摘要: 混凝土由于受環(huán)境水或地下水中的硫酸鹽離子的影響, 其表面被侵蝕剝落的現(xiàn)象非常普遍。尤其在硫酸鹽離子濃度高的地方, 若采用沒(méi)有任何預(yù)防措施的普通混凝土, 就可能在短短的幾個(gè)月內(nèi)被剝蝕、脫落, 造成鋼筋的保護(hù)層減小、甚至露筋的現(xiàn)象, 嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)及建筑物的安全。SK-D是一種抗硫酸鹽侵蝕的外加劑, 本文介紹了其在獨(dú)流減河進(jìn)洪閘除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 水工材料; 抗硫酸鹽侵蝕劑; 應(yīng)用; 獨(dú)流減河進(jìn)洪閘
中圖分類(lèi)號(hào): TU528133 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B 文章編號(hào): 1007- 0133 (2007) 01- 0051- 02
0 工程概況
獨(dú)流減河進(jìn)洪閘位于大清河與子牙河匯合處,是獨(dú)流減河的首部控制工程, 主要作用是為了使大清河的汛期洪水經(jīng)獨(dú)流減河直接入海, 以保證天津市和津浦鐵路的安全及大清河中下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全; 其次是在汛后還可排除澇水以減輕瀝澇災(zāi)害。
獨(dú)流減河進(jìn)洪閘樞紐由南閘、北閘組成, 北閘在左, 南閘在右, 兩閘中間有一島隔開(kāi), 南閘較北閘偏向下游100 m。兩閘室軸線(xiàn)平行布置, 軸線(xiàn)中心線(xiàn)的間距為450m。北閘建成于1953年, 南閘建成于1969年, 工程經(jīng)多年運(yùn)用后, 兩閘均存在基礎(chǔ)沉降、閘室整體抗滑穩(wěn)定不足、交通橋標(biāo)準(zhǔn)低及工程老化嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。因此, 在2000年對(duì)該閘做了全面的質(zhì)量檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算, 同年7月水利部海河委員會(huì)組織專(zhuān)家組對(duì)該閘進(jìn)行了安全鑒定,被評(píng)定為三類(lèi)閘, 故急需除險(xiǎn)加固。
這次除險(xiǎn)加固的目的除了要消除已存在的險(xiǎn)情外, 還要求根據(jù)《天津城市防洪規(guī)劃》的要求, 將獨(dú)流減河的設(shè)計(jì)泄洪能力由原規(guī)劃的3 200 m3 / s增加到3 600m3 / s, 同時(shí)要求獨(dú)流減河進(jìn)洪閘還應(yīng)滿(mǎn)足排澇、蓄水灌溉和引水等綜合利用的要求。
該除險(xiǎn)加固工程于2005年4月開(kāi)工建設(shè), 建成后的北閘為13孔、南閘為27孔(南、北兩閘的閘孔凈寬均為915 m, 閘墩厚均為112 m) , 進(jìn)洪閘的工作閘門(mén)均為露頂式平面定輪鋼閘門(mén), 采用2 ×160 kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作。
1 工程地質(zhì)
閘址區(qū)勘探深度3510 m范圍內(nèi), 除表層為人工填土(mlQ)或混凝土底板外, 其下所揭露的地層均為第四系全新統(tǒng)(Q4 )沉積物, 按其巖性特征、沉積環(huán)境、時(shí)代可劃分四大層, 即人工填土mlQ) 、第四系全新統(tǒng)第一陸相層( alQ43 ) 、第四系全新統(tǒng)第一海相層(mQ42 )和第四系全新統(tǒng)第二陸相層( alQ41 ) 。土質(zhì)以壤土及砂壤土為主, 中間夾有1層平均厚度為615 m的粉細(xì)砂。
兩閘址的淺層地下水均為孔隙潛水, 主要由大氣降水和河水補(bǔ)給, 地下水水位受季節(jié)和河水的影響而略有變化。通過(guò)對(duì)閘址地區(qū)地下水的水質(zhì)分析得知, 地下水中SO42 的最大含量為418182 mg/L,此外還含有K+ 、Na+ 、Mg2 + 等陽(yáng)離子和HCO- 、Cl- 、CO32 - 等陰離子。
硫酸鹽在我國(guó)的含量非常豐富, 分布也非常廣泛。我國(guó)每年由于混凝土受腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失至少要在400億元以上[ 1 ] , 其中硫酸鹽侵蝕就是主要因素之一。獨(dú)流減河進(jìn)洪閘閘址地區(qū)的地下水因SO42 的含量大, 因此在進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)需要考慮混凝土抗硫酸鹽侵蝕的問(wèn)題。
2 硫酸鹽的侵蝕機(jī)理
混凝土由于受環(huán)境水或地下水中的硫酸鹽離子的影響, 其表面被侵蝕剝落的現(xiàn)象非常普遍。尤其在硫酸鹽離子濃度高的地方及水位變化區(qū), 沒(méi)有采取任何預(yù)防措施的普通混凝土表面可以在短短的幾個(gè)月內(nèi)被剝蝕、脫落, 造成鋼筋的保護(hù)層減小甚至露筋的現(xiàn)象, 這直接影響工程的運(yùn)行, 威脅建筑物的安全。
環(huán)境水對(duì)混凝土的腐蝕可劃分為分解類(lèi)、結(jié)晶類(lèi)及分解結(jié)晶復(fù)合類(lèi)3種類(lèi)型。硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕機(jī)理比較復(fù)雜, 其發(fā)生化學(xué)變化后的生成物也較多, 主要受環(huán)境水中含有的陽(yáng)離子(如Na+ 、Mg2 + 等) 及陰離子(如SO42 - 、Cl- 、CO32 - 、Al2O66 - 等)的種類(lèi)和數(shù)量的影響。
