某RCC坝体廊道大量白色异物析出成因及对坝体的危害分析

张志敏，龙建辉，周子东

（1.河南省水利勘测有限公司，郑州 450008；2.太原理工大学 地球科学与工程系，太原 030024）

水工RCC坝多采用干贫混凝土，大量掺加粉煤灰，以减少混凝土发热量；坝体采用温控措施和表面防裂措施，体积大、长期与压力水接触或暴露在空气中。裂缝渗流过程中，水压变化明显，在物理化学各种因素的环境条件作用下，混凝土坝体可能产生溶出性侵蚀，从而影响坝体安全稳定和使用寿命。

某水库位于豫西南洪河支流上，控制流域面积230km2，总库容1.2亿 m3，属大（2）型工程，工程等级为Ⅱ等，枢纽主要建筑物为2级，大坝坝型为全断面RCC重力坝，最大坝高40.5m。该水库于1998年1月竣工并投入运行。根据建筑物功能，划分为溢流坝段和挡水坝段。挡水坝段坝顶高程112.50 m，溢流坝段堰顶高程105.0m。为增强坝体的防渗性能，在坝体上游侧设置3m宽的二级配RCC，且在上游面设置有机材料防渗层，在坝体下游侧高程86.00m以下设置1.5m宽的二级配RCC。坝体内靠近上游侧设一条灌浆排水廊道，底部高程为77.00m，断面型式为城门洞型，宽×高为2.5m×3.0m，在桩号右0＋031.00、右0＋096.00、右0＋146.00、右0＋240.00、右0＋334.50 和 右 0＋439.00等处分别设观测廊道。

2000年以来在观测廊道上下游边墙呈现钟乳石状白色或白色杂黄色絮状物。析出物大部分从廊道边墙与拱顶的接缝处自上而下面状分布，絮状物最厚3～5cm，部分从廊道裂缝渗漏处或拱顶边墙侧排水孔射流状析出，另外廊道集水沟内亦有絮状物沉积。至2003年12月三年内白色析出物9210kg，而2004年1月至2005年3月析出物达8120kg。

笔者以环境介质物理化学、水理特性分析为基础，通过析出物成分分析，对生产过程化学机理进行研究，提出了该现象的“类溶蚀”机理，同时对坝体进行强度与透水性检测，分析了异物析出现象对坝体的危害性。

1 环境介质特性分析

水工建筑物环境主要包含固体和液体材料介质及与工程相关的气候、工况、渗透环境等。

1.1 环境介质物理化学及水理特性

大坝廊道迎水面及周边常态混凝土设计标号为R90200S6D50；廊道拱顶预制混凝土构件设计标号R28200S6D50，廊道背水面三级配RCCD80设计标号R90150S4D50。

水泥矿物组分为 C3S、C2S、C3A、C4AF、游离CaO等，粉煤灰为Ⅱ级灰。

集料矿物特征：细集料为天然中砂，其细度模数在2.24～2.72，由石英砂岩岩屑和石英晶体组成，其中石英砂岩由石英晶体、少量微晶质至隐晶质石英、玉髓和云母组成，属疑似碱活性骨料。该细集料具碱硅酸反应活性[1]。

试验按砂浆棒快速法[1]，样品碱硅酸盐反应膨胀性试验如表1所示。

表1 集料砂浆棒试验成果（体积分数）

粗集料卵石主要为石英砂岩，由石英晶体镶嵌构造而成，局部有约1%的玉髓、微晶质至隐晶质石英和波状消光石英，少量卵石由大小不等的长石组成。按照文献[1]砂浆试件14d的膨胀率小于0.1%时，则为非活性，并结合岩相分析、试件检测、工程记录及28d后的膨胀试验结果等综合判定集料不具有碱硅酸盐反应活性。

1.2 液体环境

2007年和2012年分别采取库水和廊道渗出水，进行水质分析及侵蚀性CO2分析。成果显示，库水在汛期为软水，在非汛期为微硬水，环境水均满足钢筋混凝土拌和与养护用水指标要求。按文献[3]判定，环境水对混凝土和钢筋混凝土结构中钢筋均无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

