江西省大中型混凝土水库大坝溶出性侵蚀调查研究

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(1.南昌大学 建筑工程学院，南昌　330031; 2.上饶市水利科学研究所，江西 上饶　334000)

1　研究背景

水泥混凝土由于具备低成本、耐水及抗渗性好等特点，已成为大中型水库大坝的主要材料。然而，服役混凝土大坝的耐久性受混凝土组成材料、质量、地理环境、水质条件及水压等因素影响。Ca(OH)2是普通硅酸盐水泥的主要水化产物，它微溶于水的特点使混凝土在水环境下形成溶出性侵蚀，在混凝土坝廊道壁、排水孔出口和集水沟等渗水严重的部位产生白色沉积物，即析钙。由于此侵蚀较为普遍，因而往往被看作正常现象。但混凝土中的Ca(OH)2是保持水泥水化产物稳定、保持强度和抗渗等性能的重要成分。已有研究表明[1]，当水泥石中的Ca(OH)2被侵蚀16%和27%时，抗压强度将分别损失27%和40%；Ca(OH)2被侵蚀>50%时，强度损失殆尽。此外，若坝基回填混凝土中的钙质析出较多，会导致绕坝渗漏溶蚀基岩；帷幕中钙质的析出将使水渗漏量增大，导致坝基扬压增大，而若钙质沉积致孔道阻塞，会使排水孔失效；对于钢筋混凝土，钙质的流失会使钢筋更易锈蚀。这些都会影响大坝的稳定和安全[1-3]，因此混凝土溶出性侵蚀对大坝的危害不可忽视。

江西为水利大省，有大中型混凝土水库大坝数十座，近年人们已在关注混凝土溶出性侵蚀对大坝的危害。如2000年发现宜春市靖安县罗湾大坝施工冷缝缝口钙质流出，廊道内析钙严重[4]；九江市德安县湖塘水库大坝2000年4月份竣工，同年8月份即发现排水廊道渗漏，发电涵管大面积蜂窝状，并有析钙[5]；上饶市广丰县七星水库1995年竣工，2010年发现左坝肩防浪墙转折点裂缝，背水面和廊道内严重析钙。这些水库大坝大多已进行了除险加固。为探讨混凝土溶出性侵蚀的材料、水环境等关系规律，对江西省内大中型混凝土水库大坝溶出性侵蚀情况进行了系统调查，并对现场取样进行测定和分析，为解决水工混凝土结构的溶出性侵蚀问题提供依据。

2　水库大坝溶出性腐蚀情况

2.1　实地调研

2014年4—11月份，选取上饶、宜春、九江、吉安、赣州等地区的35座水库大坝进行实地调研。现场观察大坝混凝土的析钙情况，对水库水、坝体渗出水及析出物进行现场取样。其中有代表性的22座大坝调研情况见表1。

2.2　结果分析

总体上，江西省混凝土和砂浆结构大坝不同程度上存在溶出性侵蚀。调查的35座水库大坝中，溶出性侵蚀比较严重的有七星(图1)、井冈冲(图2)、高店(图3)及大塅等13座水库大坝，其中部分水库大坝已进行过除险加固工程。析钙较严重的水库大坝较多建于20世纪90年代后，少数建于20世纪80年代之前。析钙较轻的大坝多建于20世纪50—80年代，例如赣州市的上犹江和长河坝水库大坝均建于20世纪50年代，至今没有明显渗水，极少析钙。那时的施工技术相对落后，工期长，且只有硅酸盐水泥可用，但因混凝土密实度高，抗渗性好，水库蓄水前经历长时间的碳化作用，使其具有良好的抗溶蚀性能。如今，随着施工机械化水平的提高，泵送混凝土施工量增多，施工速度加快，如果原材料和施工过程控制不严，加之因工期缩短使蓄水期提前，会使溶出性侵蚀反而更严重。此外，遭受溶蚀较严重的七星(坝高71.1 m)、高店(坝高81.5 m)以及井冈冲(坝高92 m)水库大坝坝高均较高，承受的水压较大，使混凝土渗透系数增大，导致抗侵蚀性降低。但同处于上饶地区的下会坑水库大坝高达102.4 m，溶蚀程度却相对较低。这说明坝高并不是溶出性腐蚀的决定因素。

表1　水库大坝实地调研情况Table 1　Field investigation of reservoir dams

图1　七星水库大坝背水面与廊道排水管析钙Fig.1　Calcium precipitated on the negative side ofQixing Dam and in drainage pipe of corridor

图2　井冈冲水库大坝廊道排水沟及排水管积钙Fig.2　Calcium accumulated in drainage ditch andpipe in the corridor of Jinggangchong Dam