在單純的硫酸鹽溶液中, 混凝土受腐蝕會(huì)發(fā)生以下變化: 混凝土中的NaSO4 和MgSO4 吸水分別形成NaSO4·10H2O和MgSO4·7H2O使體積膨脹4～5倍, 造成結(jié)晶壓力而產(chǎn)生裂縫; 硫酸鹽離子與硬化混凝土中的Ca (OH) 2 反應(yīng)產(chǎn)生石膏(CaSO4 )·2H2O, 石膏的形成又導(dǎo)致混凝土剛度、強(qiáng)度的降低而引起軟化[ 2 ] 。
混凝土受腐蝕的主要化學(xué)方程式為:Ca (OH) 2 +Na2 SO4 + 2H2O→CaSO4·2H2O +NaOHCa (OH ) 2 +MgSO4 + 2H2O →CaSO4 ·2H2O + Mg(OH) 2當(dāng)硫酸鹽溶液中含有可溶性的陽(yáng)離子(如Na+ 、K+ )時(shí), 硫酸鹽與C3A反應(yīng)生成鈣礬石并體積膨脹, 再加上混凝土抗拉強(qiáng)度低的弱點(diǎn), 使得混凝土在膨脹壓力下破壞。
如果混凝土受SO42 - 和CO32 - 的共同侵蝕, 會(huì)有硅灰石膏產(chǎn)生, 發(fā)生硅灰石膏型硫酸鹽侵蝕( thaumasite form of sulfate attack, TSA) [ 5 ] 。硅灰石膏直接使水泥中水化硅酸鈣(CSH)凝膠體分解, 使混凝土完全變成一種無(wú)強(qiáng)度的果肉狀爛泥, 因而它的破壞性更強(qiáng), 近年來(lái)受到各國(guó)學(xué)者的高度重視。
3 硫酸鹽侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
按環(huán)境水中硫酸鹽離子的含量, 可將其對(duì)混凝土的腐蝕分成表1所示的4種程度[ 3 ] 。
依照表1的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 獨(dú)流減河進(jìn)洪閘的環(huán)境水對(duì)普通混凝土具有中等腐蝕性。
4 抗硫酸鹽混凝土配合比設(shè)計(jì)
綜合考慮獨(dú)流減河進(jìn)洪閘所處的環(huán)境、氣候及環(huán)境水等因素, 選擇混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不小于C25、抗凍等級(jí)不小于F150、抗?jié)B等級(jí)不小于W4。
施工單位據(jù)此要求及地下水中富含SO42 的實(shí)際情況, 進(jìn)行了摻SK-D抗硫酸鹽侵蝕劑的混凝土配合比試驗(yàn), 最終選定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比見(jiàn)表2。
5 抗硫酸鹽混凝土施工
(1) 混凝土攪拌站應(yīng)嚴(yán)格控制外加劑的摻量,設(shè)置專(zhuān)人加強(qiáng)管理, 避免造成摻量不足的現(xiàn)象。
(2) 現(xiàn)場(chǎng)拌制的混凝土的拌和時(shí)間要比普通混凝土延長(zhǎng)30 s, 以保證外加劑拌和均勻。
(3) 混凝土在施工時(shí)應(yīng)布料均勻、振搗密實(shí),澆注完成后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù), 在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)應(yīng)保證混凝土表面濕潤(rùn)。
6 結(jié)語(yǔ)
(1) SK-D抗硫酸鹽侵蝕劑是由優(yōu)化級(jí)配的礦物摻和料、增強(qiáng)填料、分散劑及減水劑等組成。在混凝土中摻入6% ～10%水泥用量的抗硫酸鹽侵蝕劑,可提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的能力,但其實(shí)際的摻量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。
(2) 環(huán)境水對(duì)混凝土的腐蝕除化學(xué)作用外, 還有機(jī)械、物理作用的影響。
(3) 在不同氣候條件下, 腐蝕介質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕作用是不同的。在寒冷的氣候條件下, 硫酸鹽的腐蝕能力強(qiáng)。
(4) 混凝土越密實(shí)、抗?jié)B標(biāo)號(hào)越高, 則其耐腐蝕性越好。所以, 當(dāng)采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別時(shí), 混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)不應(yīng)小于W4、水灰比不應(yīng)大于0.6
(5) 水泥的組分及其含量對(duì)混凝土的硫酸鹽侵蝕有很大的影響, 其中C3A、C3 S是2 個(gè)重要指標(biāo)[ 4 ] 。若C3A含量過(guò)高, 易于生成過(guò)多的膨脹性產(chǎn)物鈣礬石, 導(dǎo)致混凝土膨脹破壞。一般水泥中C3A的含量要限制在5%～8%。
(6) 在水位變化區(qū)及干濕交替的部位尤其要重視硫酸鹽的侵蝕, 因?yàn)楦蓾裱h(huán)會(huì)使硫酸根離子在局部富積, 造成局部的硫酸鹽含量過(guò)高, 加快混凝土的腐蝕速度。
(7) 在混凝土中摻加SK-D后, 還能夠提高混凝土抗Cl- 離子侵蝕的能力。
參考文獻(xiàn):
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