地下水对混凝土的侵蚀性分析

姬刚

（玛纳斯塔西河流域管理处 昌吉 832200）

地下水对混凝土的侵蚀性分析

姬刚

（玛纳斯塔西河流域管理处 昌吉 832200）

本文介绍石门子水库碾压混凝土拱坝坝基地下水及析出物的成分组成，并就渗水部位、岩层情况结合侵蚀性机理，对石门子水库地下水对大坝混凝土的侵蚀过程进行分析研究。

碾压混凝土拱坝 地下水 侵蚀性分析

1 引言

石门子水库大坝位于新疆昌吉州玛纳斯县境内塔西河中游，是以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库。水库总库容5010万m3，水库大坝为碾压混凝土拱坝，坝高109m，坝顶宽5m，坝顶高程1394m。

坝体左右两岸各有一条纵向垂直于坝轴线的贯穿性断层带，在右岸还有4条与断层带水平相交的软弱夹层，地质情况相对复杂。坝体共设三层灌浆廊道，分别位于1289m、1340m、1394m高程，廊道内设三排帷幕灌浆孔，呈梅花状分布，廊道下游面设一排排水孔。

2 地下水取样

为分析地下水对基岩及混凝土的侵害程度，分别在两岸廊道与断层带相交处、断层与软弱夹层相交处、坝体与两岸基岩结合部、坝体中央分缝处分两次对地下水、析出物、岩样和水库水进行了取样，每次取地下水样11个、库水样1个，取样位置和分布如下图所示。

地下水、析出物、岩石、库水的取样位置分布示意图

3 地下水对混凝土的侵蚀性机理及分析

大坝所在地区为高寒干旱区，基岩以较强透水能力的棕红色砾岩为主，筑坝水泥为高掺粉煤灰的硅酸盐525号水泥。分解性侵蚀中常数的取值见表1。对地下水水样的pH值、HC O3-的浓度、游离的C O2含量等进行测定，检测结果见表2。岩样及析出物成分见表3。

3.1 分解性侵蚀

3.1.1 一般酸性侵蚀当水中含有一定的H+时，则会产生如下溶滤反应：

水的pH值越低，酸度越大，即pH值越小于某一数值，混凝土中的Ca（OH）2分解的越快，特别当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的酸性腐蚀很强烈。

由于围水介质为砾岩且所用水泥为B类水泥，所以K3取值6.4。把地下水实测的pH记为pHexp，在对所有水样的pH值进行比较后，得出结论：所有水样都不具有一般酸性侵蚀。

3.1.2 碳酸性侵蚀

地下水中含有CO2，CO2与混凝土中的Ca（OH）2作用，生成碳酸钙沉淀：

由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca（OH）2的分解。但是，当地下水中CO2的含量超过一定数值时，超量的CO2再与CaCO3反应，生成Ca（HCO3）2，并溶于水，即

上述这种反应是可逆的：当CO2含量增加时，平衡被破坏，反应向右进行，固体CaCO3继续分解；当CO2含量变少时，反应向左移动，固体CaCO3沉淀析出。如果CO2和Ca2+的浓度平衡时，反应就停止。因此，当地下水中CO2的含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，我们将超过平衡浓度的游离CO2叫做侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2越多，对混凝土的腐蚀越强。地下水流量、流速都很大时，CO2易补充，平衡难建立，因而腐蚀加快。另一方面，Ca2+含量越高，对混凝土腐蚀性越弱。

表1 水对混凝土的分解性侵蚀鉴定标准

表2 地下水及廊道地下水水样成分

表3 析出物及基岩岩样成分

当地下水中游离的C O2含量（mg/L）大于下式的计算值[C O2]时，则有碳酸性侵蚀，计算式为

式中 Ca2+——水中Ca2+的含量，mg/L；

K2——与环境及混凝土相关的常数；

a，b——与HC O3-、SO42-、Cl-浓度相关的常数。

一般情况下，在100多m的高坝水库，水库底层水为还原环境，沉积在大坝前库底的有机物在微生物的作用下发生分解，产生大量的CO2、H2S，使水库底层水pH值减小，呈酸性。有机物分解：

基岩没有检测出HC O3-，则廊道中HC O3-的由来则主要是由坝前微生物分解的CO2与基岩、地下混凝土建筑中的CaCO3发生反应生成的。这与廊道中HC O3-含量明显大于水库表层水中的HC O3-含量吻合。也与在水库表层水没有检测出侵蚀性CO2的情况下，在廊道排水中检测到了侵蚀性CO2符合。

