外加劑對于抗硫酸鹽侵蝕的實驗及經濟效益對比

王朝暉

外加劑對于抗硫酸鹽侵蝕的實驗及經濟效益對比

王朝暉

（新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

針對新疆某水電站壩址區水質中硫酸根離子含量，超過“環境水腐蝕判定標準”，進行混凝土配合比及相應抗硫酸鹽侵蝕的試驗研究并進行經濟效益對比。目前試驗結果表明，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于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。且發電廠房建筑及金屬結構安裝工程，原投標報價采用水泥為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。

庫區壩址；硫酸根離子超標；實驗對比；經濟效益對比

1 概 述

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

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

工程由攔河壩、導流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水發電系統、電站廠房等組成，攔河壩為1級建筑物，深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、發電洞為2級建筑物；發電廠房為3級；臨時建筑物為4級，抗震設計烈度為Ⅵ度。

2 問題簡述

該水電站壩址區，從鉆孔地下水水質分析結果看，個別鉆孔的地下水中硫酸根離子含量高達1346.70mg/L，這個值超過了“環境水腐蝕判定標準”的最高值（SO42-＜1000 mg/L）。壩址區通過地表測繪、左右岸壩肩平硐、鉆孔巖芯述描中發現，在細粒斜長花崗巖、石英斑巖、裂隙面、斷裂破碎帶中不同程度含有黃鐵礦。調查結果表明，造成部分地下水硫酸根離子增高的原因與區內巖石中分布的黃鐵礦有關。壩址區基巖和構造帶普遍含黃鐵礦，而構造帶（斷層帶、擠壓帶、裂隙密集帶）內及附近巖石的黃鐵礦含量又明顯高于基巖。構造帶巖石由于其結構脆弱，在地表環境下與基巖區分布的巖石相比較更容易發生風化破碎，并使得原賦存于構造巖中黃鐵礦發生水解氧化而流失，造成巖體疏松和富含硫酸根離子的溶液或地下水。

黃鐵礦的主要化學成份為FeS2，金屬硫化物在地表氧化環境下，多形成金屬氧化物和大量的硫酸根離子（SO42-），而產生的SO42-在與壩基混凝土接觸過程中發生化學反應，并產生酸蝕作用，從而破壞壩基混凝土結構，降低其強度，給大壩安全帶來隱患。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死水位以下的混凝土工程，須考慮硫酸鹽腐蝕問題的處理。

3 抗硫酸鹽侵蝕試驗研究

3.1 水泥混凝土硫酸鹽侵蝕的機理分析

硫酸鹽侵蝕主要是因為硫酸鹽與Ca(OH)2及水化鋁酸鈣發生反應，生成石膏，石膏再與水泥中水化鋁酸鈣反應，生成水化硫鋁酸鈣，水化硫鋁酸鈣含有大量的結晶水，其體積增大為原有水化硫鋁酸鈣的2.5倍左右，能對水泥石起巨大破壞作用，它呈針狀結晶，故常稱為“水泥桿菌”，因此硫酸鹽反應能引起混凝土的膨脹與破裂。混凝土的侵蝕實質上是對水泥的侵蝕，是侵蝕介質對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。一般認為體積膨脹的機理是由于外部硫酸根離子與水泥基材料內部水化鋁酸鈣、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，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，產生膨脹應力，作用于孔壁，使試件內部孔隙周圍水泥石受到拉應力作用。隨著侵蝕時間的延長，侵蝕生成物亦不斷增多，應力增大，當孔隙體積已無法容納侵蝕生成物，或拉應力大于材料的拉伸強度時，內部便產生膨脹性裂縫。而裂縫又使外部硫酸根離子更容易滲入砂漿或混凝土內部，這些過程交替進行，相互促進，形成一個惡性循環。其結果是造成砂漿或混凝土在硫酸鹽侵蝕下，其體積隨著侵蝕時間的延長而不斷膨脹。

從混凝土被硫酸鹽侵蝕過程看，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。

按照常規的作法，解決工程中硫酸鹽侵蝕問題，一般都是采用高抗硫水泥。但根據委托單位要求，采用高性能混凝土設計理念，就是在普通水泥的混凝土中摻加了YK-III礦物外加劑，同時增大粉煤灰摻量至40%。另外對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濟性。下面就通過試驗比較普通水泥+粉煤灰+YK-III與高抗水泥+粉煤灰兩種配合比方案的優劣。

3.2 規范要求

《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50287－99）附錄G，環境水對混凝土腐蝕評價，環境水腐蝕判定標準如表1所示。

3.3 抗硫酸鹽侵蝕試驗研究方案

抗硫酸鹽侵蝕試驗研究方法參考GB749－2008中K法，分別測試不同齡期及不同溶液濃度試件的抗折強度，并計算出其相應齡期的抗侵蝕系數。該試驗研究有7種溶液濃度、7個齡期和2個不同水膠比，并增加了高抗硫水泥的對比試驗。綜合上述共成型245組試件，并分別進行測試。詳見表2。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗研究結果

不同水泥、不同溶液濃度、各齡期的抗侵蝕系數試驗結果可見表3及表4。通過表3及表4抗侵蝕系數的結果可知：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，其抗侵蝕系數在不同濃度溶液中均大于規范要求的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，前者的抗侵蝕系數基本均大于后者。

目前試驗結果表明，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于高抗硫水泥+粉煤灰的方案。

表1 環境水腐蝕判定標準

表2 抗硫酸鹽侵蝕試驗研究方案

表3 新疆某水電站發電廠房及金屬結構安裝工程抗硫酸鹽侵蝕試驗結果

編號 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）基礎混凝土單價

表6 C25F300W6（YK-Ⅲ）基礎混凝土單價

4 效益分析

該水電站發電廠房建筑及金屬結構安裝工程，原投標報價采用水泥為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，現將該水電站廠房工程混凝土用YK-Ⅲ代替高抗硫水泥后經濟分析如下。

（1）高抗硫和普硅水泥運距約40km。

（2）42.5高抗硫水泥預算價為840元/t，普硅42.5水泥為480元/t，兩種水泥同為市場價。

（3）砂子和石子統一按投標文件報價48元/m3。

（4）混凝土基礎價計算依據：實驗室所提供的施工配合比計算。

同一強度等級和級配的混凝土基礎單價比較見表5、表6。

通過以上比較，每方混凝土節約成本約：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6萬方，節省成本約：6萬元×19.32元/m3=115.92萬元。

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。