地下水对混凝土的侵蚀性分析.pdf

水利建设 与管理 2 0 1 1 年第 1 期 地下水对渥凝土的键鲤 鬻 姬 刚 ( 玛纳斯塔西河流域管理处 昌吉8 3 2 2 0 0 ) 【 摘要】 本文介绍石门子水库碾压混凝土拱坝坝基地下水及析出物的成分组成， 并就渗水部位、 岩层情况结合侵 蚀性机理， 对石门子水库地下水对大坝混凝土的侵蚀过程进行分析研究。 【 关键词】 碾压混凝土拱坝地下水侵蚀性分析 l引 言 石门子水库大坝位于新疆 昌吉州玛纳斯县境内塔西 河 中游， 是以灌溉为主， 兼有 防洪、 发电、 养殖等综合效益 的中型水库。水库总库容 5 0 1 0万 m ， 水库大坝为碾压混 凝土拱坝 ， 坝高 1 0 9 m， 坝顶宽 5 m， 坝顶高程 1 3 9 4 m。 坝体左右两岸各有一条纵 向垂直于坝轴线的贯穿性 断层带 ， 在右岸还有 4条与断层带水平相交的软弱夹层 ， 地质情况相对复杂。坝体共设三层灌浆廊道 ，分别位于 1 2 8 9 m、 1 3 4 0 m、 1 3 9 4 m高程 ，廊道 内设三排帷幕灌浆孔 ， 呈梅花状分布 ， 廊道下游面设一排排水孑 L 。 2 地下水取样 为分析地下水对基岩及混凝土的侵害程度 ，分别在 两岸廊道与断层带相交处、 断层与软弱夹层相交处 、 坝体 与两岸基岩结合部、 坝体中央分缝处分两次对地下水 、 析 出物、 岩样和水库水进行了取样 ， 每次取地下水样 1 1 个、 库水样 1 个 ， 取样位置和分布如下图所示。 厂厂 ； 。、 二二 I 【S Y 7 S Y 8 右 岸 l J i 危 岸 i 1 j 1 L 1 3 4 I J m 廊道及交通洞示意图 L L 一 焉 右岸 v1 l f z s m廊道及交通洞示意图_ l llr L 12 89 m 廊 道 及 交 通 洞 示 意 图 j j u 地下水、 析 出物、 岩石 、 库水的取样位置分布示意图 s Y 地 下水样 ； XC W析出物 ； Y Y 岩样 3 地 下水对混凝 土的侵蚀性 机理及分 析 大坝所在地 区为高寒干旱区，基岩以较强透水能力 的棕红色砾岩为主， 筑坝水泥为高掺粉煤灰的硅酸盐 5 2 5 号水泥。 分解性侵蚀中常数 的取值见表 1 。 对地下水水样 的 p H值 、 H C 0 3 - 的浓度 、游离的 C O ： 含量等进行测定 ， 检 测结果见表 2 。岩样及析出物成分见表 3 。 3 1分解性侵蚀 3 1 1一般酸性侵蚀 当水中含有一定的 H + 时， 则会产生如下溶滤反应 ： C a ( O H) 2 + 2 H = C a Z + + 2 H2 0 水的 p H值越低 ， 酸度越大 ， 即 p H值越小于某一数 值 ， 混凝土中的 C a ( O H ) ， 分解的越快 ， 特别当反应生成物 为易溶于水的氯化物时 ， 对混凝土的酸性腐蚀很强烈。 由于围水介质为砾岩且所用水泥为 B类水泥 ，所以 取值 6 4 。把地下水实测的 p H记为 p H ， 在对所有水 样的 D H值进行 比较后 ， 得 出结论 ： 所有水样都不具有一 般酸性侵蚀。 3 1 2 碳酸性侵蚀 地下水中含有 C O ： ， C O ： 与混凝土中的 C a( O H) 作 用 ， 生成碳酸钙沉淀 ： Ca 【 OH) 2 + COz =C a C03 +I t 2 0 由于 C a C O 不溶于水 ， 它可填充混凝土的孔隙， 在混 凝土周 围形成一层保护膜 ， 能防止 C a ( O H) ： 的分解。但 是 ， 当地下水 中 C O 的含量超过一定数值时 ， 超量的 C O 再与 C a C O ， 反应 ， 生成 C a ( H C O 3 ) ： ， 并溶于水 ， 即 C a C O3 + H2 0+C 02 _= Ca 2 + + 2 HCO； 上述这种反应是可逆的： 当 C O ： 含量增加时 ， 平衡被 破坏， 反应向右进行 ， 固体 C a C O ， 继续分解 ； 当 C O ： 含量 变少时 ， 反应 向左移动， 固体 C a C O 沉淀析出。