姬剛

（瑪納斯塔西河流域管理處 昌吉 832200）

地下水對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，對石門子水庫地下水對大壩混凝土的侵蝕過程進(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。水庫總庫容5010萬m3，水庫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地下水、析出物、巖樣和水庫水進(jìn)行了取樣，每次取地下水樣11個(gè)、庫水樣1個(gè)，取樣位置和分布如下圖所示。

地下水、析出物、巖石、庫水的取樣位置分布示意圖

3 地下水對混凝土的侵蝕性機(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)的取值見表1。對地下水水樣的pH值、HC O3-的濃度、游離的C O2含量等進(jìn)行測定，檢測結(jié)果見表2。巖樣及析出物成分見表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)測的pH記為pHexp，在對所有水樣的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，對混凝土腐蝕性越弱。

表1 水對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，水庫底層水為還原環(huán)境，沉積在大壩前庫底的有機(jī)物在微生物的作用下發(fā)生分解，產(chǎn)生大量的CO2、H2S，使水庫底層水pH值減小，呈酸性。有機(jī)物分解：

基巖沒有檢測出HC O3-，則廊道中HC O3-的由來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-含量明顯大于水庫表層水中的HC O3-含量吻合。也與在水庫表層水沒有檢測出侵蝕性CO2的情況下，在廊道排水中檢測到了侵蝕性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)石門子水庫大壩所在場地環(huán)境類別侵蝕判別標(biāo)準(zhǔn)，SO42-<250mg/L時(shí)，對混凝土無侵蝕性，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侵蝕性。

從部位分析，受水庫滲流影響較大的右岸，侵蝕性較弱，這主要是庫水本身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，有可能是來自兩岸地下水對河谷的補(bǔ)給。水庫上游巖層存在煤系地層，一般煤中含有無機(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。這與硫元素可能來自庫底有機(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高，特別是MgSO4與混凝土中結(jié)晶的Ca（OH）2反應(yīng)后，容易對混凝土形成破壞，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，因此地下水對于混凝土均無結(jié)晶復(fù)合性侵蝕。

4 結(jié)語

綜上所述，在分析地下水對混凝土建筑物的侵蝕時(shí)，必須結(jié)合建筑物場地所屬的環(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。