荒沟抽水蓄能电站混凝土抗溶出型侵蚀试验研究及分析

崔志刚，孙宇飞，鲁恩龙，赵 兵

(1. 黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江省牡丹江市 157005;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内，电站装机容量1 200 MW，年平均发电量18.36亿kWh，年发电小时数1 530 h，抽水电量24.09亿kWh，年抽水小时数2 008 h，电站综合效率76.2%。电站上水库总库容1 161万m3，为Ⅰ等大(1) 型工程。上水库主坝、副坝、输水系统、地下厂房及开关站等主要建筑物为1级，次要建筑物为3 级[1-2]。

混凝土的溶出性侵蚀主要发生在硬度较低的环境水中，在这种环境水中，由于钙离子含量较低，当混凝土结构处于其中时，混凝土内部钙离子浓度较高的孔隙溶液和外界钙离子浓度较低的水环境中会产生钙离子浓度差，致使混凝土孔隙溶液中的钙离子向环境水中扩散，进而使得孔隙率有所增加，降低混凝土的耐久性能[4]。溶出性侵蚀又可以分为表面接触溶蚀和渗透溶蚀。表面接触溶蚀是指软水直接冲刷混凝土表面，不断带走由于离子浓度差扩散出的钙离子，发生侵蚀反应；而渗透溶蚀是指混凝土内部孔隙水在压力作用下，不断向外界迁移，软水环境下混凝土内部孔隙水分子的迁移会带走孔隙溶液中的钙离子，由此发生侵蚀反应[5]。

本文在试验的基础上考察了不同水胶比和粉煤灰掺量对溶出型侵蚀的影响，并进行了研究和分析，为针对溶出型溶蚀特性区域进行混凝土配合比设计提供参考。

2 试验概况

2.1 试验材料

水泥：冀东普通42.5水泥。

骨料：试验所用骨料均取自荒沟抽水蓄能电站下水库砂石加工系统。

原材料各项指标均满足规范要求。

2.2 试验方法

试件制备：试验拌和二级配常态混凝土，水胶比分别选择0.30、0.40、0.50和0.60，控制混凝土坍落度在70～90 mm[6]，通过筛除将小石与中石剔除，成型40 mm×40 mm×40 mm砂浆试件。试验过程中的混凝土成型与砂浆试件养护均参照《水工混凝土试验规程》[7]。

侵蚀试验设备：试验设备采用带定速搅拌圆筒形容器，试验期间间隔一定的周期更换软水，pH值为7.16，钙离子浓度为1.8 mg/L(以CaO计)。每次更换的侵蚀溶液量保持恒定，在试验换水的同时采集侵蚀溶液样品，对侵蚀溶液中的离子浓度变化进行测定，分析在一定侵蚀试验周期内溶液中离子的变化情况。

2.3 指标选取

对于混凝土的溶出型侵蚀来说，CaO的溶出是溶蚀过程的具体体现，并且CaO的溶出量与混凝土受溶蚀的程度存在着正比例的关系，是反映混凝土溶蚀程度的一个较好的研究对象[8]。CaO累计溶出比例为混凝土在溶蚀的作用条件下累计溶出的钙离子总量(以CaO计)与未受侵蚀混凝土中钙离子(以CaO计)总量的比值，该参数能够在一定程度上反映出溶蚀作用的侵蚀程度。

3 实验结果与分析

3.1 pH值的变化分析

在试件浸泡过程中，pH值的变化能够在一定程度上反映由于试件内部连通孔隙中溶出溶液所带出的碱的含量。在本次试验中采用LIDA pHS-3C pH计(精度为0.01)对试样浸泡过程中侵蚀溶液的pH值进行监测，试验结果如图1所示。

图1 侵蚀浸泡溶液pH值变化图

由试验结果可知：试件浸泡过程中pH值的变化整体趋势分为3个阶段：

(1) 浸泡试验前期(0～4 d)pH值增大速率很快，pH值迅速升高至11～12。

(2) 随着试验的进行(5～14 d)，在pH迅速升高后，又呈现迅速下降趋势，曲线斜率为负值。

前2个阶段pH值的变化主要与试件表层结晶的碱性物质有关。在浸泡初期，由于有较多的碱性物质，主要是水泥水化反应的生成物Ca(OH)2[9]进入水溶液中，使得浸泡溶液的pH值迅速升高，随后，溶液开始呈弱碱性，即pH值有所降低。

(3) 在浸泡试验进行到一定时间14 d后，pH值的变化趋于平稳，pH值维持在8～9之间。在此阶段中，试件内部孔隙中的碱性物质通过混凝土中的微细孔隙和毛细通道向表层扩散，使得碱性物质的扩散过程依然在进行，达到一个近似动态的平衡过程，所以，此阶段溶液的pH值基本维持在一定范围内小幅波动。

由于pH值测试自身特点的限制，pH值监测数据只能用于过程的粗略监控和辅助分析。

3.2 CaO累计溶出比例变化分析

钙离子浓度用EDTA滴定法测定，试验用ED-TA溶液、钙指示剂，试验仪器有铁架台、滴定管、锥形瓶、烧杯、电子称等。精确度为±0.04 mmol/L，约相当于±2滴EDTA溶液。

试验对不同浸泡时间的侵蚀溶液进行测定，并计算不同水胶比砂浆试件CaO累计溶出比例，试验结果如图2所示。

图2 CaO累计溶出比例随龄期的变化图

由试验结果可知：

(1)

式中：J为扩散通量；D为扩散系数；ρ为扩散物质的质量浓度；x为扩散方向。

(2) 不同水胶比砂浆试件在软水浸泡的过程中，CaO累计溶出比例也有着一定的差异。随着水胶比的增大，试件CaO累计溶出比例也越大，说明水胶比越大，试件中的Ca2+向侵蚀溶液中扩散的速度越快，这是由于水胶比大的砂浆试件因水的比例增加，在其表层与内部形成了较多的孔隙和通道，减小了试件表层部分Ca2+析出的阻力，也更有利于试件内部Ca2+的析出，故而造成了水胶比越大，砂浆试件的CaO累计溶出比例也越大，水泥砂浆试件在溶出型侵蚀环境中的耐久性越差。

4 结 语

(1) 通过对浸泡溶液pH值的监测可知，浸泡溶液的pH值的变化趋势为先迅速升高至11～12，再降低至8附近，然后维持在8～9之间波动的形式，但由于pH值测试自身特点的限制，pH值监测数据只能用于过程的粗略监控和辅助分析；

(2) 在试验的浸泡龄期中，浸泡溶液中的CaO累计溶出比例变化趋势:先以较快的溶出速率快速增长，然后增长速率逐渐减小，减小至一定程度后，又略有增加，继而再维持在一定的增长速率平稳增长；

(3) 水胶比越大，试件中的Ca2+向侵蚀溶液中扩散的速度越快，其试件CaO累计溶出比例也越大，水泥砂浆试件在溶出型侵蚀环境中的耐久性越差。

参考文献:

[1] 李炜.水力计算手册[M].2版.北京:中国水利水电出版社，2006.

[2] 张健,单志高,夏江.浅谈虹吸管在小型水库除险加固中的设计与应用[J].中国科技信息,2013(10):87-87.

[3] 李惠英,田文铎,阎海新.倒虹吸管[M].北京:中国水利水电出版社，2006.

[4] 黄健,刘恒,虹吸管在金东区水库除险加固中的应用[J].浙江水利科技,2010(09)：73-76.

[5] 栾琳,毛凤滨,王立涛.虹吸管在山区小型水库中的应用[J].黑龙江水利科技,2007(05)：199-201.