摘 要: 水利水電工程中地下工程較多,在有硫酸鹽侵蝕的地區(qū),其混凝土均有抗侵蝕要求,在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),采用“雙摻”技術(shù)可在滿足混凝土技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí),有效降低施工成本。
關(guān)鍵詞: 硫酸鹽強(qiáng)侵蝕;混凝土;配合比;“雙摻”技術(shù)
中圖分類號(hào): TV42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào):1006 - 3951 (2007) 02 - 0067 - 03
1 工程概況
恰甫其海水利樞紐工程位于新疆伊犁地區(qū)鞏留縣和特克斯縣境內(nèi),壩址位于特克斯河中下游段,是流域規(guī)劃中最大的工程,引水式電站廠房裝機(jī)容量320 MW,粘土心墻壩高111 m。導(dǎo)流洞由進(jìn)水口引渠段、閘井段、洞身段和出口明渠消能段組成。導(dǎo)流洞后期改建為中孔泄洪洞。導(dǎo)流洞及中孔泄洪洞均采用全斷面鋼筋混凝土襯砌,混凝土量約為61 000m3 。
工程位于特克斯河中下游的烏孫山峽谷中,巖性主要為凝灰?guī)r和泥晶灰?guī)r,節(jié)理裂隙較發(fā)育;導(dǎo)流洞進(jìn)出口明渠及洞身位于地下水位以下,有滲水和滴水現(xiàn)象。地下水中硫酸根離子含量為451. 5～2 324. 6 mgPL ,根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287 - 99) 規(guī)定,要求混凝土應(yīng)具備抗硫酸鹽強(qiáng)侵蝕的能力。如果混凝土單純采用普通水泥,會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽的強(qiáng)侵蝕,采用中抗或高抗硫酸鹽水泥,不會(huì)產(chǎn)生侵蝕。環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。
恰甫其海導(dǎo)流洞處于含硫酸離子較高的地下水位以下,根據(jù)規(guī)定設(shè)計(jì)需要采用抗硫酸鹽水泥。因抗硫酸水泥價(jià)格較高,生產(chǎn)廠家距工程所在地較遠(yuǎn),且運(yùn)輸困難,這樣成本既高,又不能保障施工需要。因此需要研究采取另外的技術(shù)措施解決該問題。
2 硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕的機(jī)理及防治
2. 1 硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕的機(jī)理
硫酸鹽對(duì)混凝土建筑物的侵蝕,通常為所處環(huán)境的地下或地面水(常稱為環(huán)境水) 中含硫酸鹽(SO42 - ) 濃度有密切關(guān)系,它會(huì)與混凝土中Ca (OH) 2和CAH(水化鋁酸鈣3CaO·Al2O3 ·6H2O) 發(fā)生反應(yīng),生成過量的石膏(CaSO4 ·2H2O) 和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·3lH2O) ,由于石膏和鈣礬石的結(jié)晶膨脹而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)膨脹開裂。在侵蝕過程中,環(huán)境水內(nèi)所含硫酸鹽是侵蝕介質(zhì),水是載體,屬侵蝕外因;混凝土中的Ca (OH) 2 和CAH 是發(fā)生侵蝕的內(nèi)因,外因通過內(nèi)因起作用。當(dāng)混凝土中的Ca (OH) 2和CAH 含量愈高,隨著環(huán)境水中所含SO42 - 濃度的增大,則對(duì)混凝土的侵蝕破壞就愈嚴(yán)重。
硅酸鹽水泥熟料是各種硅酸鹽水泥的母體?；炷林? 水化產(chǎn)物CSH (水化硅酸鈣CaO·SiO3 ·6H2O) 的量占第一位,Ca (OH) 2 占第二位,其多寡主要取決于硅酸鹽水泥熟料中的C3S(硅酸三鈣3CaO·SiO2 ) 與C3A(鋁酸三鈣3CaO·AlO2 ) 兩種礦物成分的多少和水泥中熟料的數(shù)量。
C3S 是熟料的主要礦物成分,含量高,一般不低于55 % ,它與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化產(chǎn)物CSH(水化硅酸鈣) 和Ca (OH) 2 。完全水化的硅酸鹽混凝土中,Ca (OH) 2 的量可達(dá)20 %～25 %;C3A 是熟料的重要礦物成分之一,其數(shù)量雖然比C3 S 少得多,但它是CAH 的主要來源,因C3A 與水反應(yīng)生成CAH 其化學(xué)式為:C3A + H2O →CAH。因此,在硅酸鹽類水泥中,以熟料為主的硅酸鹽水泥和普通水泥的C3 S和C3A 含量最高,所以這兩種水泥水化所形成的混凝土結(jié)構(gòu)中,水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 和CAH 一般亦較多,其抗硫酸鹽侵蝕性最差。
2. 2 混凝土對(duì)硫酸鹽侵蝕的防治措施
(1) 抗硫酸鹽水泥。減少或控制水泥熟料的C3 S 和C3A 的含量,采取在水泥中摻加大量活性混合材料,以減少熟料用量的方法,是防治硫酸鹽侵蝕的有效措施。中抗硫水泥( P. MSR) 和高抗硫水泥(P. HSR) 是以減少或控制熟料C3 S 與C3A 含量而生產(chǎn)的抗硫酸鹽水泥,中抗硫水泥熟料的C3 S 含量不超過55 % ,C3A 不超過5 % ,適用于SO42 - 濃度小于等于2 500 mgPL 的侵蝕環(huán)境;高抗硫水泥熟料的C3 S數(shù)量小于50 % ,C3A 小于3 % ,適用于SO42 - 濃度小于等于8 000 mgPL 的侵蝕環(huán)境。
