水源连通工程地下水对混凝土的侵蚀机理分析

阿力木·艾比布

(新疆乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000)

1 工程概况

乌苏市位于新疆准噶尔盆地西南边缘的天山北坡经济带区域内。西与博尔塔拉蒙古自治州为邻，以托托河为界；南到婆罗科努山分水岭与伊犁哈萨克自治州相接，东以巴音沟河(下游也称安集海河)为界，与沙湾县隔河相望，北与托里县和克拉玛依市相连。乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程设计引水流量为3.5 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)与《灌排与排水工程设计规范》(GB 50288-99)，渠道工程规模为Ⅳ等小(1)型，渠系建筑物工程级别均为5级。主要建设内容为喇嘛沟抗旱渠道渠线大致呈南北走向，渠线总长12 km，设计引水流量3.5 m3/s，起点与已建喇嘛沟干渠末端相接，末端与现状土渠相接，已建喇嘛沟干渠长24.05 km，设计引水流量3.5 m3/s～20 m3/s，土渠与下游3.8 km处的引洪分水闸相接，引洪分水闸接下游大二泉水库。渠线沿线两侧经过水塘、三喜水库、林带、耕地等，渠线沿线穿过林带、道路、管道、桥等。本次设计渠道总长12 km，采用C20F200W4混凝土现浇，其中桩号11+985～12+000为陡坡段，长15 m。

由于跌水及冲坑，现状渠底局部起伏较大，现场调查该段为土渠，未做防渗处理，为测得真实地下水位，垂直渠线布置补排剖面，0+000～7+500段地下水埋藏深度大于4 m；7+500～12+000段确定地下水高程379.2 m～345.0 m，由于南部水库的影响，地下水埋藏深度较浅，一般在地表以下1 m～3 m。

2 地下水对混凝土侵蚀机理分析

2.1 地下水取样

为进行乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程地下水对基岩和混凝土侵害程度的分析，分别在断层带交汇处、断层和软弱夹层相交处、基岩分缝处等位置进行地下水的取样，每次取样10个，取样位置见图1。

图1 地下水取样位置

2.2 侵蚀机理

考虑到乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程地处高寒干旱区域，且基岩主要为透水性强的砾岩，施工材料主要为高掺粉煤灰硅酸盐525#水泥，混凝土材料分解性侵蚀常数的取值情况及混凝土侵蚀类型[1]见表1，其中A类水泥指硅酸盐水泥，B类水泥指含火山灰质或矿渣硅酸盐水泥，pHs表示地下水对混凝土的分解性侵蚀，pHexp表示实测pH值，K1、K2、K3均为与环境及混凝土相关的常数。

2.2.1 分解性侵蚀

若地下水中含有H+离子时，就会与混凝土产生溶滤反应，反应式如下：

Ca(OH)2+2H+=Ca2++2H2O

(1)

地下水pH值越低酸性越大，且当pH值低于某一界限后，会加速对混凝土中Ca(OH)2的分解，生成易溶于水的氯化物后还会进一步加剧对混凝土的酸性腐蚀。乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程围水介质主要是砾岩，所使用的硅酸盐水泥等级为B级，所以其与环境及混凝土相关的常数K3取6.4。在比较全部水样pH值后发现，所有水样均不具备一般酸性侵蚀。

表1 混凝土材料分解性侵蚀取值标准

工程区地下水中所含的CO2与混凝土中的Ca(OH)2发生反应后会生产碳酸钙沉淀，反应式如下：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O

(2)

考虑到CaCO3具有不溶于水的特性，并能填充在混凝土结构的空隙内，进而在混凝土结构周围形成保护膜，阻止或延缓Ca(OH)2发生分解。然而，当工程区地下水内所包含的CO2含量超出一定范围后，过多的CO2会与CaCO3发生反应，进一步生成可溶于水的Ca(HCO3)2，反应式如下：

CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3-

(3)

上式中反应过程具有可逆性，即随着CO2含量增大并超出一定界限后，上述反应式中的平衡会被打破，固体CaCO3会继续分解；而当CO2含量减小时，固体物CaCO3会发生沉淀并析出；当CO2和Ca2+处于浓度平衡状态时，反应会停止。

所以，当乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程区域地下水中CO2含量超出平衡状态下的水平时，就会对混凝土中的CaCO3产生溶解和腐蚀作用，出于分析角度考虑，本文将超出平衡状态的游离CO2称为侵蚀性CO2。可见，工程区地下水中侵蚀性CO2含量越高，则对混凝土结构的腐蚀也越严重。而且工程区地下水中侵蚀性CO2很容易在地下水流速和流量较大的情况下得到补充，进而打破平衡，加速腐蚀。

如果工程区地下水中游离CO2含量超出[CO2]时，则属于碳酸性侵蚀[2]，公式如下：

[CO2]=a[Ca2+]+b+K2

(4)

式中：Ca2+为工程区地下水中Ca2+的含量，mg/L；K2为与工程区地下水环境和混凝土相关的常数；a、b为与工程区地下水中HCO3-、SO42-、CO32-等浓度相关的常数。

乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程区地层内沉积的有机物在微生物等的作用下发生分解后会生成大量的H2S、CO2，导致地下水pH值减小。在微生物等的作用下有机物分解过程可表示如下：

CH2O+O2=CO2+H2O

(5)

CH2O+H2O=CO2+4H+

(6)

