混凝土壩溶蝕質量損失研究

胡 維

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330200)

混凝土的溶蝕主要指混凝土在堿性環境下，其膠凝材料中的鈣離子析出的現象，在溶蝕作用下，混凝土會發生裂縫、滲漏等現象，危害其結構穩定性及安全性。近年來，許多專家學者針對混凝土的溶蝕現象開展相關研究。

甘磊等人[1]以混凝土防滲墻為研究對象，基于動力學理論，分析其滲透溶蝕規律，結果表明，在溶蝕作用下，防滲墻的滲透系數最高可增大40倍，嚴重危害其穩定性。郝亞利等人[2]以某水利工程為研究對象，開展溶蝕試驗，并結合SEM，分析混凝土在溶蝕條件下的微觀性能和力學性能，結果表明，在溶蝕初期，混凝土的劣化速度較快。田釗等人[3]以某隧道工程為研究對象，開展室內試驗，分析影響影響混凝土溶蝕情況的因素，結果表明，提高混凝土的砂率可有效提高其抗溶蝕性能。施小飛等人[4]以某水利工程為研究對象，分析在溶蝕條件下，其混凝土的質量損失規律，結果表明，水灰比對混凝土的溶蝕情況存在一定的影響。王少偉等人[5]建立混凝土壩數值分析模型，分析在溶蝕作用下，其壩體的變形規律，結果表明，在溶蝕作用100年后，其壩頂的位移增長1.7%。

本研究以某水利工程為研究對象，開展淋濾試驗，分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，并結合固相鈣的分解模型，分析溶蝕作用下混凝土壩的質量損失規律。

1 工程概況

本研究以某水利工程為研究對象，該水利樞紐的開發任務為以供水和防洪為主，是兼顧灌溉和發電的綜合利用樞紐工程。水庫規模為大(2)型，樞紐包括1座主壩和7座副壩。水庫正常蓄水位108.00或101.00m(終期/近期)，死水位72.00m，汛限水位104.50m/96.0m(終期/近期)，防洪高水位110.51或106.56m(終期/近期P=1%)，設計洪水位110.52m(P=0.2%)，校核洪水位110.72m(P=0.05%)，總庫容6.05億m3(P=0.05%校核洪水位以下庫容)，興利庫容4.87億m3/2.73億m3(終期/近期)，防洪庫容2.20億m3。其主壩為混凝土重力壩，總長476m，最大壩高75m；7座副壩總長548m，最大壩高26.5m。

2 溶蝕試驗及其質量計算方法

為分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，開展淋濾試驗，采用硝酸銨(NH4NO3)溶液模擬混凝土的溶蝕過程，不同工況下的混凝土配比見表1。

表1 混凝土配合比

混凝土的溶蝕主要指混凝土在堿性環境下，其膠凝材料(CH、C-S-H)中的鈣離子析出的現象，在溶蝕作用下，混凝土會發生裂縫、滲漏等現象，危害其結構穩定性及安全性。為分析溶蝕作用下混凝土壩的質量損失規律，本研究基于固相鈣的分解模型，得出計算混凝土壩溶蝕質量(M)的公式。

(1)

式中，MCH—Ca(OH)2的摩爾質量；ηCH、ηCSH—CH、C-S-H的擴散常數；κ(s)—固液兩相平衡常數。

混凝土壩不同材料分區的計算參數見表2。

表2 計算參數

3 結果分析

根據表1的混凝土配合比開展試驗，得混凝土試樣NH4NO3中浸泡時間-歸一化Ca2+含量曲線如圖1所示。由圖可知，隨反應時間的增大，不同混凝土配合比下的溶液Ca2+含量逐漸增大，說明此試驗過程這是一個擴散控制的過程。其中，當時間為6d′時，工況2的Ca2+含量有最大值，工況1的Ca2+含量有最小值，說明混凝土配合比對其溶蝕情況具有一定的影響。對比不同工況下的Ca2+含量可得，混凝土的水灰比與其Ca2+含量間呈正相關關系，說明混凝土的水灰比會影響其溶蝕情況；石灰石的摻量對試驗溶液中Ca2+含量存在一定的影響，但是其影響程度并不顯著。綜合以上分析可得，當水灰比較大或或摻入石灰石時，硝酸銨溶液的浸出傳播速率較快，水灰比的影響比石灰石的更為顯著。試樣溶液的Ca2+含量會隨NH4NO3中浸泡的時間及水/水泥的比例增加。當水/水泥比例差距較小時，石灰石的加入有助于降低試樣溶液的Ca2+含量；這是因為發生溶蝕現象后，試樣的孔隙度和孔徑分布增大，導致其滲透率增加。

圖1 浸泡時間-歸一化Ca2+含量曲線

為進一步分析水灰比對混凝土溶蝕現象的影響，研究當水華程度為0.6的情況下，不同硅灰(CSF)摻量對混凝土溶蝕過程Ca2+擴散阻力(D(CSF=0)/D)的影響，其水/水泥比(w/c)-擴散阻力(D(CSF=0)/D)曲線如圖2所示。由圖可知，水/水泥比值與Ca2+擴散阻力間呈正相關關系，隨著水/水泥比值的增大，混凝土試驗的Ca2+擴散阻力逐漸減小。不同硅灰摻量間的混凝土Ca2+擴散阻力存在一定的差異性，其中，在同一水/水泥比下，硅灰摻量為2.5%的混凝土試樣Ca2+擴散阻力有最小值，硅灰摻量為10%的混凝土試樣Ca2+擴散阻力有最大值，說明硅灰摻量及混凝土的w/c值對其溶蝕情況存在一定的影響，且當w/c值較小時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差距較為明顯，當w/c值為0.6時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差值小于0.5；說明當混凝土的w/c值較小時，硅灰的摻量變化對于其溶蝕情況的影響較大。當w/c值為0.3時，加入10%的硅灰可使擴散系數降低15倍以上。因此，適當采用硅灰混凝土可大幅度增加鋼筋混凝土在嚴重腐蝕環境的使用壽命。