(2) 摻混合材水泥。礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥都是以摻加大量活性混合材(粒化高爐礦碴、火山灰質(zhì)混合材、粉煤灰) ,替代并減少熟料用量而改善抗侵蝕性的水泥。其所摻大量的活性混合材不僅顯著減少熟料或減少C3 S 與C3A ,在水泥水化時(shí),這些活性混合材還會(huì)吸收熟料C3S 的水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 ,因Ca (OH) 2 對(duì)活性材料起激發(fā)劑的作用,會(huì)與混合材料中活性成分SiO2 、Al2O3 發(fā)生第二次水化反應(yīng)(熟料礦物成分的水化為第一水化反應(yīng)) ,生成CSH 和CAH ,進(jìn)一步減少混凝土中的Ca (OH) 2 。
(3) 提高混凝土密實(shí)性、抗?jié)B性?；炷两Y(jié)構(gòu)體中有不少的毛細(xì)孔隙與外界相連通,是攜帶侵蝕介質(zhì)的環(huán)境水入侵混凝土內(nèi)部的通道,是發(fā)生侵蝕并產(chǎn)生脹裂破壞的首發(fā)地。因此,提高混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性也是提高混凝土抗侵蝕性的一項(xiàng)至關(guān)重要的措施。
3 “雙摻”技術(shù)的應(yīng)用
“雙摻”技術(shù)是根據(jù)硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕的分析而提出機(jī)理防治方法,即在混凝土拌制時(shí),摻磨細(xì)的?；郀t礦渣或火山灰質(zhì)材料、粉煤灰等摻合料替代部分水泥,可以達(dá)到防治硫酸鹽侵蝕的效果;同時(shí)再摻加減水劑、引氣劑等外加劑,可提高混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性。因此混凝土采用“雙摻”技術(shù),可滿足抗硫酸鹽侵蝕的要求。
3. 1 雙摻混凝土配合比的確定
3. 1. 1 原材料選擇
(1) 砂石骨料:采用本工程人工砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的砂石骨料。
(2) 膠泥材料:水泥選用南崗水泥和鞏留縣水泥(均為工程附近的廠家生產(chǎn)) ;粉煤灰選用獨(dú)山子發(fā)電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表2 ,水泥熟料礦物成分見表3。
(3) 外加劑:選用新疆生產(chǎn)的NEA3 (引氣劑) 、云南生產(chǎn)的FTC(泵送減水劑) 、FDN 減水劑。
從表2、表3 分析數(shù)據(jù)表明:南崗水泥熟料礦物成分?jǐn)?shù)量變化相對(duì)穩(wěn)定,C3A 含量低于高抗硫水泥標(biāo)準(zhǔn),有利于抗硫酸鹽侵蝕,但是C3S 仍偏高;鞏留水泥熟料礦物成分含量變化大,特別是C3A 含量變化幅度大。以礦物成分的總體衡量,兩種水泥的抗硫酸鹽侵蝕不如中抗硫水泥,尤其是鞏留水泥。由于鞏留水泥生產(chǎn)量小,性能不穩(wěn)定,主體工程基本未使用。
3. 1. 2 混凝土配合比
根據(jù)新疆水科院推薦的配合比,在施工現(xiàn)場(chǎng)又進(jìn)行多次試配比試驗(yàn),確定導(dǎo)流洞各襯砌部位雙摻混凝土實(shí)際使用的配合比見表4。
在實(shí)際施工中引氣劑NEA3 用量根據(jù)實(shí)際檢測(cè),可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行少量控制調(diào)整, 含氣量控制在3. 5 %～5. 5 %之間。摻加30 %或25 %的獨(dú)山子Ⅰ級(jí)粉煤灰等量代替32. 5 普通水泥,減少了水泥用量,可降低了膠凝材料總量中C3S 與C3A 含量。摻粉煤灰后產(chǎn)生膠凝材料中的C3 S 和C3A 含量見表5。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,摻粉煤灰的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力基本達(dá)到使用高抗硫水泥的水平,同時(shí)摻入減水劑、引氣劑,又能顯著提高了混凝土的和易性、強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗凍性能。
3. 2 采用“雙摻”技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性
本工程采用“雙摻”技術(shù),不僅解決本地抗硫水泥供應(yīng)的困難,使工程施工能順利進(jìn)行,同時(shí)也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,經(jīng)對(duì)采用“雙摻”技術(shù)和使用高抗硫酸鹽水泥拌制的混凝土作經(jīng)濟(jì)比較,詳細(xì)比較結(jié)果見表6。
從表6 成果表明,使用“雙摻”技術(shù),比使用抗硫水泥配合比,每方混凝土可節(jié)約成本65～90 元。整個(gè)導(dǎo)流洞工程可節(jié)約投資約350 萬元。
4 結(jié)束語
恰甫其海水利樞紐工程導(dǎo)流洞使用“雙摻”技術(shù)后,不僅使抗硫水泥供應(yīng)困難得到解決,保證了導(dǎo)流洞工程順利施工,同時(shí)降低了混凝土的費(fèi)用成本,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其經(jīng)驗(yàn)可供有硫酸鹽侵蝕的地區(qū)混凝土配制抗硫酸鹽侵蝕參考和借鑒。