图3　高店水库大坝背水面渗水析钙Fig.3　Water penetrating and calcium precipitatingon the negative side of Gaodian Dam

3　取样分析

实地调研时对水库库水、坝体渗出水、坝体背水面、廊道壁面、排水管等处的析出物取样，并在实验室测定析出物及水的pH值、总硬度、Ca2+、侵蚀性CO2、HCO3-、CO32-浓度等参数。

3.1　混凝土析出物分析

对混凝土析出物样品进行X-ray衍射分析，所有析出物的成分基本相同。以铁炉、高店和峡口水库大坝析出物分析为例(图4)，它们的图谱基本相同，主要成分均为CaCO3。混凝土坝中水化产物Ca(OH)2在低碱度环境水下溶出到表面，与空气中的CO2反应生成CaCO3，这是典型的混凝土溶出性侵蚀。Ca(OH)2溶出使混凝土的碱度降低，而水泥的水化产物一般在较高的碱度环境中才能稳定存在，如果混凝土孔隙内溶液的碱度小于水化产物的极限碱度，则其中的Ca(OH)2、水化硅酸钙及水化铝酸钙等水化产物将会被进一步溶解或分解，使混凝土结构酥松，强度降低。这就是导致混凝土坝溶出性腐蚀日益加重的原因。

图4　大坝析出物X-ray衍射图谱Fig.4　X-ray diffraction diagram of precipitates

3.2　水样分析

在实验室对库水、坝后渗水、廊道渗水、排水管出水等水样进行化学分析，结果见表2。

根据GB 50287—2006[6]，环境水中HCO3-浓度<1.07 mmol/L(即HCO3-浓度<42.7 mg/L),为中等溶出型侵蚀;1.07 mg/L≥HCO3-浓度>0.7 mmol/L(即65.27 mg/L≥HCO3-浓度> 42.7 mg/L),为弱溶出型侵蚀；环境水中15 mg/L≤侵蚀性CO2浓度<30 mg/L，为弱碳酸型腐蚀。由表2可知，江西省内大中型水库库水大多具中等溶出性侵蚀，个别具弱溶出性侵蚀；另外，部分水库水质具弱碳酸型腐蚀，如七星、峡口、高店、大锻等水库。

从理论上来讲，如果水从混凝土中渗出时溶有Ca(OH)2，则渗水中的pH值、Ca2+浓度、总硬度等会增大。Ca(OH)2溶出量越大(即溶出性侵蚀越严重)，渗水中这些值越高。已有研究也表明[1]，溶蚀可导致渗水呈碱性甚至强碱性。由表2可知，与库水相比,多数大坝廊道渗水或坝基、坝后渗水的pH值、Ca2+浓度、总硬度大大提高，特别是七星、小湾、香坪、井冈冲、大塅、龙潭等水库大坝渗水的pH值、总硬度、Ca2+以及OH-浓度比水库水显著增大，个别坝渗水的总硬度、Ca2+浓度增大30倍，说明这些大坝遭受严重的溶出性侵蚀。需要注意的是这些水库大坝中多数近年内进行过除险加固。

图5为部分水库库水与大坝渗水的pH值和Ca2+浓度对比。由图可看出，各地水库库水的pH值、Ca2+浓度差别不大，但大坝渗水pH值、Ca2+浓度差异很大，有的与库水接近，但有的比库水高2个数量级，说明各坝的溶蚀程度差异很大。

从水库水质看，库水中HCO3-浓度普遍偏低，为中等溶出型侵蚀(HCO3-浓度<42.7 mg/L)，甚至有些水库如七星、小湾、香坪、大塅、龙潭、井冈冲等的库水HCO3-浓度<30 mg/L，这些水库大坝正好溶蚀最严重，因此环境水中的HCO3-浓度对腐蚀有较大影响；所有库水的总硬度均<60 mg/L，属于软水，pH值多数>7，个别水库如小湾、湖塘、林泉、垅涧里、双溪、双河口等的库水pH值>8，但它们似乎与大坝的腐蚀程度无规律性。

(2)在斜开式安全岛上通过划分区域分离东西流向的过街行人流，在此处设置行人二次过街警示牌、交通标志等，并且定期整理在安全岛附近中央分隔带两旁的植被，减少对调头车辆的视线影响。

表2　现场调研所取水样的分析结果Table 2　Analytical results of water samples from field investigation

图5　部分水库库水与坝渗水的pH值和Ca2+浓度对比Fig.5　Comparison of pH value and Ca2+ concentrationbetween reservoir water and penetrated water fromdams

