水源連通工程地下水對混凝土的侵蝕機理分析

阿力木·艾比布

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

1 工程概況

烏蘇市位于新疆準噶爾盆地西南邊緣的天山北坡經濟帶區域內。西與博爾塔拉蒙古自治州為鄰，以托托河為界；南到婆羅科努山分水嶺與伊犁哈薩克自治州相接，東以巴音溝河(下游也稱安集海河)為界，與沙灣縣隔河相望，北與托里縣和克拉瑪依市相連。烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程設計引水流量為3.5 m3/s，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)與《灌排與排水工程設計規范》(GB 50288-99)，渠道工程規模為Ⅳ等小(1)型，渠系建筑物工程級別均為5級。主要建設內容為喇嘛溝抗旱渠道渠線大致呈南北走向，渠線總長12 km，設計引水流量3.5 m3/s，起點與已建喇嘛溝干渠末端相接，末端與現狀土渠相接，已建喇嘛溝干渠長24.05 km，設計引水流量3.5 m3/s～20 m3/s，土渠與下游3.8 km處的引洪分水閘相接，引洪分水閘接下游大二泉水庫。渠線沿線兩側經過水塘、三喜水庫、林帶、耕地等，渠線沿線穿過林帶、道路、管道、橋等。本次設計渠道總長12 km，采用C20F200W4混凝土現澆，其中樁號11+985～12+000為陡坡段，長15 m。

由于跌水及沖坑，現狀渠底局部起伏較大，現場調查該段為土渠，未做防滲處理，為測得真實地下水位，垂直渠線布置補排剖面，0+000～7+500段地下水埋藏深度大于4 m；7+500～12+000段確定地下水高程379.2 m～345.0 m，由于南部水庫的影響，地下水埋藏深度較淺，一般在地表以下1 m～3 m。

2 地下水對混凝土侵蝕機理分析

2.1 地下水取樣

為進行烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程地下水對基巖和混凝土侵害程度的分析，分別在斷層帶交匯處、斷層和軟弱夾層相交處、基巖分縫處等位置進行地下水的取樣，每次取樣10個，取樣位置見圖1。

圖1 地下水取樣位置

2.2 侵蝕機理

考慮到烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程地處高寒干旱區域，且基巖主要為透水性強的礫巖，施工材料主要為高摻粉煤灰硅酸鹽525#水泥，混凝土材料分解性侵蝕常數的取值情況及混凝土侵蝕類型[1]見表1，其中A類水泥指硅酸鹽水泥，B類水泥指含火山灰質或礦渣硅酸鹽水泥，pHs表示地下水對混凝土的分解性侵蝕，pHexp表示實測pH值，K1、K2、K3均為與環境及混凝土相關的常數。

2.2.1 分解性侵蝕

若地下水中含有H+離子時，就會與混凝土產生溶濾反應，反應式如下：

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

(1)

地下水pH值越低酸性越大，且當pH值低于某一界限后，會加速對混凝土中Ca(OH)2的分解，生成易溶于水的氯化物后還會進一步加劇對混凝土的酸性腐蝕。烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程圍水介質主要是礫巖，所使用的硅酸鹽水泥等級為B級，所以其與環境及混凝土相關的常數K3取6.4。在比較全部水樣pH值后發現，所有水樣均不具備一般酸性侵蝕。

表1 混凝土材料分解性侵蝕取值標準

工程區地下水中所含的CO2與混凝土中的Ca(OH)2發生反應后會生產碳酸鈣沉淀，反應式如下：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O

(2)

考慮到CaCO3具有不溶于水的特性，并能填充在混凝土結構的空隙內，進而在混凝土結構周圍形成保護膜，阻止或延緩Ca(OH)2發生分解。然而，當工程區地下水內所包含的CO2含量超出一定范圍后，過多的CO2會與CaCO3發生反應，進一步生成可溶于水的Ca(HCO3)2，反應式如下：

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

(3)

上式中反應過程具有可逆性，即隨著CO2含量增大并超出一定界限后，上述反應式中的平衡會被打破，固體CaCO3會繼續分解；而當CO2含量減小時，固體物CaCO3會發生沉淀并析出；當CO2和Ca2+處于濃度平衡狀態時，反應會停止。

所以，當烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程區域地下水中CO2含量超出平衡狀態下的水平時，就會對混凝土中的CaCO3產生溶解和腐蝕作用，出于分析角度考慮，本文將超出平衡狀態的游離CO2稱為侵蝕性CO2。可見，工程區地下水中侵蝕性CO2含量越高，則對混凝土結構的腐蝕也越嚴重。而且工程區地下水中侵蝕性CO2很容易在地下水流速和流量較大的情況下得到補充，進而打破平衡，加速腐蝕。

如果工程區地下水中游離CO2含量超出[CO2]時，則屬于碳酸性侵蝕[2]，公式如下：

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

(4)

式中：Ca2+為工程區地下水中Ca2+的含量，mg/L；K2為與工程區地下水環境和混凝土相關的常數；a、b為與工程區地下水中HCO3-、SO42-、CO32-等濃度相關的常數。

烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程區地層內沉積的有機物在微生物等的作用下發生分解后會生成大量的H2S、CO2，導致地下水pH值減小。在微生物等的作用下有機物分解過程可表示如下：

CH2O+O2=CO2+H2O

(5)

CH2O+H2O=CO2+4H+

(6)

