王朝暉

外加劑對(duì)于抗硫酸鹽侵蝕的實(shí)驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

王朝暉

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

針對(duì)新疆某水電站壩址區(qū)水質(zhì)中硫酸根離子含量，超過(guò)“環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)”，進(jìn)行混凝土配合比及相應(yīng)抗硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)研究并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。目前試驗(yàn)結(jié)果表明，普通水泥+粉煤灰+YK-III礦物外加劑的混凝土配合比方案，其抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。且發(fā)電廠房建筑及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程，原投標(biāo)報(bào)價(jià)采用水泥為42.5高抗硫水泥，后用YK-Ⅲ代替高抗硫水泥，降低了施工成本。

庫(kù)區(qū)壩址；硫酸根離子超標(biāo)；實(shí)驗(yàn)對(duì)比；經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

1 概 述

某水電站位于新疆阿勒泰哈巴河縣境內(nèi)，是額爾齊斯河一級(jí)支流—哈巴河規(guī)劃修建的第三座梯級(jí)水電站。

該水電站工程由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物及電站廠房等組成。電站主要任務(wù)是發(fā)電，屬大（2）型Ⅱ等工程。

工程由攔河壩、導(dǎo)流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)、電站廠房等組成，攔河壩為1級(jí)建筑物，深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、發(fā)電洞為2級(jí)建筑物；發(fā)電廠房為3級(jí)；臨時(shí)建筑物為4級(jí)，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度。

2 問(wèn)題簡(jiǎn)述

該水電站壩址區(qū)，從鉆孔地下水水質(zhì)分析結(jié)果看，個(gè)別鉆孔的地下水中硫酸根離子含量高達(dá)1346.70mg/L，這個(gè)值超過(guò)了“環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)”的最高值（SO42-＜1000 mg/L）。壩址區(qū)通過(guò)地表測(cè)繪、左右岸壩肩平硐、鉆孔巖芯述描中發(fā)現(xiàn)，在細(xì)粒斜長(zhǎng)花崗巖、石英斑巖、裂隙面、斷裂破碎帶中不同程度含有黃鐵礦。調(diào)查結(jié)果表明，造成部分地下水硫酸根離子增高的原因與區(qū)內(nèi)巖石中分布的黃鐵礦有關(guān)。壩址區(qū)基巖和構(gòu)造帶普遍含黃鐵礦，而構(gòu)造帶（斷層帶、擠壓帶、裂隙密集帶）內(nèi)及附近巖石的黃鐵礦含量又明顯高于基巖。構(gòu)造帶巖石由于其結(jié)構(gòu)脆弱，在地表環(huán)境下與基巖區(qū)分布的巖石相比較更容易發(fā)生風(fēng)化破碎，并使得原賦存于構(gòu)造巖中黃鐵礦發(fā)生水解氧化而流失，造成巖體疏松和富含硫酸根離子的溶液或地下水。

黃鐵礦的主要化學(xué)成份為FeS2，金屬硫化物在地表氧化環(huán)境下，多形成金屬氧化物和大量的硫酸根離子（SO42-），而產(chǎn)生的SO42-在與壩基混凝土接觸過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生酸蝕作用，從而破壞壩基混凝土結(jié)構(gòu)，降低其強(qiáng)度，給大壩安全帶來(lái)隱患。所以各類建筑物混凝土與基巖接觸面和灌漿處理以及水庫(kù)死水位以下的混凝土工程，須考慮硫酸鹽腐蝕問(wèn)題的處理。

3 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究

3.1 水泥混凝土硫酸鹽侵蝕的機(jī)理分析

硫酸鹽侵蝕主要是因?yàn)榱蛩猁}與Ca(OH)2及水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成石膏，石膏再與水泥中水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，水化硫鋁酸鈣含有大量的結(jié)晶水，其體積增大為原有水化硫鋁酸鈣的2.5倍左右，能對(duì)水泥石起巨大破壞作用，它呈針狀結(jié)晶，故常稱為“水泥桿菌”，因此硫酸鹽反應(yīng)能引起混凝土的膨脹與破裂。混凝土的侵蝕實(shí)質(zhì)上是對(duì)水泥的侵蝕，是侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土中水泥石的侵蝕。

體積膨脹是水泥材料硫酸鹽侵蝕的主要劣化模式之一。一般認(rèn)為體積膨脹的機(jī)理是由于外部硫酸根離子與水泥基材料內(nèi)部水化鋁酸鈣、單硫型硫鋁酸三鈣、未水化的鋁酸三鈣和氫氧化鈣等易受侵蝕化合物反應(yīng)，形成膨脹性的石膏或鈣礬石——侵蝕生成物所致。砂漿或混凝土受到硫酸鹽溶液侵蝕后，隨著硫酸根離子的滲入，孔隙中形成了膨脹性的鈣礬石和石膏，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，作用于孔壁，使試件內(nèi)部孔隙周圍水泥石受到拉應(yīng)力作用。隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，侵蝕生成物亦不斷增多，應(yīng)力增大，當(dāng)孔隙體積已無(wú)法容納侵蝕生成物，或拉應(yīng)力大于材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部便產(chǎn)生膨脹性裂縫。而裂縫又使外部硫酸根離子更容易滲入砂漿或混凝土內(nèi)部，這些過(guò)程交替進(jìn)行，相互促進(jìn)，形成一個(gè)惡性循環(huán)。其結(jié)果是造成砂漿或混凝土在硫酸鹽侵蝕下，其體積隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷膨脹。