抗旱应急水源连通工程基岩中并未检测出HCO3-，所以地下水中的HCO3-主要来自工程区地层中微生物所分解的CO2和基岩及建筑物中的CaCO3的化学反应，这种情况与HCO3-含量随着高程的增大而减小的事实相吻合，也与在工程地层表层中并未检测出侵蚀性CO2，但是在较深地层中检测出侵蚀性CO2的事实吻合。

根据检测结果，侵蚀性CO2只在SY1、SY2、SY9中有检出，其中仅SY2中侵蚀性CO2含量达到了10 mg/L，具有中～弱侵蚀性，其余监测点侵蚀性CO2含量均在1 mg/L以下，对混凝土不具备长期侵蚀性。

地下水对混凝土结构的pHs分解性侵蚀按照下式确定：

pHs=c(HCO3-)/[0.15c(HCO3-)-0.025]-K1

(7)

式中：c(HCO3-)为工程区地下水中(HCO3-)的量浓度，mmol/L；K1为与工程区地下水环境及混凝土有关的常数。将本水源连通工程个取样点取样结果相关数值带入式(7)，结果见表2。

表2 工程区地下水水样成分分析

由表2的汇总结果可以看出，本抗旱应急水源连通工程地下水所有水样中pHexp>pHs，所以，地下水对工程建筑物无pHs分解性侵蚀。

2.2.2 结晶性侵蚀

如果本抗旱应急水源连通工程地下水中的SO42-含量超出设计标准，则其会与混凝土中的Ca(OH)2发生化学反应并生成CaSO4·2H2O结晶体，该结晶体会继续和水化碳酸钙发生反应后生成铝和钙的复合硫酸盐——水化硫铝酸钙。该复合物质因富含结晶水，其化合后的体积会增大至化合前体积的220.68%，所以，会在混凝土结构内产生较大应力，导致结构破坏。所以，本分析主要以SO42-含量作为工程区混凝土结晶性侵蚀的主要评价指标。

根据对乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程场区地下水环境类别侵蚀判别标准的分析发现，SO42-含量不足250 mg/L时，对混凝土结构不产生侵蚀，当SO42-含量在250 mg/L～500 mg/L范围时，对混凝土结构有弱侵蚀性，当SO42-含量在500 mg/L～1500 mg/L范围时，对混凝土结构有中等侵蚀性，而当SO42-含量超出1500 mg/L时，对混凝土结构有强腐蚀性。根据表2中的取样资料可以看出，SY9和SY10取样点处SO42-对混凝土结构具有中腐蚀性，SY4、SY7、SY8取样点地下水对混凝土有弱腐蚀性，其余取样点地下水中SO42-对混凝土均无腐蚀性。

2.2.3 分解+结晶复合性侵蚀

如果地下水中Mg2+、Ca2+等弱盐性硫酸离子含量较高，尤其是MgSO4与混凝土中的Ca(OH)2发生化学反应后，会对混凝土结构产生分解+结晶复合性侵蚀，反应式表示如下：

MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4

(8)

MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2

(9)

Ca(OH)2和Mg2+、Ca2+等弱盐性硫酸离子的生成物中Mg(OH)2不溶于水，CaCl2溶于水，且会随水流而流失，CaSO4与混凝土结构中的水化铝酸钙发生反应后生成水化硫铝酸钙的同时，还会因遇水而生成二水石膏，该石膏体结晶后体积迅速膨胀，进而引起混凝土结构的破坏。

表示地下水中Mg2+、Ca2+等总量的弱基硫酸盐离子Me是分解+结晶复合性侵蚀的主要评价指标。当弱基硫酸盐离子Me含量不足1000 mg/L时，则地下水对混凝土无腐蚀性，而当弱基硫酸盐离子Me含量超过1000 mg/L时，对混凝土结构有侵蚀性。

本抗旱应急水源连通工程取样点中SY2取样点弱基硫酸盐离子Me含量略微超出1000 mg/L的标准，其余取样点地下水中弱基硫酸盐离子Me的含量均在1000 mg/L的标准内，表明地下水对混凝土均无分解+结晶复合性侵蚀。

3 地下水对混凝土侵蚀的应对措施

由地质报告、《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001(2009年修订版))及《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)等评价标准，并结合本文分析结果可以看出，地下水对混凝土的腐蚀等级为中～强腐蚀。

为此，本抗旱应急水源连通工程采取如下处理方案：桩号0+000～7+500段，采用现浇混凝土板，断面型式为梯形断面，渠道底宽1 m，底板和边板均采用8 cm厚的C20F200W4现浇混凝土板，底板下设40 cm厚的砂砾料垫层，边板垫层厚度由底端40 cm渐变至顶端30 cm，垫层用于隔离土对混凝土腐蚀；桩号7+500～12+000段，采用现浇混凝土板，断面型式为梯形断面，渠道底宽1 m，底板和边板均采用8 cm厚的C20F200W4现浇混凝土板，底板下设40 cm厚的砂砾料垫层，边板垫层厚度由底端40 cm渐变至顶端30 cm，在砂砾石垫层上方铺设3 cm砂浆垫层，然后在砂浆垫层上方铺设一布一膜，用于隔离土和地下水对混凝土的腐蚀。

4 结论

本文通过乌苏市西湖镇抗旱应急水源连通工程地下水对混凝土结构腐蚀性进行分析，结果表明，在分析环境地下水对混凝土建筑物结构可能产生的侵蚀的过程中，必须结合工程所在区域所属的环境类别，在充分依据工程水文地质的基础上，对引发混凝土结构侵蚀的地下水类别及原因作出深入判断，以便找出应对措施和处理办法，积极采取抗腐蚀性能强的水工材料，增加水利工程建筑物结构的耐久性。