混凝土壩溶蝕質(zhì)量損失研究

胡 維

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330200)

混凝土的溶蝕主要指混凝土在堿性環(huán)境下，其膠凝材料中的鈣離子析出的現(xiàn)象，在溶蝕作用下，混凝土?xí)l(fā)生裂縫、滲漏等現(xiàn)象，危害其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性。近年來，許多專家學(xué)者針對混凝土的溶蝕現(xiàn)象開展相關(guān)研究。

甘磊等人[1]以混凝土防滲墻為研究對象，基于動力學(xué)理論，分析其滲透溶蝕規(guī)律，結(jié)果表明，在溶蝕作用下，防滲墻的滲透系數(shù)最高可增大40倍，嚴(yán)重危害其穩(wěn)定性。郝亞利等人[2]以某水利工程為研究對象，開展溶蝕試驗，并結(jié)合SEM，分析混凝土在溶蝕條件下的微觀性能和力學(xué)性能，結(jié)果表明，在溶蝕初期，混凝土的劣化速度較快。田釗等人[3]以某隧道工程為研究對象，開展室內(nèi)試驗，分析影響影響混凝土溶蝕情況的因素，結(jié)果表明，提高混凝土的砂率可有效提高其抗溶蝕性能。施小飛等人[4]以某水利工程為研究對象，分析在溶蝕條件下，其混凝土的質(zhì)量損失規(guī)律，結(jié)果表明，水灰比對混凝土的溶蝕情況存在一定的影響。王少偉等人[5]建立混凝土壩數(shù)值分析模型，分析在溶蝕作用下，其壩體的變形規(guī)律，結(jié)果表明，在溶蝕作用100年后，其壩頂?shù)奈灰圃鲩L1.7%。

本研究以某水利工程為研究對象，開展淋濾試驗，分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，并結(jié)合固相鈣的分解模型，分析溶蝕作用下混凝土壩的質(zhì)量損失規(guī)律。

1 工程概況

本研究以某水利工程為研究對象，該水利樞紐的開發(fā)任務(wù)為以供水和防洪為主，是兼顧灌溉和發(fā)電的綜合利用樞紐工程。水庫規(guī)模為大(2)型，樞紐包括1座主壩和7座副壩。水庫正常蓄水位108.00或101.00m(終期/近期)，死水位72.00m，汛限水位104.50m/96.0m(終期/近期)，防洪高水位110.51或106.56m(終期/近期P=1%)，設(shè)計洪水位110.52m(P=0.2%)，校核洪水位110.72m(P=0.05%)，總庫容6.05億m3(P=0.05%校核洪水位以下庫容)，興利庫容4.87億m3/2.73億m3(終期/近期)，防洪庫容2.20億m3。其主壩為混凝土重力壩，總長476m，最大壩高75m；7座副壩總長548m，最大壩高26.5m。

2 溶蝕試驗及其質(zhì)量計算方法

為分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，開展淋濾試驗，采用硝酸銨(NH4NO3)溶液模擬混凝土的溶蝕過程，不同工況下的混凝土配比見表1。

表1 混凝土配合比

混凝土的溶蝕主要指混凝土在堿性環(huán)境下，其膠凝材料(CH、C-S-H)中的鈣離子析出的現(xiàn)象，在溶蝕作用下，混凝土?xí)l(fā)生裂縫、滲漏等現(xiàn)象，危害其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性。為分析溶蝕作用下混凝土壩的質(zhì)量損失規(guī)律，本研究基于固相鈣的分解模型，得出計算混凝土壩溶蝕質(zhì)量(M)的公式。

(1)

