了應(yīng)用，取得了滿意的修復(fù)效果。

4 鋼結(jié)構(gòu)建筑的常見“病害”及修復(fù)

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)的選煤廠主廠房、輸煤棧橋、儲煤筒倉頂部結(jié)構(gòu)等部位。但是鋼材本身很容易受到環(huán)境中的水分和氧氣的作用而發(fā)生銹蝕，氯鹽及其它腐蝕性介質(zhì)會加速這一過程。因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑需要通過表面的涂裝來阻止或減緩本體腐蝕，從而延長使用壽命。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，煤炭行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑的表面涂裝，每隔三到五年就需要進(jìn)行維護(hù)或維修，部分使用環(huán)境下甚至一到兩年就需要重新涂裝。很多煤炭企業(yè)因為各種原因，對鋼結(jié)構(gòu)的表面涂裝維護(hù)不及時，導(dǎo)致很多鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，部分鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足結(jié)構(gòu)安全性需求，面臨拆除重建的困境。

現(xiàn)場調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，煤炭行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝通常使用年限短的主要問題，一是新建項目采用常規(guī)的丙烯酸、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等有機(jī)涂層，涂層在紫外線、凍融、溫差、介質(zhì)腐蝕等各種腐蝕條件下的耐候性不足；二是維護(hù)和維修項目，受到現(xiàn)場施工環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)、維修技術(shù)方案等因素的影響，沒有重新涂裝或者重新涂裝的涂層質(zhì)量欠缺，從而導(dǎo)致使用年限偏短。

煤炭行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)建筑，維修和維護(hù)項目大部分都存在施工環(huán)境潮濕、無法徹底除銹、施工時間短、環(huán)境腐蝕嚴(yán)重等不利因素[2-3]，導(dǎo)致普通的防腐涂料無法適用。為此，作者所在單位與中國建筑科學(xué)研究院合作，設(shè)計開發(fā)了一種“超聚硅鈦”水性重防腐涂裝體系，克服了上述各種困難。該體系采用轉(zhuǎn)銹底漆來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的除銹工藝，僅需去除鋼結(jié)構(gòu)表面疏松的鐵銹即可；面涂采用含有大量硅氧鍵的籠型超支化樹脂為基材，加入耐候性優(yōu)異的各種填料和助劑，面層耐候性是普通涂料的5倍以上；同時該涂層體系為水性產(chǎn)品，安全環(huán)保，對施工環(huán)境要求不高，與基材附著力強(qiáng)，耐老化性能優(yōu)異，耐水耐滲透性優(yōu)異，適合各種施工環(huán)境，涂膜可承受結(jié)露淋雨。

“超聚硅鈦”水性重防腐涂裝體系目前已經(jīng)在煤炭、石化、采礦等多個行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。

5 結(jié) 語

主要介紹了煤炭行業(yè)地面建構(gòu)筑物的常見“病害”及原因，并結(jié)合“病害”修復(fù)處理的工程經(jīng)驗，介紹了一些新的修復(fù)材料和修復(fù)方法。預(yù)計未來很長一段時間內(nèi)，煤炭仍然是保障我國能源安全的重中之重，而煤炭行業(yè)地面建構(gòu)筑物的“病害”處理，涉及煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運行，切不可掉以輕心。我們應(yīng)該本著盡早發(fā)現(xiàn)問題、盡快解決問題的態(tài)度，為我國的能源安全貢獻(xiàn)自己的一份力量。