工程区属温带季风气候。年平均气温14.6℃，多年平均蒸发量1784mm。区域内降水丰沛，多年平均降水量1056mm，雨量多集中于夏季，6—9月降水量占全年降水量60%以上。水库蓄水水位稳定，下游廊道常年潮湿、渗水。

2 坝体裂缝与渗漏特征

2.1 坝体裂缝与透水性特征

截止2012年7月左、右岸挡水坝共发现近170条竖向裂缝，其中坝下游面竖向裂缝79条；上、下游侧有23对竖向裂缝位置基本对应；右岸挡水坝段上游面有2条横向裂缝，右岸挡水坝段下游面有1条横向裂缝，左挡水坝段下游直立段有1条横向裂缝；大坝下游面裂缝渗、漏水严重；泄洪闸溢流面与挑流坎共发现117条裂缝，右坝段裂缝明显比左坝段多，裂缝或分缝处漏水。冬季时下游面裂缝多处可见射流现象，渗、漏水严重；而夏季裂缝闭合，在下游面裂缝中仅见5处点渗，渗漏量不大。

对右岸两坝段裂缝和左岸一坝段裂缝附近进行了3个钻孔压水试验，对坝体进行了5个钻孔压水试验。

由试验成果分析：整体上坝体一般具弱透水性，且主要为弱透水下带，坝体分缝及裂缝附近透水率较大，属中等透水性。在两个孔透水率最大的两段把压水试验用水染成红色，结果均在廊道里发现有大量红水溢出（图1），坝体5个钻孔虽局部具中等透水，但未见染色水明显溢、析出。综上所述，说明廊道周围部分混凝土不密实，与廊道预留缝相通。

图1 压水试验廊道漏水情况

裂缝附近压水试验过程中均未发现相应裂缝处渗水，说明层间无大面积连续现象，混凝土结构的整体抗渗性能满足使用要求，但在薄弱部位处，已形成渗漏通道，廊道渗漏水主要来源于坝段之间接缝及部分坝体裂缝，应进行相应加固处理。砼与基岩接触面附近透水率较大，说明局部建基面附近局部基础处理上未处理好，存在缺陷。

2.2 大坝渗漏量观测分析

大坝渗漏量观测集中在9号坝段基础廊道处，从1998年5月开始至今坝体渗漏量主要受温度变化影响，温度降低，渗漏量增大，最大渗漏量出现在每年冬季的1月—3月，夏季7月—8月渗漏量较小，这与上游坝面裂缝低温张开有关；2005年后坝体渗漏量有所增大，说明裂缝有进一步扩展趋势。坝体渗漏量与库水位也有一定关系，表现为库水位上升，渗漏量有所增加，但较温度影响要小。坝基渗漏量变化与库水位、气温等环境量变化没有明显相关关系，主要受时效影响，自2002年后有逐渐增加趋势。

根据坝基渗压计监测资料分析坝基扬压力测压管测值主要受库水位影响，尤其是幕前管水位变化基本与库水位变化呈正相关关系，气温及时效影响较小。而库水位变幅在105～107m之间，测孔水位变幅也不大。

3 白色析出物成因分析

3.1 白色析出物分布特征

1）白色析出物与渗水点关系。根据现场观察，廊道中迎水面和背水面都有大量的溶出物和被水侵蚀的地方，背水面比迎水面的情况严重，见图2-a。析出物受渗流出水点和廊道结构影响，多沿廊道顶部与廊道边墙接缝分布。

另外，坝下游面局部渗漏点沿水流呈狭长带状析出白色物质，见图2-b。大坝水位以上裂缝未见白色物质。

图2 析出物与渗水点位置关系

2）析出物与坝基渗流关系。坝基基岩具强透水性，施工中采取15～20m深悬挂帷幕，进行垂直防渗，勘探试验和监测资料显示目前帷幕有效坝基扬压力性态基本正常，扬压力系数实测值未超过设计值，坝基帷幕灌浆和排水孔联合防渗效果较好；受下游水位较高影响，坝基扬压力值较大。同时，水质分析和溶出物成分分析均未发现基岩的一些成分。基本上可以排除基础帷幕灌浆破坏发生渗漏的可能性。

3）对8组白色析出物样品进行XRD分析，采用CuKa靶，Ni滤波片，对衍射数据d值进行测定，分析样品的物相，在22°～58°间显示多重衍射峰，其中加位22°～24°，29°～30°，35°～40°，46°～50°，56°～58°等位置附近出现特征衍射强峰（见图3）。

