外加剂对于抗硫酸盐侵蚀的实验及经济效益对比

2014-02-17王朝晖

水利技术监督 2014年5期

王朝晖

王朝晖

（新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

针对新疆某水电站坝址区水质中硫酸根离子含量，超过“环境水腐蚀判定标准”，进行混凝土配合比及相应抗硫酸盐侵蚀的试验研究并进行经济效益对比。目前试验结果表明，普通水泥+粉煤灰+YK-III矿物外加剂的混凝土配合比方案，其抗硫酸盐侵蚀能力优于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。且发电厂房建筑及金属结构安装工程，原投标报价采用水泥为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。

库区坝址；硫酸根离子超标；实验对比；经济效益对比

1 概述

某水电站位于新疆阿勒泰哈巴河县境内，是额尔齐斯河一级支流—哈巴河规划修建的第三座梯级水电站。

该水电站工程由挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水建筑物及电站厂房等组成。电站主要任务是发电，属大（2）型Ⅱ等工程。

工程由拦河坝、导流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水发电系统、电站厂房等组成，拦河坝为1级建筑物，深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、发电洞为2级建筑物；发电厂房为3级；临时建筑物为4级，抗震设计烈度为Ⅵ度。

2 问题简述

该水电站坝址区，从钻孔地下水水质分析结果看，个别钻孔的地下水中硫酸根离子含量高达1346.70mg/L，这个值超过了“环境水腐蚀判定标准”的最高值（SO42-＜1000 mg/L）。坝址区通过地表测绘、左右岸坝肩平硐、钻孔岩芯述描中发现，在细粒斜长花岗岩、石英斑岩、裂隙面、断裂破碎带中不同程度含有黄铁矿。调查结果表明，造成部分地下水硫酸根离子增高的原因与区内岩石中分布的黄铁矿有关。坝址区基岩和构造带普遍含黄铁矿，而构造带（断层带、挤压带、裂隙密集带）内及附近岩石的黄铁矿含量又明显高于基岩。构造带岩石由于其结构脆弱，在地表环境下与基岩区分布的岩石相比较更容易发生风化破碎，并使得原赋存于构造岩中黄铁矿发生水解氧化而流失，造成岩体疏松和富含硫酸根离子的溶液或地下水。

黄铁矿的主要化学成份为FeS2，金属硫化物在地表氧化环境下，多形成金属氧化物和大量的硫酸根离子（SO42-），而产生的SO42-在与坝基混凝土接触过程中发生化学反应，并产生酸蚀作用，从而破坏坝基混凝土结构，降低其强度，给大坝安全带来隐患。所以各类建筑物混凝土与基岩接触面和灌浆处理以及水库死水位以下的混凝土工程，须考虑硫酸盐腐蚀问题的处理。

3 抗硫酸盐侵蚀试验研究

3.1 水泥混凝土硫酸盐侵蚀的机理分析

硫酸盐侵蚀主要是因为硫酸盐与Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石膏，石膏再与水泥中水化铝酸钙反应，生成水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙含有大量的结晶水，其体积增大为原有水化硫铝酸钙的2.5倍左右，能对水泥石起巨大破坏作用，它呈针状结晶，故常称为“水泥杆菌”，因此硫酸盐反应能引起混凝土的膨胀与破裂。混凝土的侵蚀实质上是对水泥的侵蚀，是侵蚀介质对混凝土中水泥石的侵蚀。

体积膨胀是水泥材料硫酸盐侵蚀的主要劣化模式之一。一般认为体积膨胀的机理是由于外部硫酸根离子与水泥基材料内部水化铝酸钙、单硫型硫铝酸三钙、未水化的铝酸三钙和氢氧化钙等易受侵蚀化合物反应，形成膨胀性的石膏或钙矾石——侵蚀生成物所致。砂浆或混凝土受到硫酸盐溶液侵蚀后，随着硫酸根离子的渗入，孔隙中形成了膨胀性的钙矾石和石膏，产生膨胀应力，作用于孔壁，使试件内部孔隙周围水泥石受到拉应力作用。随着侵蚀时间的延长，侵蚀生成物亦不断增多，应力增大，当孔隙体积已无法容纳侵蚀生成物，或拉应力大于材料的拉伸强度时，内部便产生膨胀性裂缝。而裂缝又使外部硫酸根离子更容易渗入砂浆或混凝土内部，这些过程交替进行，相互促进，形成一个恶性循环。其结果是造成砂浆或混凝土在硫酸盐侵蚀下，其体积随着侵蚀时间的延长而不断膨胀。

从混凝土被硫酸盐侵蚀过程看，降低混凝土中的碱度即Ca(OH)2的浓度、减少水化铝酸钙的含量、降低环境中的硫酸盐含量是减少混凝土被侵蚀的3种有效途径。

按照常规的作法，解决工程中硫酸盐侵蚀问题，一般都是采用高抗硫水泥。但根据委托单位要求，采用高性能混凝土设计理念，就是在普通水泥的混凝土中掺加了YK-III矿物外加剂，同时增大粉煤灰掺量至40%。另外对于高抗硫水泥的混凝土掺加了30%的粉煤灰，也可明显提高混凝土的耐久性及经济性。下面就通过试验比较普通水泥+粉煤灰+YK-III与高抗水泥+粉煤灰两种配合比方案的优劣。

3.2 规范要求

《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287－99）附录G，环境水对混凝土腐蚀评价，环境水腐蚀判定标准如表1所示。

3.3 抗硫酸盐侵蚀试验研究方案

抗硫酸盐侵蚀试验研究方法参考GB749－2008中K法，分别测试不同龄期及不同溶液浓度试件的抗折强度，并计算出其相应龄期的抗侵蚀系数。该试验研究有7种溶液浓度、7个龄期和2个不同水胶比，并增加了高抗硫水泥的对比试验。综合上述共成型245组试件，并分别进行测试。详见表2。

3.4 抗硫酸盐侵蚀试验研究结果

不同水泥、不同溶液浓度、各龄期的抗侵蚀系数试验结果可见表3及表4。通过表3及表4抗侵蚀系数的结果可知：首先，采用普通水泥+粉煤灰+YK-III矿物外加剂的混凝土配合比方案，其抗侵蚀系数在不同浓度溶液中均大于规范要求的0.8，并有一定的富余，证明此配合比方案在抗硫酸盐侵蚀方面是可行的。其次，通过相同水胶比在相同溶液浓度及相同龄期下，普通水泥+粉煤灰+YK-III矿物外加剂与高抗水泥+粉煤灰两方案相比较，前者的抗侵蚀系数基本均大于后者。

目前试验结果表明，普通水泥+粉煤灰+YK-III矿物外加剂的混凝土配合比方案，其抗硫酸盐侵蚀能力优于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。

表1 环境水腐蚀判定标准

表2 抗硫酸盐侵蚀试验研究方案

表3 新疆某水电站发电厂房及金属结构安装工程抗硫酸盐侵蚀试验结果

编号水泥品种粉煤灰 %外加剂% Y K -Ⅲ% 水灰比龄期浓度m g / L 抗折系数龄期d 浓度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