深部富水巖層中混凝土襯砌腐蝕破壞機(jī)理分析

王空前

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院，土木工程學(xué)院，鄭州 450000)

隨著我國深部資源開采的日益增多和西南山區(qū)交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展，深部地下工程方興未艾.混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是深部地下工程中最常見且可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，已被廣泛應(yīng)用于地下空間開拓和地下資源開采工程中[1-5].混凝土結(jié)構(gòu)粉化和破壞引起的工程損失十分嚴(yán)重.在深部富水巖層中，地下水的侵蝕是導(dǎo)致其粉化和破壞的主要原因，因此對深部富水巖層中混凝土襯砌結(jié)構(gòu)粉化腐蝕破壞機(jī)理的研究具有實(shí)際工程意義.雖然國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分別從現(xiàn)場觀察、化學(xué)分析、腐蝕環(huán)境等方面進(jìn)行了深入地研究，得到了諸多有益的結(jié)論[6-11]，但是隨著地下工程的埋深加大，混凝土襯砌也將面對更加復(fù)雜的地下水環(huán)境，而相應(yīng)的深部混凝土襯砌侵蝕研究卻鮮有報(bào)道.

本文通過對礦建井筒在垂深為603～620 m 的腐蝕粉化段取芯進(jìn)行研究，獲得襯砌混凝土相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并通過XRF 和XRD 檢測分析，獲得了粉化腐蝕產(chǎn)物組分.基于此，分析了富水基巖段中襯砌混凝土粉化腐蝕的主要原因，并根據(jù)混凝土腐蝕機(jī)理提出了相應(yīng)的治理措施.600 m 的埋深在礦井中較為常見，而其他地下空間的開拓工程往往不能達(dá)到這個深度.基于礦建井筒的混凝土腐蝕研究可以為未來更多的深部襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土腐蝕防治提供技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)條件及方案

1.1 襯砌井筒腐蝕情況

圖1 為研究采樣段的混凝土侵蝕段的外貌特征.該段侵蝕大約深入混凝土內(nèi)部80～150 mm，表面因混凝土中結(jié)合體被溶解，膠結(jié)成分丟失嚴(yán)重，出現(xiàn)了大面積的軟化、松散和脫落現(xiàn)象.采樣段腐蝕情況主要表現(xiàn)有：1)有淋水的部位成粘糊狀，無淋水的部位成塊粉狀；2)腐蝕從粗糙毛面部位開始，向四周和內(nèi)部蔓延；3)有水處腐蝕較快，無水處腐蝕較慢.

圖1 采樣段混凝土襯砌腐蝕外貌特征

1.2 試驗(yàn)方案

對混凝土井筒分別在西北、東北、西南和東南方位均勻取樣，并對取芯試樣進(jìn)行澆筑補(bǔ)齊后進(jìn)行濕密度和單軸抗壓強(qiáng)度測試.

對測試后的取芯試樣進(jìn)行研磨處理，進(jìn)行XRF 和XRD 化學(xué)檢測.

對井筒表面結(jié)晶物取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析.

1.3 試樣檢測要求

XRF 含量檢測試樣要求：粉狀試樣重量應(yīng)＞10 g，粒徑大小＜74 μm，在標(biāo)準(zhǔn)烘箱內(nèi)烘干(＞2 h)；圓柱狀試樣表面應(yīng)拋光，直徑宜為10～40 mm，高度＜10 mm.

XRD 檢測試樣要求：粉末試樣重量應(yīng)＞3 g，粒徑＜40 μm；塊狀試樣要求長度為10～30 mm，寬度為10～20 mm，厚度＜5 mm，且平整光滑.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度及密度分析

圖2 為取芯試樣的單軸抗壓強(qiáng)度的測試值.由圖2 可知，芯樣強(qiáng)度在設(shè)計(jì)強(qiáng)度的33%～100%內(nèi)變化，平均強(qiáng)度約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，這說明混凝土的腐蝕導(dǎo)致其強(qiáng)度降低了約20%；部分芯樣強(qiáng)度較高應(yīng)為后期取芯試樣澆筑補(bǔ)齊影響所致.圖3 為井筒各個方向取芯密度平均值.由圖3 可知，平均值集中在2.34～2.39 g/cm3，基本屬于正常值范圍，這說明混凝土的腐蝕對密度影響不大.

