水源連通工程地下水對混凝土的侵蝕機(jī)理分析

阿力木·艾比布

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

1 工程概況

烏蘇市位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域內(nèi)。西與博爾塔拉蒙古自治州為鄰，以托托河為界；南到婆羅科努山分水嶺與伊犁哈薩克自治州相接，東以巴音溝河(下游也稱安集海河)為界，與沙灣縣隔河相望，北與托里縣和克拉瑪依市相連。烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程設(shè)計引水流量為3.5 m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)與《灌排與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288-99)，渠道工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型，渠系建筑物工程級別均為5級。主要建設(shè)內(nèi)容為喇嘛溝抗旱渠道渠線大致呈南北走向，渠線總長12 km，設(shè)計引水流量3.5 m3/s，起點與已建喇嘛溝干渠末端相接，末端與現(xiàn)狀土渠相接，已建喇嘛溝干渠長24.05 km，設(shè)計引水流量3.5 m3/s～20 m3/s，土渠與下游3.8 km處的引洪分水閘相接，引洪分水閘接下游大二泉水庫。渠線沿線兩側(cè)經(jīng)過水塘、三喜水庫、林帶、耕地等，渠線沿線穿過林帶、道路、管道、橋等。本次設(shè)計渠道總長12 km，采用C20F200W4混凝土現(xiàn)澆，其中樁號11+985～12+000為陡坡段，長15 m。

由于跌水及沖坑，現(xiàn)狀渠底局部起伏較大，現(xiàn)場調(diào)查該段為土渠，未做防滲處理，為測得真實地下水位，垂直渠線布置補(bǔ)排剖面，0+000～7+500段地下水埋藏深度大于4 m；7+500～12+000段確定地下水高程379.2 m～345.0 m，由于南部水庫的影響，地下水埋藏深度較淺，一般在地表以下1 m～3 m。

2 地下水對混凝土侵蝕機(jī)理分析

2.1 地下水取樣

為進(jìn)行烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程地下水對基巖和混凝土侵害程度的分析，分別在斷層帶交匯處、斷層和軟弱夾層相交處、基巖分縫處等位置進(jìn)行地下水的取樣，每次取樣10個，取樣位置見圖1。

圖1 地下水取樣位置

2.2 侵蝕機(jī)理

考慮到烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程地處高寒干旱區(qū)域，且基巖主要為透水性強(qiáng)的礫巖，施工材料主要為高摻粉煤灰硅酸鹽525#水泥，混凝土材料分解性侵蝕常數(shù)的取值情況及混凝土侵蝕類型[1]見表1，其中A類水泥指硅酸鹽水泥，B類水泥指含火山灰質(zhì)或礦渣硅酸鹽水泥，pHs表示地下水對混凝土的分解性侵蝕，pHexp表示實測pH值，K1、K2、K3均為與環(huán)境及混凝土相關(guān)的常數(shù)。

2.2.1 分解性侵蝕

若地下水中含有H+離子時，就會與混凝土產(chǎn)生溶濾反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

Ca(OH)2+2H+=Ca2++2H2O

(1)

地下水pH值越低酸性越大，且當(dāng)pH值低于某一界限后，會加速對混凝土中Ca(OH)2的分解，生成易溶于水的氯化物后還會進(jìn)一步加劇對混凝土的酸性腐蝕。烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程圍水介質(zhì)主要是礫巖，所使用的硅酸鹽水泥等級為B級，所以其與環(huán)境及混凝土相關(guān)的常數(shù)K3取6.4。在比較全部水樣pH值后發(fā)現(xiàn)，所有水樣均不具備一般酸性侵蝕。

表1 混凝土材料分解性侵蝕取值標(biāo)準(zhǔn)

工程區(qū)地下水中所含的CO2與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)后會生產(chǎn)碳酸鈣沉淀，反應(yīng)式如下：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O

(2)

考慮到CaCO3具有不溶于水的特性，并能填充在混凝土結(jié)構(gòu)的空隙內(nèi)，進(jìn)而在混凝土結(jié)構(gòu)周圍形成保護(hù)膜，阻止或延緩Ca(OH)2發(fā)生分解。然而，當(dāng)工程區(qū)地下水內(nèi)所包含的CO2含量超出一定范圍后，過多的CO2會與CaCO3發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步生成可溶于水的Ca(HCO3)2，反應(yīng)式如下：

CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3-

(3)

上式中反應(yīng)過程具有可逆性，即隨著CO2含量增大并超出一定界限后，上述反應(yīng)式中的平衡會被打破，固體CaCO3會繼續(xù)分解；而當(dāng)CO2含量減小時，固體物CaCO3會發(fā)生沉淀并析出；當(dāng)CO2和Ca2+處于濃度平衡狀態(tài)時，反應(yīng)會停止。

所以，當(dāng)烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程區(qū)域地下水中CO2含量超出平衡狀態(tài)下的水平時，就會對混凝土中的CaCO3產(chǎn)生溶解和腐蝕作用，出于分析角度考慮，本文將超出平衡狀態(tài)的游離CO2稱為侵蝕性CO2?？梢姡こ虆^(qū)地下水中侵蝕性CO2含量越高，則對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕也越嚴(yán)重。而且工程區(qū)地下水中侵蝕性CO2很容易在地下水流速和流量較大的情況下得到補(bǔ)充，進(jìn)而打破平衡，加速腐蝕。

如果工程區(qū)地下水中游離CO2含量超出[CO2]時，則屬于碳酸性侵蝕[2]，公式如下：

[CO2]=a[Ca2+]+b+K2

(4)

式中：Ca2+為工程區(qū)地下水中Ca2+的含量，mg/L；K2為與工程區(qū)地下水環(huán)境和混凝土相關(guān)的常數(shù)；a、b為與工程區(qū)地下水中HCO3-、SO42-、CO32-等濃度相關(guān)的常數(shù)。

烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程區(qū)地層內(nèi)沉積的有機(jī)物在微生物等的作用下發(fā)生分解后會生成大量的H2S、CO2，導(dǎo)致地下水pH值減小。在微生物等的作用下有機(jī)物分解過程可表示如下：

CH2O+O2=CO2+H2O

(5)

CH2O+H2O=CO2+4H+

(6)

抗旱應(yīng)急水源連通工程基巖中并未檢測出HCO3-，所以地下水中的HCO3-主要來自工程區(qū)地層中微生物所分解的CO2和基巖及建筑物中的CaCO3的化學(xué)反應(yīng)，這種情況與HCO3-含量隨著高程的增大而減小的事實相吻合，也與在工程地層表層中并未檢測出侵蝕性CO2，但是在較深地層中檢測出侵蝕性CO2的事實吻合。

根據(jù)檢測結(jié)果，侵蝕性CO2只在SY1、SY2、SY9中有檢出，其中僅SY2中侵蝕性CO2含量達(dá)到了10 mg/L，具有中～弱侵蝕性，其余監(jiān)測點侵蝕性CO2含量均在1 mg/L以下，對混凝土不具備長期侵蝕性。

地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的pHs分解性侵蝕按照下式確定：

pHs=c(HCO3-)/[0.15c(HCO3-)-0.025]-K1

(7)

式中：c(HCO3-)為工程區(qū)地下水中(HCO3-)的量濃度，mmol/L；K1為與工程區(qū)地下水環(huán)境及混凝土有關(guān)的常數(shù)。將本水源連通工程個取樣點取樣結(jié)果相關(guān)數(shù)值帶入式(7)，結(jié)果見表2。

表2 工程區(qū)地下水水樣成分分析

由表2的匯總結(jié)果可以看出，本抗旱應(yīng)急水源連通工程地下水所有水樣中pHexp>pHs，所以，地下水對工程建筑物無pHs分解性侵蝕。

2.2.2 結(jié)晶性侵蝕

如果本抗旱應(yīng)急水源連通工程地下水中的SO42-含量超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，則其會與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成CaSO4·2H2O結(jié)晶體，該結(jié)晶體會繼續(xù)和水化碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)后生成鋁和鈣的復(fù)合硫酸鹽——水化硫鋁酸鈣。該復(fù)合物質(zhì)因富含結(jié)晶水，其化合后的體積會增大至化合前體積的220.68%，所以，會在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較大應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。所以，本分析主要以SO42-含量作為工程區(qū)混凝土結(jié)晶性侵蝕的主要評價指標(biāo)。