抗旱應急水源連通工程基巖中并未檢測出HCO3-，所以地下水中的HCO3-主要來自工程區地層中微生物所分解的CO2和基巖及建筑物中的CaCO3的化學反應，這種情況與HCO3-含量隨著高程的增大而減小的事實相吻合，也與在工程地層表層中并未檢測出侵蝕性CO2，但是在較深地層中檢測出侵蝕性CO2的事實吻合。

根據檢測結果，侵蝕性CO2只在SY1、SY2、SY9中有檢出，其中僅SY2中侵蝕性CO2含量達到了10 mg/L，具有中～弱侵蝕性，其余監測點侵蝕性CO2含量均在1 mg/L以下，對混凝土不具備長期侵蝕性。

地下水對混凝土結構的pHs分解性侵蝕按照下式確定：

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

(7)

式中：c(HCO3-)為工程區地下水中(HCO3-)的量濃度，mmol/L；K1為與工程區地下水環境及混凝土有關的常數。將本水源連通工程個取樣點取樣結果相關數值帶入式(7)，結果見表2。

表2 工程區地下水水樣成分分析

由表2的匯總結果可以看出，本抗旱應急水源連通工程地下水所有水樣中pHexp>pHs，所以，地下水對工程建筑物無pHs分解性侵蝕。

2.2.2 結晶性侵蝕

如果本抗旱應急水源連通工程地下水中的SO42-含量超出設計標準，則其會與混凝土中的Ca(OH)2發生化學反應并生成CaSO4·2H2O結晶體，該結晶體會繼續和水化碳酸鈣發生反應后生成鋁和鈣的復合硫酸鹽——水化硫鋁酸鈣。該復合物質因富含結晶水，其化合后的體積會增大至化合前體積的220.68%，所以，會在混凝土結構內產生較大應力，導致結構破壞。所以，本分析主要以SO42-含量作為工程區混凝土結晶性侵蝕的主要評價指標。

根據對烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程場區地下水環境類別侵蝕判別標準的分析發現，SO42-含量不足250 mg/L時，對混凝土結構不產生侵蝕，當SO42-含量在250 mg/L～500 mg/L范圍時，對混凝土結構有弱侵蝕性，當SO42-含量在500 mg/L～1500 mg/L范圍時，對混凝土結構有中等侵蝕性，而當SO42-含量超出1500 mg/L時，對混凝土結構有強腐蝕性。根據表2中的取樣資料可以看出，SY9和SY10取樣點處SO42-對混凝土結構具有中腐蝕性，SY4、SY7、SY8取樣點地下水對混凝土有弱腐蝕性，其余取樣點地下水中SO42-對混凝土均無腐蝕性。

2.2.3 分解+結晶復合性侵蝕

如果地下水中Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子含量較高，尤其是MgSO4與混凝土中的Ca(OH)2發生化學反應后，會對混凝土結構產生分解+結晶復合性侵蝕，反應式表示如下：

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

(8)

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

(9)

Ca(OH)2和Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子的生成物中Mg(OH)2不溶于水，CaCl2溶于水，且會隨水流而流失，CaSO4與混凝土結構中的水化鋁酸鈣發生反應后生成水化硫鋁酸鈣的同時，還會因遇水而生成二水石膏，該石膏體結晶后體積迅速膨脹，進而引起混凝土結構的破壞。

表示地下水中Mg2+、Ca2+等總量的弱基硫酸鹽離子Me是分解+結晶復合性侵蝕的主要評價指標。當弱基硫酸鹽離子Me含量不足1000 mg/L時，則地下水對混凝土無腐蝕性，而當弱基硫酸鹽離子Me含量超過1000 mg/L時，對混凝土結構有侵蝕性。

本抗旱應急水源連通工程取樣點中SY2取樣點弱基硫酸鹽離子Me含量略微超出1000 mg/L的標準，其余取樣點地下水中弱基硫酸鹽離子Me的含量均在1000 mg/L的標準內，表明地下水對混凝土均無分解+結晶復合性侵蝕。

3 地下水對混凝土侵蝕的應對措施

由地質報告、《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001(2009年修訂版))及《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)等評價標準，并結合本文分析結果可以看出，地下水對混凝土的腐蝕等級為中～強腐蝕。

為此，本抗旱應急水源連通工程采取如下處理方案：樁號0+000～7+500段，采用現澆混凝土板，斷面型式為梯形斷面，渠道底寬1 m，底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現澆混凝土板，底板下設40 cm厚的砂礫料墊層，邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm，墊層用于隔離土對混凝土腐蝕；樁號7+500～12+000段，采用現澆混凝土板，斷面型式為梯形斷面，渠道底寬1 m，底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現澆混凝土板，底板下設40 cm厚的砂礫料墊層，邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm，在砂礫石墊層上方鋪設3 cm砂漿墊層，然后在砂漿墊層上方鋪設一布一膜，用于隔離土和地下水對混凝土的腐蝕。

4 結論

本文通過烏蘇市西湖鎮抗旱應急水源連通工程地下水對混凝土結構腐蝕性進行分析，結果表明，在分析環境地下水對混凝土建筑物結構可能產生的侵蝕的過程中，必須結合工程所在區域所屬的環境類別，在充分依據工程水文地質的基礎上，對引發混凝土結構侵蝕的地下水類別及原因作出深入判斷，以便找出應對措施和處理辦法，積極采取抗腐蝕性能強的水工材料，增加水利工程建筑物結構的耐久性。