如果 C O 姬刚 地下水对混凝土的侵蚀性 分析 5 5 表 1 水 对 混 凝 土 的 分 解 性 侵 蚀 鉴 定 标 准 混凝 土被大块碎石类土含水介质所围 混凝 土被砂类土含水介质所围 侵 蚀 性 指 标 A类水泥 B类水泥 A类 水泥 B类水泥 p Hs p H 时有 p H s 侵蚀性 K O 5 Kl ： O 3 Kl= 1 3 Kl= 1 0 p H i ( 时有酸性侵蚀 = 6 2 6 4 5 2 K 3 = 5 5 I C O n p H s 时，水无分解性侵蚀，当 p H D H s 时 ， 水有分解性侵蚀 。 从表 2可以看出， 所有水样 的 p H 均大于 p Hs ， 所以地 下水无 D H s 分解性侵蚀。 3 2 结晶性侵蚀 如果地下水中 s 0d 2 _ 的含量超过规定值 ， S O ? - 与混凝 土 中的 C a ( O H ) ， 发生反应 ， 生成二水石膏结晶体 C a S O 2 H 2 0，这种石膏再与水化铝酸钙 C a O A 1 O 6 H O发生 化学反应 ， 生成水化硫铝酸钙 ， 这是一种铝和钙 的复合 硫酸盐 ， 习惯上称为水泥杆菌。由于水 泥杆菌结合 了许 多的结 晶水 ， 因而其体积 比化合前增大很多 ， 约为原体 积 的 2 2 1 8 6，于是在混凝 土中产生很大的内应力 ， 使 混凝土的结构遭受破坏。s o ? 一 含量 ( m g L ) 是结 晶性侵蚀 评价指标 。 根据石门子水库大坝所在场地环境类别侵蚀判别标 准 ， s o 2 一 离子。 在坝基排水孔和下游地下水排出处流出。 另外 一 个可能是由于库底有机物的分解产生的 l S ， 在两岸岸 坡部位 由于水力梯度较大 ， 地下水流速较大， 水中溶解氧 增加 ， 使 H 氧化 ， 产生 s o ? 一 离子。而地下水样 S YI 1 部 位 S 0 4 2 - N子较多 ，可能是由于该处排水孔与底部软弱夹 层及断层存在水力联系，岸坡地下水通过断层渗入导致 的。同样是左岸廊道地下水样， 1 3 4 0 m廊道地下水样 S Y 8 中 S 0 4 2 - 离子含量与库水接近 ，而明显小于与其位置靠近 的 1 2 8 9 m廊道地下水样 s Y l 0 中 S O ； - 离子含量。这与硫 元素可能来 自库底有机物分解相吻合。 3 3 结晶 、 分解复合性侵蚀 当水中的 M g 、 c a z + 、 N H + 、 F e 、 F e z + 等弱盐的硫酸离 子 含量过高 ，特别是 Mg S O 与混凝土中结晶的 C a ( O H) ， 反应后 ， 容易对混凝土形成破坏， 其反应式为 Mg S O 4 + C a ( O H) 2 = Mg ( O H) 2 + C a S O 4 Mg C l z + C a ( O H) 2 = Mg ( O H) z + C a C 1 2 C a ( O H) ： 与镁盐作用 的生成物 中， M g ( O H) 不易溶 解 ， C a C 1 ， 则易溶 于水 ， 并随之流失 ， 硬石膏( C a S 0 ) 一方 面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌，另一方 面， 硬石膏遇水后生成二水石膏 ， 二水石膏在结 晶时 ， 体 积膨胀 ， 破坏混凝土的结构 。 结晶、分解复合性侵蚀 的评价指标为弱基硫酸盐离 子 Me ， Me 为水中 M 、 C a 2 + 、 N H 4 + F e 3 + 、 F e 等总量或其中 主要离子含量。当 Me 1 0 0 0 m g L，且满足 Me K， 一 【 S O 4 z _ 】 时， 具侵蚀性 ， Me 1 0 0 0 m g L时无侵蚀性 。 其中， K 3 由混凝 土种类及环境确定 。 从弱基硫酸盐离子 Me的数据分析可知 ， 所有取样点 的 M e 都远小 于规范 中标准值 l O 0 0 m g L ，因此地下水对 于混凝土均无结晶复合性侵蚀。 4结语 综上所述， 在分析地下水对混凝土建筑物 的侵蚀时 ， 必须结合建筑物场地所属的环境类别 ，在一定 的工程地 质与水文地质条件下， 对侵蚀原因作出进一步的判断 ， 才 能找出相应的处理办法 ， 增加建筑物的耐久性。