从侵蚀性CO2的含量看，只有SY1、SY2、SY9有侵蚀性CO2检出，除了地下水样SY2侵蚀性CO2的含量大于15mg/L，具有弱侵蚀性外，其他地下水水样都没有侵蚀性。

3.1.3 pHs分解性侵蚀

式中 c（HC O3-）——水中HC O3-的量浓度，mmol/L；

K1——与环境及混凝土相关的常数。

当水中的pHexp>pHs时，水无分解性侵蚀，当pHexp< pHs时，水有分解性侵蚀。

从表2可以看出，所有水样的pHexp均大于pHs，所以地下水无pHs分解性侵蚀。

3.2 结晶性侵蚀

如果地下水中SO42-的含量超过规定值，SO42-将与混凝土中的Ca（OH）2发生反应，生成二水石膏结晶体CaSO4· 2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOA12O3·6H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86%，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。SO42-含量（mg/L）是结晶性侵蚀评价指标。

根据石门子水库大坝所在场地环境类别侵蚀判别标准，SO42-<250mg/L时，对混凝土无侵蚀性，SO42-在250～500mg/L时，有弱侵蚀性，SO42-在500～1500mg/L时，有中侵蚀性，SO42-＞1500mg/L时，有强侵蚀性。

对于SO42-侵蚀，地下水样SY10属于强侵蚀性，地下水样SY4、SY11为中等侵蚀，地下水样SY5属于弱侵蚀性，其他部位地下水样无侵蚀性。

从部位分析，受水库渗流影响较大的右岸，侵蚀性较弱，这主要是库水本身SO42-离子含量很低的缘故。SO42-含量比较高的地下水样大多出现在渗流较小的左岸，坝体中部的地下水样SY11的SO42-含量也较高。基岩中硫元素含量比较少，廊道排水孔地下水中如此高的含硫量，有可能是来自两岸地下水对河谷的补给。水库上游岩层存在煤系地层，一般煤中含有无机硫化物（FeS2、ZnS、CuFeS2等）、硫酸盐（BaSO4、CaSO4等）、元素硫、有机硫化物（硫醇、硫醌、硫醚等）。这些硫化物通过氧化、微生物作用可以生成硫酸盐。这些煤系地层中的硫元素在地下水的作用下，向下游迁移，在迁移过程中同时发生氧化反应生成SO42-离子。在坝基排水孔和下游地下水排出处流出。另外一个可能是由于库底有机物的分解产生的H2S，在两岸岸坡部位由于水力梯度较大，地下水流速较大，水中溶解氧增加，使H2S氧化，产生SO42-离子。而地下水样SY11部位SO42-离子较多，可能是由于该处排水孔与底部软弱夹层及断层存在水力联系，岸坡地下水通过断层渗入导致的。同样是左岸廊道地下水样，1340m廊道地下水样SY8中SO42-离子含量与库水接近，而明显小于与其位置靠近的1289m廊道地下水样SY10中SO42-离子含量。这与硫元素可能来自库底有机物分解相吻合。

3.3 结晶、分解复合性侵蚀

当水中的Mg2+、Ca2+、NH4+、Fe3+、Fe2+等弱盐的硫酸离子含量过高，特别是MgSO4与混凝土中结晶的Ca（OH）2反应后，容易对混凝土形成破坏，其反应式为

Ca（OH）2与镁盐作用的生成物中，Mg（OH）2不易溶解，CaC12则易溶于水，并随之流失，硬石膏（CaSO4）一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌，另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏，二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。

结晶、分解复合性侵蚀的评价指标为弱基硫酸盐离子Me，Me为水中Mg2+、Ca2+、NH4+、Fe3+、Fe2+等总量或其中主要离子含量。当Me>1000mg/L，且满足Me>K3-[SO42-]时，具侵蚀性，Me<1000mg/L时无侵蚀性。其中，K3由混凝土种类及环境确定。

从弱基硫酸盐离子Me的数据分析可知，所有取样点的Me都远小于规范中标准值1000mg/L，因此地下水对于混凝土均无结晶复合性侵蚀。

4 结语

综上所述，在分析地下水对混凝土建筑物的侵蚀时，必须结合建筑物场地所属的环境类别，在一定的工程地质与水文地质条件下，对侵蚀原因作出进一步的判断，才能找出相应的处理办法，增加建筑物的耐久性。