圖2 w/c-D(CSF=0)/D)曲線

通過以上分析可得，混凝土的配合比對其溶蝕情況會產生一定的影響，為分析混凝土壩溶蝕質量損失規律，基于固相鈣的分解模型，計算混凝土壩溶蝕質量，并將其計算結果與實際監測結果進行對比，其累計滲流量-Ca2+累計溶出量曲線如圖3所示。由圖可知，累計滲流量與Ca2+累計溶出量間呈正相關關系，且模擬值與實測值間的差距較小，說明采用該模型計算得出的混凝土壩溶蝕質量結果的準確性較高。Ca2+累計溶出量的實測值均小于模擬值，這是由于，固相鈣的分解模型是基于理想情況下得出的計算結果，在試驗過程中，存在一定的試驗誤差，導致其試驗結果偏小。

圖3 累計滲流量-Ca2+累計溶出量曲線

為分析是否考慮固相鈣分解對溶蝕情況計算結果的影響，對比分析采用固相鈣分解模型與不采用固相鈣分解模型的溶蝕后剩余膠凝物質的密度，如圖4所示。由圖可知，隨著距上游側距離的增大，溶蝕后剩余膠凝物質的密度逐漸增大，且當距上游側距離較大時，其曲線變化趨勢逐漸趨于平緩，不同工況下的剩余膠凝物質的密度差距并不顯著。對比不同時間下的剩余膠凝物質的密度變化可得，溶蝕時間與剩余膠凝物質的密度間呈負相關關系，說明隨著溶蝕過程的進行，混凝土壩的膠凝材料逐漸減少，其間會產生裂縫等工程質量問題，影響工程穩定性。采用固相鈣分解模型的剩余膠凝物質的密度均大于采用固相鈣分解模型的計算結果，當溶蝕時間較大時，二者間的差異較為明顯。說明采用固相鈣分解模型對混凝土壩的溶蝕情況進行計算可有效提高其結果的準確性，對于溶蝕時間較長的提升效果顯著。

圖4 溶蝕后剩余膠凝物質的密度曲線

為分析混凝土壩不同區域的溶蝕情況，分別計算壩體、帷幕、面板及齒墻的膠凝材料總溶蝕量，如圖5所示。由圖可知，隨著溶蝕時間的增大，不同區域的膠凝材料溶蝕量逐漸增大；其中，面板、帷幕及齒墻的溶蝕時間-膠凝材料總溶蝕量曲線近似線性增長趨勢，而壩體的溶蝕時間-膠凝材料總溶蝕量曲線近似指數增長趨勢。在溶蝕過程的前期，壩體的膠凝材料溶蝕量與齒墻的膠凝材料溶蝕量較為接近，隨著溶蝕時間的增大，壩體的膠凝材料溶蝕量增長趨勢顯著，這是由于，混凝土壩的壩體與水體的接觸面積較大，而面板、帷幕及齒墻均存在不同程度的防滲效果，水體的滲透作用使得其發生的溶蝕現象不顯著，隨著溶蝕時間的增大，壩體內部的膠凝材料中的鈣離子析出，使得結構的孔隙增大，使得其溶蝕現象更加顯著。

圖5 不同區域的膠凝材料總溶蝕量

混凝土壩不同區域的溶蝕時間-溶蝕質量占比曲線如圖6所示。由圖可知，隨著溶蝕時間的增大，不同區域的溶蝕質量占比逐漸增大。當時間為100a時。齒墻的溶蝕質量占比最大，壩體的溶蝕質量占比最小，結合圖5所示的膠凝材料溶蝕量變化曲線可得，壩體的膠凝材料溶蝕總量最大，而其溶蝕質量占比最小，這是因為壩體的總質量較大，即使其溶蝕量較大，溶蝕質量占比仍較小，但是面板、帷幕、齒墻的總質量較小，所以溶蝕質量占比較大。綜合以上分析可得，由于帷幕與齒墻的溶蝕質量占比較大，在實際工程中，應重點加強以上兩個區域的溶蝕情況監測，采取相關措施抑制其溶蝕現象的發生[6-7]。

圖6 不同區域的溶蝕時間-溶蝕質量占比曲線

4 結語

本研究以某水利工程為研究對象，開展淋濾試驗，分析材料配比對混凝土壩溶蝕情況的影響，結合固相鈣的分解模型，分析溶蝕作用下混凝土壩的質量損失規律，得出以下結論。

(1)當水灰比較大或或摻入石灰石時，硝酸銨溶液的浸出傳播速率較快，水灰比的影響比石灰石的更為顯著。

(2)硅灰摻量及混凝土的w/c值對其溶蝕情況存在一定的影響，且當w/c值較小時，不同硅灰摻量間的Ca2+擴散阻力差距較為明顯當混凝土的w/c值較小時，硅灰的摻量變化對于其溶蝕情況的影響較大。

(3)帷幕與齒墻的溶蝕質量占比較大，工程中應重點加強以上兩個區域的溶蝕情況監測，采取相關措施抑制其溶蝕現象的發生。