式中，MCH—Ca(OH)2的摩爾質(zhì)量；ηCH、ηCSH—CH、C-S-H的擴散常數(shù)；κ(s)—固液兩相平衡常數(shù)。

混凝土壩不同材料分區(qū)的計算參數(shù)見表2。

表2 計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

根據(jù)表1的混凝土配合比開展試驗，得混凝土試樣NH4NO3中浸泡時間-歸一化Ca2+含量曲線如圖1所示。由圖可知，隨反應(yīng)時間的增大，不同混凝土配合比下的溶液Ca2+含量逐漸增大，說明此試驗過程這是一個擴散控制的過程。其中，當(dāng)時間為6d′時，工況2的Ca2+含量有最大值，工況1的Ca2+含量有最小值，說明混凝土配合比對其溶蝕情況具有一定的影響。對比不同工況下的Ca2+含量可得，混凝土的水灰比與其Ca2+含量間呈正相關(guān)關(guān)系，說明混凝土的水灰比會影響其溶蝕情況；石灰石的摻量對試驗溶液中Ca2+含量存在一定的影響，但是其影響程度并不顯著。綜合以上分析可得，當(dāng)水灰比較大或或摻入石灰石時，硝酸銨溶液的浸出傳播速率較快，水灰比的影響比石灰石的更為顯著。試樣溶液的Ca2+含量會隨NH4NO3中浸泡的時間及水/水泥的比例增加。當(dāng)水/水泥比例差距較小時，石灰石的加入有助于降低試樣溶液的Ca2+含量；這是因為發(fā)生溶蝕現(xiàn)象后，試樣的孔隙度和孔徑分布增大，導(dǎo)致其滲透率增加。

圖1 浸泡時間-歸一化Ca2+含量曲線

為進一步分析水灰比對混凝土溶蝕現(xiàn)象的影響，研究當(dāng)水華程度為0.6的情況下，不同硅灰(CSF)摻量對混凝土溶蝕過程Ca2+擴散阻力(D(CSF=0)/D)的影響，其水/水泥比(w/c)-擴散阻力(D(CSF=0)/D)曲線如圖2所示。由圖可知，水/水泥比值與Ca2+擴散阻力間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著水/水泥比值的增大，混凝土試驗的Ca2+擴散阻力逐漸減小。不同硅灰摻量間的混凝土Ca2+擴散阻力存在一定的差異性，其中，在同一水/水泥比下，硅灰摻量為2.5%的混凝土試樣Ca2+擴散阻力有最小值，硅灰摻量為10%的混凝土試樣Ca2+擴散阻力有最大值，說明硅灰摻量及混凝土的w/c值對其溶蝕情況存在一定的影響，且當(dāng)w/c值較小時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差距較為明顯，當(dāng)w/c值為0.6時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差值小于0.5；說明當(dāng)混凝土的w/c值較小時，硅灰的摻量變化對于其溶蝕情況的影響較大。當(dāng)w/c值為0.3時，加入10%的硅灰可使擴散系數(shù)降低15倍以上。因此，適當(dāng)采用硅灰混凝土可大幅度增加鋼筋混凝土在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境的使用壽命。

圖2 w/c-D(CSF=0)/D)曲線

通過以上分析可得，混凝土的配合比對其溶蝕情況會產(chǎn)生一定的影響，為分析混凝土壩溶蝕質(zhì)量損失規(guī)律，基于固相鈣的分解模型，計算混凝土壩溶蝕質(zhì)量，并將其計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比，其累計滲流量-Ca2+累計溶出量曲線如圖3所示。由圖可知，累計滲流量與Ca2+累計溶出量間呈正相關(guān)關(guān)系，且模擬值與實測值間的差距較小，說明采用該模型計算得出的混凝土壩溶蝕質(zhì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。Ca2+累計溶出量的實測值均小于模擬值，這是由于，固相鈣的分解模型是基于理想情況下得出的計算結(jié)果，在試驗過程中，存在一定的試驗誤差，導(dǎo)致其試驗結(jié)果偏小。

