酸性地下水對于地下洞室混凝土耐久性的影響

殷苗苗 仇嵐 胡坤 王開成 孟繁聰 孫旭偉

【摘 要】近年來定期現場巡查反映：廠房頂拱一定范圍內的滲水點在雨季有增多跡象;在廠房周圍地下洞室內普遍見有滲水現象，還見有多處析出物，局部區域排水溝已經失去強度呈現粉化狀態。長此下去，區內酸性地下水對地下洞室混凝土結構的耐久性產生不利影響，可能會引起洞室塌方，影響洞室的安全穩定運行。

【關鍵詞】地下洞室;混凝土;耐久性;酸性地下水

Abstract：In recent years，regular on-site inspections have reflected there are signs of increase in the rainy season water seepage points within a certain range of roof arches;In the underground caverns around the factory building，there is a common phenomenon of water seepage.There are also many effluents.The local drainage ditch has lost its strength and appears to be powdered.In the long run，the acidic groundwater in the area has a negative impact on the durability of concrete structure in the underground cavern，which may cause cavern collapse and affect the safe and stable operation of the cavern.

Key words：Underground cavern;Concrete;Durability;Acid groundwater

0 引言

江蘇宜興抽水蓄能電站總的運行工況良好，但也出現酸性地下水的腐蝕問題。據區內滲流監測資料，廠房圍巖局部滲壓值近年來呈現了上升的趨勢。地下廠房區圍巖的工程特性近年來在酸性水作用下呈現了一定的“弱化”。長此下去，區內酸性地下水對地下洞室區域的混凝土結構耐久性方面產生一定的不利作用，必須引起重視。

截止到目前，回彈法、鉆芯法、拔出法、壓痕法及超聲法等[1]是混凝土損傷方面普遍應用的檢測識別普技術方法。但是應用范圍有限。XRF、XRD、SEM等測試方法是最近一段時期得到有效應用的方法，主要在礦物相、化學成分等方面對腐蝕性狀進行診斷和分析[2，3]。

1 酸性地下水作用下混凝土腐蝕的基本特征

1.1地下洞室混凝土樣

根據現場探察，認為在酸性滲漏水作用下地下廠房區不同部位混凝土已經受到了一定程度的腐蝕，并具有如下分布特征：

（1）廠房頂拱部位出現的新老滲水點位及周圍區域，其表面混凝土呈現灰白色，是受到酸性腐蝕的較為典型的外觀顏色;敲擊發現此處混凝土的強度已經弱化?？梢?，廠房頂拱滲水點位混凝土已受腐蝕。

（2）在地下廠房其它洞室出現的滲水點位，混凝土表面顏色大多比較深，無明顯的受到酸性腐蝕的外觀顏色。個別部位表層混凝土結構已發生明顯的開裂，外觀上看很可能是硫酸鹽類侵蝕作用所致。

在現場探察的基礎上，共采集了6個具有代表性的混凝土樣，其中4個樣取自混凝土已受到腐蝕的部位，而另2個樣則取自混凝土未受到或僅受到輕微腐蝕的部位。

1.2混凝土樣的測試分析

1.2.1化學成分檢測

檢測結果顯示不同樣品間在其基本組成方面，有一定的含量變化，此在一定程度上反映了所在部位混凝土受到的腐蝕類型及其程度方面的差異性。

顯著腐蝕（I類）與未受到或輕微腐蝕（II類）混凝土樣品在基本組成（均值）的對比發現：

（1）兩類混凝土樣品在其基本組成方面存在明顯差異：I類中，CaO、SO3、Fe2O3的含量均值分別為29.75%、11.07%、9.14%;而II類中、三組氧化物含量的均值依次為43.60%、1.09%、1.63%?？梢姡c未受到腐蝕的混凝土介質相比，其中Fe和S兩種元素的含量是趨于明顯增加;而有Ca元素的含量則趨于明顯減小。

（2）I類混凝土樣品之間存在明顯不同的現場原位特征，但基本組成的含量差異不大。硫和鐵元素的含量變化相對大一些，而鈣元素的含量變化比較小。由此認為，盡管這一大類中的兩亞類樣品在外觀上存在明顯的差異，但仍均為區內酸性滲漏水的腐蝕作用所致。