测试结果表明，8个样品衍射值均与PDF标准卡片（PDF No：410-1475，05-0586）矿物碳酸钙的衍射数据吻合，析出物均为矿物碳酸钙。

3.2 白色析出物的“类溶蚀机理”

据相关研究成果，白色产生的析出物产生的原因可能有混凝土碳化、碱骨料反应、软水侵蚀或混凝土溶蚀等。

图3 析出物成分XRD分析

1）混凝土碳化。根据2011年某研究院对大坝各主要结构的混凝土碳化层深度进行了检测，包括迎水面等碳化层最大深度为21.4mm。因此廊道及下游坝面白色析出物不是混凝土碳化形成的。

2）碱骨料反应（AAR）。根据试验成果粗集料不具碱硅酸盐反应活性，而细集料具有碱活性。碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。掺某些活性混合材（如粉煤灰）可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应[4]。根据附近工程碱活性抑制试验，掺粉煤灰较为有效，如果取代质量分数为30%的水泥，可有效地抑制碱骨料反应。该RCC坝在施工中每方混凝土掺粉煤灰98～107kg，质量分数4.2%～4.5%，有效抑制了碱活性，故廊道及下游坝面白色析出物是碱骨料反应形成的可能性不大。

3）软水侵蚀及混凝土溶蚀。根据水质分析成果库区水一般为微硬水，钙离子含量70.72mg／L，硬水中的阴／阳离子基本上处于接近平衡状态，化学上近似认为是一种稳定的无机溶剂，对于水泥等碳酸盐／硅酸盐物质的腐蚀作用不显著，基本不存在软水侵蚀可能。但是库水在雨季为软水，对流经坝体分缝及裂缝具有表面溶蚀作用[5]。

析出物化学成分分析表明，析出物为碳酸钙。从表面现象看廊道及大坝下游裂缝渗漏处确实是渗漏水中的Ca2＋在混凝土外部与空气中的CO2反应生成的结晶物质CaCO3，但是渗漏水中的Ca2＋不是或者至少大部分不是水泥中Ca（OH）2，这种溶蚀机理作者定义为“类岩溶溶蚀机理”。

石灰岩主要成分是碳酸钙（CaCO3），在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙[Ca（HCO3）2]，

后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步扩大，如果混凝土中发生这种反应，危害显而易见。从现象上来看该混凝土坝体廊道渗流具有坝段分缝及裂缝（节理发育），且渗漏明显（地下水具有流动性），但是环境水不具有侵蚀作用，混凝土也不具有可溶性，因此不是岩溶溶蚀现象中对固体介质侵蚀。库水中存在一定浓度（达到硬水标准）的碳酸氢钙，碳酸氢钙属微溶性物质，溶解度要比碳酸钙大的多，100mL的水在20℃的情况下是16.6g，碳酸钙难溶于水。HCO3-＝H＋＋CO32-是个可逆反应，廊道及坝面下游坡碳酸氢钙在裂缝处流速变缓、压力突变及光照日晒受热（下游坝坡）下又会分解：

二氧化碳逸去，水中的碳酸钙过饱和沉淀，形成从裂缝口沿重力方向向下生长的一种白色析出物。开始以小突起附在裂缝口，以后逐渐向下增长，具有同心同面层状结构。

同时从水质分析成果中可以看出库水通过坝体分缝或裂缝后，Ca含量从70.72mg／L降低到22.85mg／L，水质也从微硬水变化到极软水。根据渗漏量计算理论上2000年1月至2003年12月坝体平均渗漏量0.61L／s，2004年1月至2005年3月体平均渗漏量1.28L／s，CaCO3分子量100.09，Ca分子量40，对应于Ca含39.96%，以上两个时段析出钙质质量理论上大致为9188，6609kg。2004年1月至2005年3月底时段理论析出物质量略小实际记录，分析原因主要为2005年1月至3月渗漏量实际增大较多，清理过程中杂质、水分含量较大，虽水质为硬水，但硬度不大，降水量略大后，存在局部时段为软水，裂缝面可能存在接触溶蚀。整体上理论计算与清理记录基本一致，廊道及坝体下游坡面白色析出碳酸钙是“类溶蚀作用”形成，钙质主要来源于库水。

