某水電工程混凝土質(zhì)量檢測、病害分析與治理

翟祥軍，武 玲

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司， 云南 昆明 650033)

某水電站為引水式電站，壩型為混凝土閘壩。運行5年來，廠房混凝土出現(xiàn)了鼓包、滲水、鈣化、剝落等現(xiàn)象，主要在廠房蝶閥層進水閘閥室，此室有機組進水管及閘閥、排水泵設備，后側為水輪機和出水蝸殼，邊墻上為電機支墩[1]。

(1) 廠房蝶閥層出水側邊墻：混凝土墻面出現(xiàn)大面積鼓包、滲水、鈣化、剝落現(xiàn)象，1號進水管下方出現(xiàn)裂縫，長約60 cm，寬約1 mm。剝落現(xiàn)象較嚴重的部位為1號2號水輪機支墩下方、廠房左右邊墻轉(zhuǎn)角處。混凝土剝落處鈣化、潮濕，混凝土失去強度(見圖1)。

圖1 機組處邊墻剝落

(2) 廠房蝶閥層底板：出現(xiàn)大鼓包，面積約1 m2，高出底板約0.3 m，鼓包及周邊裂縫嚴重，現(xiàn)場撬開表面混凝土抹面后，下面混凝土鈣化、滲水、松散，與邊墻現(xiàn)象類似，用30 cm螺絲刀未探到底，未觸碰到鋼筋，拔出螺絲刀后有滲水流出[1]。

1 研究內(nèi)容與檢測方法

對該工程大壩及廠房混凝土分析測試、試驗檢測，詳見表1[1]。

表1 主要檢測內(nèi)容、方法、目的

2 工程實體質(zhì)量檢測與分析

根據(jù)混凝土缺陷的范圍及影響區(qū)域，考慮工程實際運行安全，綜合確定檢測線、檢測區(qū)等無損檢測的位置、數(shù)量。

(1) 混凝土強度檢測。混凝土強度檢測采用超聲回彈法[3]，共布置測區(qū)41個，檢測成果統(tǒng)計見表2。廠房蝶閥層受損較嚴重，左邊墻混凝土強度值高于受損的右邊墻和底板，測區(qū)混凝土檢測強度值標準差較大，混凝土強度整體均一性較差。廠房水輪機層、大壩閘墩頂測區(qū)混凝土檢測強度值標準差較小，混凝土強度整體均一性較好。

表2 混凝土強度(超聲回彈綜合法)

(2) 混凝土密實性檢測。為檢驗檢測數(shù)據(jù)的可靠性，保證檢測最終成果的準確，探地雷達和超聲橫波層析成像法[4]測線有約20%的工作量相互交叉，用于比對檢測。

① 超聲橫波層析成像法檢測，廠房蝶閥層檢測測線共計48條，加密檢測測區(qū)共計3個，結果共發(fā)現(xiàn)23條測線存在輕微不密實現(xiàn)象，段長統(tǒng)計為20.8 m，占測線總比9.0%；共發(fā)現(xiàn)16條測線存在不密實及嚴重不密實現(xiàn)象，段長統(tǒng)計為18.4 m，占測線總比7.9%。加密測區(qū)有2個存在大面積不密實及嚴重不密實現(xiàn)象。廠房蝶閥層不密實性較明顯，廠房水輪機層、大壩閘墩密實性相對較好，檢測結果見表3。

表3 混凝土密實性(超聲橫波層析成像法)

② 探地雷達法檢測，廠房蝶閥層不密實性較明顯，廠房水輪機層、大壩閘墩密實性相對較好。檢測結果與超聲橫波層析成像法一致，檢測結果見表4、圖2。

表4 混凝土密實性(探地雷達法)

圖2 超聲橫波層析成像法典型圖(嚴重不密實)

3 分析測試與試驗研究

該工程建設期砂石骨料來源三個：引水隧洞洞渣、樓臺石料場及壩址附近河段，品質(zhì)有很大差異。引水隧洞洞渣和樓臺石料場巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，壩址附近河段河床中巖石巖性主要為白云巖、灰?guī)r及砂巖，故應對骨料進行堿活性反應篩查。并對骨料和廠房硬化混凝土中剝離骨料、受損混凝土析出物、硬化混凝土中骨料周圍包裹物、硬化混凝土中水泥石礦物成分、化學成分等進行對比分析。

3.1 環(huán)境水水質(zhì)分析

對廠房混凝土裂縫滲漏水及周邊環(huán)境水進行了水質(zhì)分析，分析結果列于表5?；炷亮芽p滲水通道中，水的流動，打破了氫氧化鈣、碳酸鈣等溶解平衡，造成了溶出性侵蝕，并生成了白色沉淀，俗稱流白漿，故混凝土裂縫處存在白色反應物。檢測結果表明，環(huán)境水對混凝土的腐蝕性判定為無腐蝕[5]。