1.2.2 細觀結構及其組成測試

對不同部位的混凝土結構采用了EDX進行微區元素測試及電鏡掃描SEM對細觀結構進行了分析。發現II類混凝土樣品其基本組成主要為形成水泥石的水化硅酸鈣，多呈長纖維狀分布，結合微區元素測試結果，可見正常的一類混凝土樣的基本組成比較復雜，以Ca、Si、Al三種元素為主。

受到顯著腐蝕的I類混凝土樣品的SEM以及相應的EDX譜。此類樣品具有以下特征：

（1）顯示了明顯不同于II類樣品的晶形，表明此類混凝土已經受到了相對明顯的腐蝕。有的呈絮狀;而有的則呈短柱狀，柱面平整。

（2）具有不同于II類樣品的復雜組成，其中部分為受到腐蝕后形成的新物質。

總體上，此類已受到腐蝕的混凝土樣中，SO3化合物的含量普遍有所增加，其增幅與相應部位混凝土受到的腐蝕程度成正比。

2 酸性地下水對混凝土腐蝕的成因分析

通過上述的分析可見：酸性滲漏水已對洞室內區域局部混凝土產生了腐蝕，巖體中零星分布的黃鐵礦類硫化物發生的氧化作用導致了滲漏水的酸化。黃鐵礦的氧化過程包含三個不同的過程：微生物的氧化過程、純化學過程和電化學過程，通過分析可知，黃鐵礦的氧化形成了硫酸，從而形成了對于混凝土的耐久性非常不利的酸性環境。

酸以pH值作為指標，具有分解性侵蝕作用的典型物質。強酸既能與游離石灰發生中和作用，也可以與水化產物中結合石灰發生作用，并且反應能夠完全進行。由于水化產物分解后產生的Al（OH）3（鋁膠），遇到強酸時發生反應形成易溶的鋁酸鹽。因此引起了混凝土孔隙結構的膠凝體的破壞，導致其力學性能發生弱化[4]。

巖體中黃鐵礦類硫化物的氧化反應，既能導致水質的酸化，也能使水溶液中富含SO42-，對普通混凝土結構的硫酸鹽類產生侵蝕作用（SO42->250mg/L）。根據已有的研究，在受到此類介質侵蝕破壞的混凝土結構中，可形成針柱狀晶體。其礦物為鈣礬石，由水泥中的C3A（3CaO.Al2O3）水化產物與硫酸鹽反應生成。由于其體積的增大，產生很大的膨脹應力，從而導致混凝土的結構發生開裂而破壞。

通過現場探測和取樣發現，地下廠房洞室區域混凝土在酸性水腐蝕的作用下具有以下顯著特點：1）在干燥狀態下呈灰白色，當僅觸及表層時，會向外翻卷掉皮，而當腐蝕厚度較大時，呈現鼓脹形;2）在干濕交替狀態下，一定階段發生糜爛型鼓脹腐蝕，而呈豆腐渣狀。

3 結論

通過現場調查、測量、探察、取樣以及分析等多種手段和方法，對宜興抽水蓄能電站地下廠房區域洞室內混凝土的綜合分析，得到以下結論：

（1）在酸性滲漏水作用下洞室內不同部位混凝土已經受到了不同程度的腐蝕，依據腐蝕程度可以分為兩類：II類為沒有發生（或極輕微）腐蝕：I類為已發生中等腐蝕，嚴重影響了混凝土的耐久性，對地下洞室的安全穩定運行造成一定的安全隱患。

（2）對于近年來出現的局部混凝土已經開裂的部位，建議采用抗硫酸鹽水泥類材料進行修復;對于重要部位在未來運行階段若出現明顯的新增滲水點，應及時采用瀝青層或環氧樹脂類材料加以覆蓋，或選用低鈣硅比的硅酸鹽水泥進行修復，以阻止或滯緩相應部位巖體中黃鐵礦類硫化物的氧化，同時也應在相鄰部位采用適當的方式做好滲漏水的疏～排工作。

參考文獻：

[1] 吳新璇.混凝土無損檢測技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 馬保國，高小建，何忠茂，等.混凝土在SO42-和CO32-共同存在下的腐蝕破壞[J].硅酸鹽學報，2004，32（10）：1219-1224

[3] 邢志水，鄧敏，陳宇峰，等.黃河上游某水電站硫酸鹽侵蝕破壞分析[J].混凝土，2012，（276）：41-44.

[4] B.M.莫斯克文等著.混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕及其防護方法[M].倪繼淼等譯.北京：化學工業出版社.

（作者單位：華東宜興抽水蓄能有限公司）