圖3 累計滲流量-Ca2+累計溶出量曲線

為分析是否考慮固相鈣分解對溶蝕情況計算結(jié)果的影響，對比分析采用固相鈣分解模型與不采用固相鈣分解模型的溶蝕后剩余膠凝物質(zhì)的密度，如圖4所示。由圖可知，隨著距上游側(cè)距離的增大，溶蝕后剩余膠凝物質(zhì)的密度逐漸增大，且當(dāng)距上游側(cè)距離較大時，其曲線變化趨勢逐漸趨于平緩，不同工況下的剩余膠凝物質(zhì)的密度差距并不顯著。對比不同時間下的剩余膠凝物質(zhì)的密度變化可得，溶蝕時間與剩余膠凝物質(zhì)的密度間呈負相關(guān)關(guān)系，說明隨著溶蝕過程的進行，混凝土壩的膠凝材料逐漸減少，其間會產(chǎn)生裂縫等工程質(zhì)量問題，影響工程穩(wěn)定性。采用固相鈣分解模型的剩余膠凝物質(zhì)的密度均大于采用固相鈣分解模型的計算結(jié)果，當(dāng)溶蝕時間較大時，二者間的差異較為明顯。說明采用固相鈣分解模型對混凝土壩的溶蝕情況進行計算可有效提高其結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于溶蝕時間較長的提升效果顯著。

圖4 溶蝕后剩余膠凝物質(zhì)的密度曲線

為分析混凝土壩不同區(qū)域的溶蝕情況，分別計算壩體、帷幕、面板及齒墻的膠凝材料總?cè)芪g量，如圖5所示。由圖可知，隨著溶蝕時間的增大，不同區(qū)域的膠凝材料溶蝕量逐漸增大；其中，面板、帷幕及齒墻的溶蝕時間-膠凝材料總?cè)芪g量曲線近似線性增長趨勢，而壩體的溶蝕時間-膠凝材料總?cè)芪g量曲線近似指數(shù)增長趨勢。在溶蝕過程的前期，壩體的膠凝材料溶蝕量與齒墻的膠凝材料溶蝕量較為接近，隨著溶蝕時間的增大，壩體的膠凝材料溶蝕量增長趨勢顯著，這是由于，混凝土壩的壩體與水體的接觸面積較大，而面板、帷幕及齒墻均存在不同程度的防滲效果，水體的滲透作用使得其發(fā)生的溶蝕現(xiàn)象不顯著，隨著溶蝕時間的增大，壩體內(nèi)部的膠凝材料中的鈣離子析出，使得結(jié)構(gòu)的孔隙增大，使得其溶蝕現(xiàn)象更加顯著。

圖5 不同區(qū)域的膠凝材料總?cè)芪g量

混凝土壩不同區(qū)域的溶蝕時間-溶蝕質(zhì)量占比曲線如圖6所示。由圖可知，隨著溶蝕時間的增大，不同區(qū)域的溶蝕質(zhì)量占比逐漸增大。當(dāng)時間為100a時。齒墻的溶蝕質(zhì)量占比最大，壩體的溶蝕質(zhì)量占比最小，結(jié)合圖5所示的膠凝材料溶蝕量變化曲線可得，壩體的膠凝材料溶蝕總量最大，而其溶蝕質(zhì)量占比最小，這是因為壩體的總質(zhì)量較大，即使其溶蝕量較大，溶蝕質(zhì)量占比仍較小，但是面板、帷幕、齒墻的總質(zhì)量較小，所以溶蝕質(zhì)量占比較大。綜合以上分析可得，由于帷幕與齒墻的溶蝕質(zhì)量占比較大，在實際工程中，應(yīng)重點加強以上兩個區(qū)域的溶蝕情況監(jiān)測，采取相關(guān)措施抑制其溶蝕現(xiàn)象的發(fā)生[6-7]。

圖6 不同區(qū)域的溶蝕時間-溶蝕質(zhì)量占比曲線

4 結(jié)語

本研究以某水利工程為研究對象，開展淋濾試驗，分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，結(jié)合固相鈣的分解模型，分析溶蝕作用下混凝土壩的質(zhì)量損失規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)水灰比較大或或摻入石灰石時，硝酸銨溶液的浸出傳播速率較快，水灰比的影響比石灰石的更為顯著。

(2)硅灰摻量及混凝土的w/c值對其溶蝕情況存在一定的影響，且當(dāng)w/c值較小時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差距較為明顯當(dāng)混凝土的w/c值較小時，硅灰的摻量變化對于其溶蝕情況的影響較大。

(3)帷幕與齒墻的溶蝕質(zhì)量占比較大，工程中應(yīng)重點加強以上兩個區(qū)域的溶蝕情況監(jiān)測，采取相關(guān)措施抑制其溶蝕現(xiàn)象的發(fā)生。