3.3 水体对坝体分缝及裂缝溶蚀

库水在雨季一般受降水量影响，硬度降低，为软水，尤其廊道渗流水为软～极水，对流经混凝土具有一定侵蚀性，尤其是坝体分缝及裂缝，流速更大。水工混凝土在一定流速软水作用下的表面接触溶蚀特性，随着表面接触溶蚀时间的延长，混凝土表层砂浆溶蚀越来越严重，溶出的物质越来越多。掺入粉煤灰，可使溶蚀速率加快，溶蚀量增大[5]。不掺粉煤灰的水泥砂浆比掺有粉煤灰的水泥砂浆更耐久，经过软水溶蚀的试件表面极为疏松，有明显的剥蚀痕迹。软水溶蚀后的粉煤灰砂浆试件表面则更加粗糙、疏松。水泥砂浆、水泥粉煤灰砂浆经过软水溶蚀后其表层孔隙率增大、砂浆孔结构劣化[5]。该RCC坝体分缝和裂缝渗漏模式与相关研究具有很高相似性，从坝体材料浸泡或渗透的试验方法不适合于评价混凝土暴露在流水中的溶蚀情况[5]，这就可以很好解释坝体具弱透水性，溶蚀还是可以发生的原因，同时从侧面说明本文3.3中统计析出物在2005年后比理论计算增多原因。

4 对坝体的危害分析

混凝土强度影响分析：根据钻探芯样完整性来看，除个别段破碎外，均较完整，说明坝体大部分混凝土密实度较好，混凝土结构稳定性较好，但廊道对应段及层间结合部位混凝土质量较差，层间结合部位较差处并无大面积连续情况。从强度检测结果分析，混凝土强度增长基本正常，混凝土抗压强度平均值为23.31～27.32MPa，符合原设计200号的要求。但施工质量稳定性不是很好，质量较差处，钻孔芯样基本不能成型。三级配混凝土设计强度15.52 MPa，二级配混凝土设计强度20.7MPa，竣工检测三级配混凝土强度17.7～18.6MPa，二级配混凝土23.7～25.0MPa。整体上强度损失现象不明显。

5 结语

通过研究可以得出以下几点认识。

1）该坝体渗漏量受温度影响与裂缝开展有关，温度降低，渗漏量增大；混凝土结构的整体抗渗性能满足使用要求，但在坝段接缝及裂缝等薄弱部位处，已形成渗漏通道，存在表面接触溶蚀；

2）廊道及坝体下游坡面白色析出碳酸钙是“类溶蚀作用”形成，其中Ca质成分主要来源于库水，是环境水通过混凝土坝体接缝或裂缝后，在廊道或下游坝面出溢处压力减小或者温度升高，碳酸根会和钙离子沉淀，或者与空气中的CO2反应生成的结晶物质碳酸钙。另外一部分来源于混凝土坝体分缝和裂缝面的溶蚀。

3）从坝体混凝土强度检测表明，坝体自建成后，虽存在渗流，但整体强度满足设计要求，未出现碱骨料反应、软水侵蚀等形成钙质大量流失、强度大比例损失的现象，基本排除碱骨料反应、坝体软水侵蚀等不良危害性化学反应，析出物对坝体稳定运营影响不大。

4）分析并提出了库坝白色析出碳酸钙的“类溶蚀”成因机理，但限于半定量和定性分析，缺少对坝体分缝和裂缝溶蚀程度的定量分析。

[1]南京化工学院无机非金属材料研究所.CECS48-93砂、石碱活性快速试验方法[S].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2]中华人民共和国国家经贸委.DL／T5152-2001水工混凝土水质分析试验规程[S].北京：中国电力出版社，2002.

[3]中华人民共和国住房和城乡建部.水利水电工程地质勘察规范[S].GB50487—2008.北京：中国计划出版社，2008.

[4]慈军，李双喜，陈国新.骨料碱活性快速检验及抑制试验研究[J].人民黄河，2010，32（1）：120-121.

[5]阮燕，方坤河.水工混凝土表面接触溶蚀特性的试验研究[J].建筑材料学报，2007，10（5）：528-533.

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