從混凝土被硫酸鹽侵蝕過(guò)程看，降低混凝土中的堿度即Ca(OH)2的濃度、減少水化鋁酸鈣的含量、降低環(huán)境中的硫酸鹽含量是減少混凝土被侵蝕的3種有效途徑。

按照常規(guī)的作法，解決工程中硫酸鹽侵蝕問(wèn)題，一般都是采用高抗硫水泥。但根據(jù)委托單位要求，采用高性能混凝土設(shè)計(jì)理念，就是在普通水泥的混凝土中摻加了YK-III礦物外加劑，同時(shí)增大粉煤灰摻量至40%。另外對(duì)于高抗硫水泥的混凝土摻加了30%的粉煤灰，也可明顯提高混凝土的耐久性及經(jīng)濟(jì)性。下面就通過(guò)試驗(yàn)比較普通水泥+粉煤灰+YK-III與高抗水泥+粉煤灰兩種配合比方案的優(yōu)劣。

3.2 規(guī)范要求

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287－99）附錄G，環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕評(píng)價(jià)，環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3.3 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究方案

抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究方法參考GB749－2008中K法，分別測(cè)試不同齡期及不同溶液濃度試件的抗折強(qiáng)度，并計(jì)算出其相應(yīng)齡期的抗侵蝕系數(shù)。該試驗(yàn)研究有7種溶液濃度、7個(gè)齡期和2個(gè)不同水膠比，并增加了高抗硫水泥的對(duì)比試驗(yàn)。綜合上述共成型245組試件，并分別進(jìn)行測(cè)試。詳見表2。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究結(jié)果

不同水泥、不同溶液濃度、各齡期的抗侵蝕系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可見表3及表4。通過(guò)表3及表4抗侵蝕系數(shù)的結(jié)果可知：首先，采用普通水泥+粉煤灰+YK-III礦物外加劑的混凝土配合比方案，其抗侵蝕系數(shù)在不同濃度溶液中均大于規(guī)范要求的0.8，并有一定的富余，證明此配合比方案在抗硫酸鹽侵蝕方面是可行的。其次，通過(guò)相同水膠比在相同溶液濃度及相同齡期下，普通水泥+粉煤灰+YK-III礦物外加劑與高抗水泥+粉煤灰兩方案相比較，前者的抗侵蝕系數(shù)基本均大于后者。

目前試驗(yàn)結(jié)果表明，普通水泥+粉煤灰+YK-III礦物外加劑的混凝土配合比方案，其抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。

表1 環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)

表2 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究方案

表3 新疆某水電站發(fā)電廠房及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào) 水泥品種 粉煤灰 %外加劑% Y K -Ⅲ% 水灰比齡期濃度m g / L 抗折系數(shù)齡期d 濃度m g / L 0 / 0 1 0 0 0 1 . 0 3 1 0 0 0 2 5 0 0 1 . 0 3 2 5 0 0 J -4 P . H S R 4 2 . 5 3 0 1 / 0 . 4 0 2 8 4 0 0 0 1 . 0 6 4 0 0 0 6 0 8 0 0 0 1 . 0 6 8 0 0 0 1 0 0 0 0 0 . 9 5 1 0 0 0 0 2 0 2 5 0 1 . 0 1 2 0 2 5 0 0 / 0 1 0 0 0 1 . 2 7 1 0 0 0 2 5 0 0 1 . 2 3 2 5 0 0 J -5 P . O 4 2 . 5 4 0 1 4 . 5 0 . 5 0 2 8 4 0 0 0 1 . 3 7 4 0 0 0 6 0 8 0 0 0 1 . 2 3 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 . 0 8 1 0 0 0 0 2 0 2 5 0 1 . 0 9 2 0 2 5 0

表5 C25F300W6（高抗硫水泥）基礎(chǔ)混凝土單價(jià)

表6 C25F300W6（YK-Ⅲ）基礎(chǔ)混凝土單價(jià)

4 效益分析

該水電站發(fā)電廠房建筑及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程，原投標(biāo)報(bào)價(jià)采用水泥為42.5高抗硫水泥，后用YK-Ⅲ代替高抗硫水泥后，降低了施工成本，現(xiàn)將該水電站廠房工程混凝土用YK-Ⅲ代替高抗硫水泥后經(jīng)濟(jì)分析如下。

（1）高抗硫和普硅水泥運(yùn)距約40km。

（2）42.5高抗硫水泥預(yù)算價(jià)為840元/t，普硅42.5水泥為480元/t，兩種水泥同為市場(chǎng)價(jià)。

（3）砂子和石子統(tǒng)一按投標(biāo)文件報(bào)價(jià)48元/m3。

（4）混凝土基礎(chǔ)價(jià)計(jì)算依據(jù)：實(shí)驗(yàn)室所提供的施工配合比計(jì)算。

同一強(qiáng)度等級(jí)和級(jí)配的混凝土基礎(chǔ)單價(jià)比較見表5、表6。

通過(guò)以上比較，每方混凝土節(jié)約成本約：315.15元/m3-295.83元/m3=19.32元/m3。

該工程所用高抗硫混凝土量約為6萬(wàn)方，節(jié)省成本約：6萬(wàn)元×19.32元/m3=115.92萬(wàn)元。

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.05.018

TU502

A

1008-1305（2014）05-0051-04

王朝暉（1972年－），女，工程師。