地下水對(duì)混凝土的侵蝕性分析

姬剛

（瑪納斯塔西河流域管理處 昌吉 832200）

地下水對(duì)混凝土的侵蝕性分析

姬剛

（瑪納斯塔西河流域管理處 昌吉 832200）

本文介紹石門子水庫(kù)碾壓混凝土拱壩壩基地下水及析出物的成分組成，并就滲水部位、巖層情況結(jié)合侵蝕性機(jī)理，對(duì)石門子水庫(kù)地下水對(duì)大壩混凝土的侵蝕過(guò)程進(jìn)行分析研究。

碾壓混凝土拱壩 地下水 侵蝕性分析

1 引言

石門子水庫(kù)大壩位于新疆昌吉州瑪納斯縣境內(nèi)塔西河中游，是以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容5010萬(wàn)m3，水庫(kù)大壩為碾壓混凝土拱壩，壩高109m，壩頂寬5m，壩頂高程1394m。

壩體左右兩岸各有一條縱向垂直于壩軸線的貫穿性斷層帶，在右岸還有4條與斷層帶水平相交的軟弱夾層，地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜。壩體共設(shè)三層灌漿廊道，分別位于1289m、1340m、1394m高程，廊道內(nèi)設(shè)三排帷幕灌漿孔，呈梅花狀分布，廊道下游面設(shè)一排排水孔。

2 地下水取樣

為分析地下水對(duì)基巖及混凝土的侵害程度，分別在兩岸廊道與斷層帶相交處、斷層與軟弱夾層相交處、壩體與兩岸基巖結(jié)合部、壩體中央分縫處分兩次對(duì)地下水、析出物、巖樣和水庫(kù)水進(jìn)行了取樣，每次取地下水樣11個(gè)、庫(kù)水樣1個(gè)，取樣位置和分布如下圖所示。

地下水、析出物、巖石、庫(kù)水的取樣位置分布示意圖

3 地下水對(duì)混凝土的侵蝕性機(jī)理及分析

大壩所在地區(qū)為高寒干旱區(qū)，基巖以較強(qiáng)透水能力的棕紅色礫巖為主，筑壩水泥為高摻粉煤灰的硅酸鹽525號(hào)水泥。分解性侵蝕中常數(shù)的取值見(jiàn)表1。對(duì)地下水水樣的pH值、HC O3-的濃度、游離的C O2含量等進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。巖樣及析出物成分見(jiàn)表3。

3.1 分解性侵蝕

3.1.1 一般酸性侵蝕當(dāng)水中含有一定的H+時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生如下溶濾反應(yīng)：

水的pH值越低，酸度越大，即pH值越小于某一數(shù)值，混凝土中的Ca（OH）2分解的越快，特別當(dāng)反應(yīng)生成物為易溶于水的氯化物時(shí)，對(duì)混凝土的酸性腐蝕很強(qiáng)烈。

由于圍水介質(zhì)為礫巖且所用水泥為B類水泥，所以K3取值6.4。把地下水實(shí)測(cè)的pH記為pHexp，在對(duì)所有水樣的pH值進(jìn)行比較后，得出結(jié)論：所有水樣都不具有一般酸性侵蝕。

3.1.2 碳酸性侵蝕

地下水中含有CO2，CO2與混凝土中的Ca（OH）2作用，生成碳酸鈣沉淀：

由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周圍形成一層保護(hù)膜，能防止Ca（OH）2的分解。但是，當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，超量的CO2再與CaCO3反應(yīng)，生成Ca（HCO3）2，并溶于水，即

上述這種反應(yīng)是可逆的：當(dāng)CO2含量增加時(shí)，平衡被破壞，反應(yīng)向右進(jìn)行，固體CaCO3繼續(xù)分解；當(dāng)CO2含量變少時(shí)，反應(yīng)向左移動(dòng)，固體CaCO3沉淀析出。如果CO2和Ca2+的濃度平衡時(shí)，反應(yīng)就停止。因此，當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過(guò)平衡時(shí)所需的數(shù)量時(shí)，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蝕，我們將超過(guò)平衡濃度的游離CO2叫做侵蝕性CO2。地下水中侵蝕性CO2越多，對(duì)混凝土的腐蝕越強(qiáng)。地下水流量、流速都很大時(shí)，CO2易補(bǔ)充，平衡難建立，因而腐蝕加快。另一方面，Ca2+含量越高，對(duì)混凝土腐蝕性越弱。

表1 水對(duì)混凝土的分解性侵蝕鑒定標(biāo)準(zhǔn)

表2 地下水及廊道地下水水樣成分

表3 析出物及基巖巖樣成分

當(dāng)?shù)叵滤杏坞x的C O2含量（mg/L）大于下式的計(jì)算值[C O2]時(shí)，則有碳酸性侵蝕，計(jì)算式為

式中 Ca2+——水中Ca2+的含量，mg/L；

K2——與環(huán)境及混凝土相關(guān)的常數(shù)；

a，b——與HC O3-、SO42-、Cl-濃度相關(guān)的常數(shù)。

一般情況下，在100多m的高壩水庫(kù)，水庫(kù)底層水為還原環(huán)境，沉積在大壩前庫(kù)底的有機(jī)物在微生物的作用下發(fā)生分解，產(chǎn)生大量的CO2、H2S，使水庫(kù)底層水pH值減小，呈酸性。有機(jī)物分解：

基巖沒(méi)有檢測(cè)出HC O3-，則廊道中HC O3-的由來(lái)則主要是由壩前微生物分解的CO2與基巖、地下混凝土建筑中的CaCO3發(fā)生反應(yīng)生成的。這與廊道中HC O3-含量明顯大于水庫(kù)表層水中的HC O3-含量吻合。也與在水庫(kù)表層水沒(méi)有檢測(cè)出侵蝕性CO2的情況下，在廊道排水中檢測(cè)到了侵蝕性CO2符合。