部分水库大坝近年内进行过除险加固，如七星、大塅和井冈冲水库大坝于2011—2012年进行坝体帷幕灌浆和增加迎水面防渗面板等除险加固工程，但加固工程后大坝渗水的Ca2+浓度分别为水库库水的7.0，3.7，16.8倍，溶蚀仍十分严重。这3座水库大坝都属于中等溶出性腐蚀水质，其中七星水库大坝的库水中HCO3-浓度最低(几乎测不出其浓度)，且伴有弱碳酸盐侵蚀，属于最严重的腐蚀条件。但从腐蚀严重程度看，加固工程后井冈冲水库大坝的腐蚀最为严重。随着渗透的持续，孔隙中的石灰浓度可能降到临界极限浓度下，从而使水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化铁酸钙等水化产物分解，由高钙的水化产物转化成低钙的水化产物，甚至分解成完全失去胶结能力的氧化物和氢氧化物，将危及大坝的结构承载力和挡水功能[7-8]。另外，水质检测发现龙潭、仙人陂、上犹江、高店等部分水库库水中含有一定量的侵蚀性CO2，具有弱碳酸性侵蚀性(15 mg/L<侵蚀性CO2浓度<30 mg/L)。即水泥石中的Ca(OH)2与水中游离CO2起化学反应，生成易溶于水的Ca(HCO3)2。在这种情况下混凝土遭受溶出性侵蚀、碳酸性侵蚀双重侵蚀，Ca(OH)2的累计溶出量可能为仅遭受软水侵蚀的2倍。

环境水的HCO3-浓度低是导致混凝土坝溶出性腐蚀的外因，但混凝土材料的组成和配比、施工质量以及养护条件和时间等是决定材料抗溶蚀的内因，且是决定性因素。从已有研究看，对水泥石中钙离子的迁移动力、微观溶出机理及抑制溶出腐蚀的途径等还不十分清楚。庞晓赟[9]研究了多场多离子迁移理论，讨论了水泥基孔隙材料中的多场环境、固液平衡和气液平衡等基本条件，结果表明纯水泥胶凝体系的混凝土材料比加入矿物掺合料的胶凝体系具有更好的抗溶蚀能力。李新宇等[10]对混凝土渗透溶蚀过程中钙离子迁移过程进行数值模拟研究，结果表明混凝土渗透性是影响混凝土渗透溶蚀特性的关键因素。阮燕等[11]认为，适量粉煤灰可改善碾压混凝土的抗渗透溶蚀性能，但粉煤灰掺量增大将使表面溶蚀量增大。本课题组何雯[12]也进行了钙溶出和强度对比试验，结果表明添加粉煤灰、矿粉、抛光渣等矿物掺合料可在一定程度上抑制溶蚀。因此，对于水工混凝土，其溶蚀问题还需进行深入研究。

4　结　论

(1)江西省内大中型混凝土水库大坝遭受不同程度溶出性侵蚀。总体上，20世纪50—60年代修建的水库大坝抗溶蚀性较近20 a修建的大坝普遍要好；高坝比低坝溶蚀相对严重。

(2)环境水质，特别是库水的HCO3-浓度是影响混凝土溶蚀的重要因素，但它并不是决定因素。同处于中等溶出性侵蚀水环境，混凝土组成、配合比和施工质量、养护时间等对混凝土耐侵蚀性有重要影响。

(3)近年内进行过除险加固的水库大坝，部分仍存在较严重的溶蚀。从已有研究看，对水泥石中钙离子的迁移动力、微观溶出机理及抑制溶蚀的途径等还不十分清楚。为提高水工混凝土的耐久性，亟需对溶出性腐蚀问题进行深入系统的研究。

参考文献：

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[5]马秀峰，熊冲玮. 湖塘水库大坝混凝土的质量检测及分析[J]. 江西水利科技，2001, 27(增)：53-57.

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[7]刘娟红，梁文泉. 土木工程材料[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[8]王海龙，郭春伶，孙晓燕，等. 软水侵蚀混凝土的性能劣化细观机理[J]. 浙江大学学报(工学版)，2012，46(10)：1887-1892.

[9]庞晓赟. 水泥基孔隙材料多场多离子迁移过程研究[D]. 北京：清华大学, 2015.

[10] 李新宇,方坤河. 混凝土渗透溶蚀过程中钙离子迁移过程数值模拟[J]. 长江科学院院报，2008，25(6)：96-100.

[11] 阮燕，方坤河，曾力，等. 粉煤灰对碾压混凝土溶蚀特性的影响[C]∥第五届碾压混凝土坝国际研讨会论文集(上册). 贵阳：贵州省科学技术协会，2007：484-490.

[12] 何雯. 江西省大中型水库大坝溶出性侵蚀调查及研究[D]. 南昌：南昌大学，2015.