圖2 試樣單軸抗壓強(qiáng)度

圖3 各向取芯密度平均值

2.2 XRF 檢測分析

對混凝土井筒在垂深為603～620 m 的腐蝕粉化段取樣進(jìn)行的XRF測試分析結(jié)果如表1 所示.不同標(biāo)準(zhǔn)的水泥主要組分含量如表2 所示.由表1 和表2 可知：

表1 XRF 檢測的試樣主要組分含量 %

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)的水泥主要組分含量 %

1)井壁脫落混凝土塊和松散物的XRF檢測顯示，CaO 平均含量約為28.21%，而GSB08―2005、GSB08―2007 和GSB08―2008 標(biāo)準(zhǔn)中的平均含量約為64.66%.這說明CaO 在井壁腐蝕過程中大量流失(約為36.45%)，而鈣元素的損失也將進(jìn)一步導(dǎo)致井壁強(qiáng)度的降低.SO3含量在脫落混凝土塊中為7.655%，是GSB08―2005 的10.34 倍、GSB08―2007 的19.63 倍、GSB08―2008 的17.80倍和中聯(lián)P·O42.5 的3.79 倍，且其在井壁松散物中含量有明顯增多.這說明在井壁腐蝕過程中，深部地下水中有SO42-離子的加入，發(fā)生了SO42-與CaO 的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了CaO 的減少.由此可知，深部地下水所含SO42-離子是造成井壁腐蝕的一個重要原因.

2)混凝土脫落松散物中MgO 含量為12.090%，是GSB08―2005 的3.93 倍、GSB08―2007 的6.68倍、GSB08―2008的6.14倍和中聯(lián)P·O42.5的6.23倍.結(jié)合SO42-離子的增多，說明地下水中存在物質(zhì)MgSO4，且它與井壁中Ca(OH)2發(fā)生了雙重腐蝕：MgSO4+Ca(OH)2→CaSO4+Mg(OH)2，而CaSO4導(dǎo)致井壁混凝土膨脹破壞產(chǎn)生裂縫，為地下水的侵入提供了通道.同時，Mg(OH)2的溶解度、強(qiáng)度和密度均比Ca(OH)2低，隨著地下水的流動，混凝土逐漸變成糊狀物而喪失承載力.

3)白色結(jié)晶物的檢測結(jié)果顯示Na2O、SO3和CaO 占其主要成分，其中CaO 為井壁混凝土中的物質(zhì)成分，比例接近Na2O 和SO3，約占白色結(jié)晶鹽的76.42%.Na2O+SO3+10H2O→Na2SO4·10H2O，即生成硫酸鈉或十水硫酸鈉.

4)紅色析出物檢測的結(jié)果顯示Fe2O3約占78.23%.這應(yīng)是地下水中 MgSO4與井壁中Ca(OH)2發(fā)生了雙重侵蝕，導(dǎo)致混凝土開裂、鋼筋裸露氧化，生成鐵銹Fe2O3.

2.3 XRD 檢測分析

采用X 射線衍射(XRD)檢測分析了井壁脫落混凝土塊、芯樣、松散物以及析出物成分含量.結(jié)果顯示，混凝土芯樣中主要產(chǎn)物為 SiO2、Ca(OH)2和CaO·Al2O3·2SiO2·4H2O，且部分試件中含有 CaCO3、CaSO4、(Mg0.03Ca0.97)CO3或CaSO4·2H2O；混凝土松散物和脫落部分主要成分為CaCO3、Ca(OH)2、(Mg0.03Ca0.97)CO3、CaSO4和 CaSO4·2H2O，同時部分試件中還含有3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O；析出物主要成分為CaSO4、CaSO4·2H2O、CaCO3和SiO2；白色結(jié)晶鹽的主要成分是由 Na2O 和 SO3所生成的Na2SO4·10H2O 和Na2SO4；井壁表面的紅色析出物為Fe2O3·nH2O.部分XRD 圖譜見圖4～圖6.