從侵蝕性CO2的含量看，只有SY1、SY2、SY9有侵蝕性CO2檢出，除了地下水樣SY2侵蝕性CO2的含量大于15mg/L，具有弱侵蝕性外，其他地下水水樣都沒(méi)有侵蝕性。

3.1.3 pHs分解性侵蝕

式中 c（HC O3-）——水中HC O3-的量濃度，mmol/L；

K1——與環(huán)境及混凝土相關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)水中的pHexp>pHs時(shí)，水無(wú)分解性侵蝕，當(dāng)pHexp< pHs時(shí)，水有分解性侵蝕。

從表2可以看出，所有水樣的pHexp均大于pHs，所以地下水無(wú)pHs分解性侵蝕。

3.2 結(jié)晶性侵蝕

如果地下水中SO42-的含量超過(guò)規(guī)定值，SO42-將與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成二水石膏結(jié)晶體CaSO4· 2H2O，這種石膏再與水化鋁酸鈣CaOA12O3·6H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，這是一種鋁和鈣的復(fù)合硫酸鹽，習(xí)慣上稱為水泥桿菌。由于水泥桿菌結(jié)合了許多的結(jié)晶水，因而其體積比化合前增大很多，約為原體積的221.86%，于是在混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使混凝土的結(jié)構(gòu)遭受破壞。SO42-含量（mg/L）是結(jié)晶性侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)石門子水庫(kù)大壩所在場(chǎng)地環(huán)境類別侵蝕判別標(biāo)準(zhǔn)，SO42-<250mg/L時(shí)，對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性，SO42-在250～500mg/L時(shí)，有弱侵蝕性，SO42-在500～1500mg/L時(shí)，有中侵蝕性，SO42-＞1500mg/L時(shí)，有強(qiáng)侵蝕性。

對(duì)于SO42-侵蝕，地下水樣SY10屬于強(qiáng)侵蝕性，地下水樣SY4、SY11為中等侵蝕，地下水樣SY5屬于弱侵蝕性，其他部位地下水樣無(wú)侵蝕性。

從部位分析，受水庫(kù)滲流影響較大的右岸，侵蝕性較弱，這主要是庫(kù)水本身SO42-離子含量很低的緣故。SO42-含量比較高的地下水樣大多出現(xiàn)在滲流較小的左岸，壩體中部的地下水樣SY11的SO42-含量也較高?；鶐r中硫元素含量比較少，廊道排水孔地下水中如此高的含硫量，有可能是來(lái)自兩岸地下水對(duì)河谷的補(bǔ)給。水庫(kù)上游巖層存在煤系地層，一般煤中含有無(wú)機(jī)硫化物（FeS2、ZnS、CuFeS2等）、硫酸鹽（BaSO4、CaSO4等）、元素硫、有機(jī)硫化物（硫醇、硫醌、硫醚等）。這些硫化物通過(guò)氧化、微生物作用可以生成硫酸鹽。這些煤系地層中的硫元素在地下水的作用下，向下游遷移，在遷移過(guò)程中同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO42-離子。在壩基排水孔和下游地下水排出處流出。另外一個(gè)可能是由于庫(kù)底有機(jī)物的分解產(chǎn)生的H2S，在兩岸岸坡部位由于水力梯度較大，地下水流速較大，水中溶解氧增加，使H2S氧化，產(chǎn)生SO42-離子。而地下水樣SY11部位SO42-離子較多，可能是由于該處排水孔與底部軟弱夾層及斷層存在水力聯(lián)系，岸坡地下水通過(guò)斷層滲入導(dǎo)致的。同樣是左岸廊道地下水樣，1340m廊道地下水樣SY8中SO42-離子含量與庫(kù)水接近，而明顯小于與其位置靠近的1289m廊道地下水樣SY10中SO42-離子含量。這與硫元素可能來(lái)自庫(kù)底有機(jī)物分解相吻合。

3.3 結(jié)晶、分解復(fù)合性侵蝕

當(dāng)水中的Mg2+、Ca2+、NH4+、Fe3+、Fe2+等弱鹽的硫酸離子含量過(guò)高，特別是MgSO4與混凝土中結(jié)晶的Ca（OH）2反應(yīng)后，容易對(duì)混凝土形成破壞，其反應(yīng)式為

Ca（OH）2與鎂鹽作用的生成物中，Mg（OH）2不易溶解，CaC12則易溶于水，并隨之流失，硬石膏（CaSO4）一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水泥桿菌，另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏，二水石膏在結(jié)晶時(shí)，體積膨脹，破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。

結(jié)晶、分解復(fù)合性侵蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)為弱基硫酸鹽離子Me，Me為水中Mg2+、Ca2+、NH4+、Fe3+、Fe2+等總量或其中主要離子含量。當(dāng)Me>1000mg/L，且滿足Me>K3-[SO42-]時(shí)，具侵蝕性，Me<1000mg/L時(shí)無(wú)侵蝕性。其中，K3由混凝土種類及環(huán)境確定。

從弱基硫酸鹽離子Me的數(shù)據(jù)分析可知，所有取樣點(diǎn)的Me都遠(yuǎn)小于規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)值1000mg/L，因此地下水對(duì)于混凝土均無(wú)結(jié)晶復(fù)合性侵蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在分析地下水對(duì)混凝土建筑物的侵蝕時(shí)，必須結(jié)合建筑物場(chǎng)地所屬的環(huán)境類別，在一定的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下，對(duì)侵蝕原因作出進(jìn)一步的判斷，才能找出相應(yīng)的處理辦法，增加建筑物的耐久性。