3.2 混凝土骨料堿活性試驗

(1) 用巖相法辨別骨料所含堿活性礦物品種、數(shù)量及可能發(fā)生堿骨料反應類型[6]。從三組樣品鑒定特征看，委托方提供骨料經(jīng)鑒定均為砂質(zhì)板巖，其中微晶或隱晶質(zhì)石英屬堿活性礦物，是否會產(chǎn)生潛在堿活性危害，應結合其他方法綜合判定。廠房蝶閥層破損混凝土芯樣中可見砂質(zhì)板巖，也存在砂巖，所用料為多種巖性骨料混合料(見圖3)。

表5 水質(zhì)分析

(2) 巖石柱法，在規(guī)定條件下測量骨料試件在堿溶液中產(chǎn)生的長度變化，以鑒定其作為混凝土骨料是否具有潛在危害(見表6)。

(3) 混凝土棱柱體法，評定混凝土試件在升溫及潮濕條件養(yǎng)護下，水泥中堿與骨料反應所引起的膨脹是否具有潛在危害，適用于堿-硅酸反應和堿-碳酸鹽反應[7](見表7)。

圖3 骨料巖石薄片、廠房蝶閥層破損混凝土芯樣

表6 骨料堿活性(巖石柱法)

評定標準：浸泡84d試件膨脹率在0.10%以上時，該巖樣應評為具有潛在堿活性危害。

表7 骨料堿活性(混凝土棱柱體法)

評定標準：一年膨脹率等于或大于0.04%時，判定為具有潛在危害性反應活性骨料；膨脹率小于0.04%為非活性骨料。

3.3 化學成分分析

對現(xiàn)場骨料和廠房蝶閥層破損混凝土芯樣中的骨料(剝離骨料)進行化學成分分析[8](見表8)。

表8 骨料化學成分 單位：%

兩種骨料化學成分有很大差異性，委托方提供骨料的SiO2含量較剝離骨料中SiO2含量多了19.67%，且硬化混凝土中剝離骨料的硫化物及硫酸鹽含量超出規(guī)范的技術指標要求。

3.4 微觀分析

為確認混凝土遭受破壞的原因，對三種物質(zhì)進行分析。廠房蝶閥層受損混凝土墻面表面，出現(xiàn)較多白色或黃白色析出物，以下簡稱“混凝土析出物”。受損混凝土骨料周圍包裹了一層白色物質(zhì)，這層物質(zhì)有可能會導致骨料與膠凝材料之間的粘結力降低，從而使混凝土強度降低，以下簡稱“骨料界面包裹物”。廠房蝶閥層受損部位硬化混凝土已經(jīng)遭到破壞，出現(xiàn)骨料及水泥石分離的狀態(tài)，對該部分疏松的硬化混凝土，剔除粗骨料后進行檢測，以下簡稱“硬化混凝土水泥石”。見圖4。

(1) 化學成分分析。對混凝土析出物和骨料界面包裹物進行化學分析[9]，結果見表9。混凝土析出物和骨料界面包裹物主要成分為氧化鈣，燒失量較大，混凝土析出物和骨料界面包裹物化學成分相近。

(2) X-射線衍射(XRD)?；炷廖龀鑫锖凸橇辖缑姘锘瘜W成分相近，故僅對混凝土析出物進行X-射線衍射試驗，其主要物相為CaCO3，X-射線衍射檢測圖譜見圖5。對硬化混凝土水泥石進行X-射線衍射試驗，其主要物相為Thaumasite-Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)6·12H2O、Calcite,syn-CaCO3、Quartz-SiO2[10]，X-射線衍射檢測圖譜見圖6。

圖4 廠房蝶閥層混凝土析出物、硬化混凝土水泥石

表9 析出物化學成分 單位：/%

圖5 混凝土析出物XRD圖譜

圖6 硬化混凝土水泥石XRD圖譜

未發(fā)現(xiàn)典型堿骨料反應產(chǎn)物，現(xiàn)場也未發(fā)現(xiàn)堿骨料反應顯著特征，可以排除堿骨料反應。從受損混凝土的化學成分和XRD物相來看，混凝土可能受到溶出性侵蝕、硫酸鹽侵蝕雙重作用。受損硬化混凝土水泥石中檢出Thaumasite為TSA型(the Thaumasite form of Sulfate Attack)硫酸鹽侵蝕的典型產(chǎn)物，滲水處的白色析出物為典型的鈣化產(chǎn)物[11]。