圖4 取芯XRD 圖譜

圖5 混凝土松散物及脫落物XRD 圖譜

圖6 析出物XRD 圖譜

3 腐蝕機(jī)理及防治措施

3.1 腐蝕機(jī)理

通過對井筒基巖段腐蝕破壞區(qū)域混凝土的鉆芯試樣、表面松散物試樣、罐籠及井筒內(nèi)白色結(jié)晶物和析出物的XRF 和XRD 檢測、鉆芯試樣密度、強(qiáng)度等檢測研究發(fā)現(xiàn)，造成井筒基巖段局部腐蝕破壞的機(jī)理可分為內(nèi)因和外因.內(nèi)因主要在于所澆筑的井筒混凝土不密實(shí)，出現(xiàn)了空隙或微裂縫，提供了深部腐蝕性地下水的入侵通道.外因主要在于侵蝕性地下水和環(huán)境溫度變化.首先，深部巖層地下水中富含SO42-、Mg2+、Na+、HCO3-等離子，它們沿著井筒微裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，形成了具有微膨脹的 Na2SO4·10H2O 或CaSO4·nH2O 結(jié)晶體，導(dǎo)致裂縫加速擴(kuò)展；其次，MgSO4與井壁中Ca(OH)2發(fā)生了雙重腐蝕，產(chǎn)生的CaSO4導(dǎo)致井壁混凝土膨脹破壞產(chǎn)生裂縫，為地下水侵入提供了通道，同時因Mg(OH)2的溶解度、強(qiáng)度、密度均比Ca(OH)2低，隨著地下水的流動，導(dǎo)致混凝土逐漸變成糊狀物而喪失承載力.溫度變化主要是因深部井筒通風(fēng)所致，井筒在干濕交替中，溫差較大，周期性地膨脹、收縮，井壁毛細(xì)孔承受結(jié)晶壓力，導(dǎo)致腐蝕加劇.

3.2 防治措施

1)采用注漿或者引流與截流相結(jié)合的方法治理井壁淋水.其主要目的是隔斷腐蝕性地下水與井壁接觸.注漿材料可采用水泥漿、超細(xì)水泥、水玻璃等.結(jié)合井壁腐蝕破壞機(jī)理分析，推薦采用水泥-水玻璃雙液漿壁后加固，在嚴(yán)重區(qū)段一定范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行勁性骨架加固，同時對鋼質(zhì)材料進(jìn)行防腐處理.

2)防護(hù)處理井筒襯砌.在混凝土襯砌表面涂沫防腐劑，如環(huán)氧樹脂等，也可采用襯砌表面硅烷浸漬處理，以提高井筒混凝土的耐久性能.

3)減少侵蝕性基巖層水中腐蝕性離子含量.采用在井筒壁后注入化學(xué)水泥類漿液的方法，以吸附或中和有害離子.

4)根據(jù)井壁腐蝕階段分期治理.通常，井壁的腐蝕可分為4 個階段.潛伏期：其特點(diǎn)是腐蝕水緩緩滲入，可采用表層處理；運(yùn)行期：其特點(diǎn)是地下水通道連通，可采用注漿或者引流與截流相結(jié)合的方法；加速期：其特點(diǎn)是腐蝕性離子積聚、破壞加劇，可采用斷面加固重塑或注漿處理；劣化期：其特點(diǎn)是襯砌強(qiáng)度降低并發(fā)生了結(jié)構(gòu)性破壞，可增設(shè)支撐襯砌，重新砌筑.

4 結(jié)論

1)垂深為603～620 m 的腐蝕粉化段的混凝土，其芯樣強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的33%～100%，平均強(qiáng)度約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，混凝土的腐蝕導(dǎo)致其強(qiáng)度降低約20%；試樣的密度平均測定值基本屬于正常值范圍.

2)井筒基巖段局部腐蝕破壞是井筒混凝土不密實(shí)、侵蝕性地下水和溫度變化的綜合結(jié)果.其中，腐蝕性地下水中MgSO4與井壁中Ca(OH)2發(fā)生了雙重腐蝕是最主要的因素.

3)白色結(jié)晶鹽的主要成分為Na2O 和SO3生成的Na2SO4·10H2O 和Na2SO4；井壁表面的紅色析出物為Fe2O3·nH2O；混凝土芯樣中主要成分為SiO2、Ca(OH)2和CaO·Al2O3·2SiO2·4H2O.

4)井筒襯砌發(fā)生了由表及里的腐蝕過程，其脫落及松散體的CaO 流失嚴(yán)重，其主要原因在于膠結(jié)物的流失.

5)針對未腐蝕或輕微腐蝕區(qū)域可采用注漿、引流與截流、井筒襯砌防腐及加固相結(jié)合的方法進(jìn)行防治；對腐蝕嚴(yán)重區(qū)域則需開槽重塑.