根據(jù)對烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程場區(qū)地下水環(huán)境類別侵蝕判別標(biāo)準(zhǔn)的分析發(fā)現(xiàn)，SO42-含量不足250 mg/L時，對混凝土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生侵蝕，當(dāng)SO42-含量在250 mg/L～500 mg/L范圍時，對混凝土結(jié)構(gòu)有弱侵蝕性，當(dāng)SO42-含量在500 mg/L～1500 mg/L范圍時，對混凝土結(jié)構(gòu)有中等侵蝕性，而當(dāng)SO42-含量超出1500 mg/L時，對混凝土結(jié)構(gòu)有強(qiáng)腐蝕性。根據(jù)表2中的取樣資料可以看出，SY9和SY10取樣點處SO42-對混凝土結(jié)構(gòu)具有中腐蝕性，SY4、SY7、SY8取樣點地下水對混凝土有弱腐蝕性，其余取樣點地下水中SO42-對混凝土均無腐蝕性。

2.2.3 分解+結(jié)晶復(fù)合性侵蝕

如果地下水中Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子含量較高，尤其是MgSO4與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分解+結(jié)晶復(fù)合性侵蝕，反應(yīng)式表示如下：

MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4

(8)

MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2

(9)

Ca(OH)2和Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子的生成物中Mg(OH)2不溶于水，CaCl2溶于水，且會隨水流而流失，CaSO4與混凝土結(jié)構(gòu)中的水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)后生成水化硫鋁酸鈣的同時，還會因遇水而生成二水石膏，該石膏體結(jié)晶后體積迅速膨脹，進(jìn)而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

表示地下水中Mg2+、Ca2+等總量的弱基硫酸鹽離子Me是分解+結(jié)晶復(fù)合性侵蝕的主要評價指標(biāo)。當(dāng)弱基硫酸鹽離子Me含量不足1000 mg/L時，則地下水對混凝土無腐蝕性，而當(dāng)弱基硫酸鹽離子Me含量超過1000 mg/L時，對混凝土結(jié)構(gòu)有侵蝕性。

本抗旱應(yīng)急水源連通工程取樣點中SY2取樣點弱基硫酸鹽離子Me含量略微超出1000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，其余取樣點地下水中弱基硫酸鹽離子Me的含量均在1000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，表明地下水對混凝土均無分解+結(jié)晶復(fù)合性侵蝕。

3 地下水對混凝土侵蝕的應(yīng)對措施

由地質(zhì)報告、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001(2009年修訂版))及《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)等評價標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合本文分析結(jié)果可以看出，地下水對混凝土的腐蝕等級為中～強(qiáng)腐蝕。

為此，本抗旱應(yīng)急水源連通工程采取如下處理方案：樁號0+000～7+500段，采用現(xiàn)澆混凝土板，斷面型式為梯形斷面，渠道底寬1 m，底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現(xiàn)澆混凝土板，底板下設(shè)40 cm厚的砂礫料墊層，邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm，墊層用于隔離土對混凝土腐蝕；樁號7+500～12+000段，采用現(xiàn)澆混凝土板，斷面型式為梯形斷面，渠道底寬1 m，底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現(xiàn)澆混凝土板，底板下設(shè)40 cm厚的砂礫料墊層，邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm，在砂礫石墊層上方鋪設(shè)3 cm砂漿墊層，然后在砂漿墊層上方鋪設(shè)一布一膜，用于隔離土和地下水對混凝土的腐蝕。

4 結(jié)論

本文通過烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源連通工程地下水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在分析環(huán)境地下水對混凝土建筑物結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的侵蝕的過程中，必須結(jié)合工程所在區(qū)域所屬的環(huán)境類別，在充分依據(jù)工程水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上，對引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的地下水類別及原因作出深入判斷，以便找出應(yīng)對措施和處理辦法，積極采取抗腐蝕性能強(qiáng)的水工材料，增加水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的耐久性。