研究資料表明，TSA型硫酸鹽侵蝕的作用機理大致分為兩種：① 直接由水泥水化產(chǎn)物中的CSH凝膠與硫酸鹽、碳酸鹽在足量水溶液中反應生成；② 由硅鈣礬石過渡相逐漸轉(zhuǎn)化而成。實際的水泥基材料受TSA型硫酸鹽侵蝕時，上述兩種過程都會存在；它們的反應條件非常相似，結果都導致水泥石中CSH的分解和強度的極大損失[12]。大量調(diào)研和研究表明，混凝土遭受此類腐蝕后并沒有明顯的體積膨脹現(xiàn)象，最終結構體強度完全喪失，一捏即碎，變?yōu)橐环N灰白色的、無強度的、果肉狀泥砂混合物；在受侵較輕的混凝土結構的孔隙和裂縫中充滿了白色腐蝕物，沿著骨料周圍形成了白色的暈輪。

4 混凝土芯樣物理力學耐久性能

4.1 抗壓強度、抗拉強度

混凝土芯樣抗壓強度試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》[13](DL/T 5150—2017)進行。首先將芯樣加工成高徑比為1∶1的試件，然后用稠水泥漿對試件進行端面抹平，養(yǎng)護一定時間。試件在試驗前需泡入水中4 d，使達到飽和，檢測結果見表10、表11。

總體來看，廠房第三層蝶閥層劈拉強度標準差最大，可以看出廠房第三層蝶閥層混凝土質(zhì)量總體勻質(zhì)性較差?；炷列緲涌箟簭姸?、劈裂抗拉強度從大到小依次為大壩混凝土>廠房第二層混凝土>廠房第三層蝶閥層混凝土。

表10 混凝土芯樣抗壓強度

表11 混凝土芯樣劈拉強度

4.2 抗剪斷強度

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》[13](DL/T 5150—2017)，首先將芯樣加工成高徑比為1∶1的試件，然后在不同圍壓下進行抗剪斷試驗，通過3塊試件的試驗值進行線性回歸，從而得出該組混凝土芯樣的摩擦系數(shù)和黏聚力(見表12)。從強度曲線來看，試驗數(shù)據(jù)相關性較好(見圖7)。

圖7 混凝土芯樣抗剪關系曲線

表12 混凝土抗剪強度

4.3 靜壓彈模

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》[13](DL/T 5150—2001)中混凝土靜力抗壓彈性模量試驗進行。首先將芯樣加工成高徑比為2∶1的試件，然后用稠水泥漿對試件進行端面抹平，養(yǎng)護一定時間，試驗前泡入水中4 d，使達到飽和，靜壓彈模結果見表13。

表13 混凝土芯樣靜壓彈模

4.4 混凝土芯樣抗?jié)B性試驗

首先將芯樣加工成高150 mm的試件，然后用水泥砂漿對試件加工為上端直徑175 mm、下端直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐體試件。試件養(yǎng)護7 d后，按照規(guī)范進行試驗。大壩6塊混凝土芯樣抗?jié)B等級為W7，廠房6塊混凝土芯樣抗?jié)B等級為W6。

5 結 論

(1) 混凝土本身的抗?jié)B性能滿足要求，滲漏點主要出現(xiàn)在裂縫、施工縫、伸縮縫及破損部位。廠房蝶閥層密實性較廠房水輪機層、大壩閘墩差，其不密實及嚴重不密實區(qū)域主要集中于上游邊墻底向上1.5 m、左邊墻底向上1.5 m、上游左邊墻墻面潮濕區(qū)域、上游底板下段、中游底板下段(凸起部位及周邊)、下游集水井旁左邊平臺邊墻。

(2) 通過骨料堿活性試驗及混凝土微觀分析，排除了堿骨料反應的可能。從破碎混凝土芯樣可知，廠房混凝土所用骨料來源多而雜、品質(zhì)不高，部分剝離骨料的SO3含量嚴重超標，且廠房結構存在滲水通道，這為硫酸鹽侵蝕提供了有利條件[14]。

(3) 現(xiàn)場破損部位與硫酸鹽侵蝕特征相當吻合，經(jīng)對破損混凝土剝離骨料、硬化水泥石、受損混凝土析出物檢測，發(fā)現(xiàn)混凝土受侵蝕后的典型產(chǎn)物Thaumasite和CaCO3，可以確定混凝土遭受了溶出性侵蝕、硫酸鹽侵蝕，硫酸鹽侵蝕導致水泥石中CSH的分解和強度極大損失，一捏即碎，變?yōu)橐环N灰白色的、無強度的、果肉狀泥砂混合物[15]