摘要: 混凝土由于受环境水或地下水中的硫酸盐离子的影响, 其表面被侵蚀剥落的现象非常普遍。尤其在硫酸盐离子浓度高的地方, 若采用没有任何预防措施的普通混凝土, 就可能在短短的几个月内被剥蚀、脱落, 造成钢筋的保护层减小、甚至露筋的现象, 严重威胁结构及建筑物的安全。SK-D是一种抗硫酸盐侵蚀的外加剂, 本文介绍了其在独流减河进洪闸除险加固工程中的应用。
关键词: 水工材料; 抗硫酸盐侵蚀剂; 应用; 独流减河进洪闸
中图分类号: TU528133 文献标志码: B 文章编号: 1007- 0133 (2007) 01- 0051- 02
0 工程概况
独流减河进洪闸位于大清河与子牙河汇合处,是独流减河的首部控制工程, 主要作用是为了使大清河的汛期洪水经独流减河直接入海, 以保证天津市和津浦铁路的安全及大清河中下游地区人民的生命财产安全; 其次是在汛后还可排除涝水以减轻沥涝灾害。
独流减河进洪闸枢纽由南闸、北闸组成, 北闸在左, 南闸在右, 两闸中间有一岛隔开, 南闸较北闸偏向下游100 m。两闸室轴线平行布置, 轴线中心线的间距为450m。北闸建成于1953年, 南闸建成于1969年, 工程经多年运用后, 两闸均存在基础沉降、闸室整体抗滑稳定不足、交通桥标准低及工程老化严重等诸多问题。因此, 在2000年对该闸做了全面的质量检测及复核计算, 同年7月水利部海河委员会组织专家组对该闸进行了安全鉴定,被评定为三类闸, 故急需除险加固。
这次除险加固的目的除了要消除已存在的险情外, 还要求根据《天津城市防洪规划》的要求, 将独流减河的设计泄洪能力由原规划的3 200 m3 / s增加到3 600m3 / s, 同时要求独流减河进洪闸还应满足排涝、蓄水灌溉和引水等综合利用的要求。
该除险加固工程于2005年4月开工建设, 建成后的北闸为13孔、南闸为27孔(南、北两闸的闸孔净宽均为915 m, 闸墩厚均为112 m) , 进洪闸的工作闸门均为露顶式平面定轮钢闸门, 采用2 ×160 kN固定卷扬式启闭机操作。
1 工程地质
闸址区勘探深度3510 m范围内, 除表层为人工填土(mlQ)或混凝土底板外, 其下所揭露的地层均为第四系全新统(Q4 )沉积物, 按其岩性特征、沉积环境、时代可划分四大层, 即人工填土mlQ) 、第四系全新统第一陆相层( alQ43 ) 、第四系全新统第一海相层(mQ42 )和第四系全新统第二陆相层( alQ41 ) 。土质以壤土及砂壤土为主, 中间夹有1层平均厚度为615 m的粉细砂。
两闸址的浅层地下水均为孔隙潜水, 主要由大气降水和河水补给, 地下水水位受季节和河水的影响而略有变化。通过对闸址地区地下水的水质分析得知, 地下水中SO42 的最大含量为418182 mg/L,此外还含有K+ 、Na+ 、Mg2 + 等阳离子和HCO- 、Cl- 、CO32 - 等阴离子。
硫酸盐在我国的含量非常丰富, 分布也非常广泛。我国每年由于混凝土受腐蚀所造成的经济损失至少要在400亿元以上[ 1 ] , 其中硫酸盐侵蚀就是主要因素之一。独流减河进洪闸闸址地区的地下水因SO42 的含量大, 因此在进行除险加固时需要考虑混凝土抗硫酸盐侵蚀的问题。
2 硫酸盐的侵蚀机理
混凝土由于受环境水或地下水中的硫酸盐离子的影响, 其表面被侵蚀剥落的现象非常普遍。尤其在硫酸盐离子浓度高的地方及水位变化区, 没有采取任何预防措施的普通混凝土表面可以在短短的几个月内被剥蚀、脱落, 造成钢筋的保护层减小甚至露筋的现象, 这直接影响工程的运行, 威胁建筑物的安全。
环境水对混凝土的腐蚀可划分为分解类、结晶类及分解结晶复合类3种类型。硫酸盐对混凝土的侵蚀机理比较复杂, 其发生化学变化后的生成物也较多, 主要受环境水中含有的阳离子(如Na+ 、Mg2 + 等) 及阴离子(如SO42 - 、Cl- 、CO32 - 、Al2O66 - 等)的种类和数量的影响。
在单纯的硫酸盐溶液中, 混凝土受腐蚀会发生以下变化: 混凝土中的NaSO4 和MgSO4 吸水分别形成NaSO4·10H2O和MgSO4·7H2O使体积膨胀4～5倍, 造成结晶压力而产生裂缝; 硫酸盐离子与硬化混凝土中的Ca (OH) 2 反应产生石膏(CaSO4 )·2H2O, 石膏的形成又导致混凝土刚度、强度的降低而引起软化[ 2 ] 。
混凝土受腐蚀的主要化学方程式为:Ca (OH) 2 +Na2 SO4 + 2H2O→CaSO4·2H2O +NaOHCa (OH ) 2 +MgSO4 + 2H2O →CaSO4 ·2H2O + Mg(OH) 2当硫酸盐溶液中含有可溶性的阳离子(如Na+ 、K+ )时, 硫酸盐与C3A反应生成钙矾石并体积膨胀, 再加上混凝土抗拉强度低的弱点, 使得混凝土在膨胀压力下破坏。
如果混凝土受SO42 - 和CO32 - 的共同侵蚀, 会有硅灰石膏产生, 发生硅灰石膏型硫酸盐侵蚀( thaumasite form of sulfate attack, TSA) [ 5 ] 。硅灰石膏直接使水泥中水化硅酸钙(CSH)凝胶体分解, 使混凝土完全变成一种无强度的果肉状烂泥, 因而它的破坏性更强, 近年来受到各国学者的高度重视。
3 硫酸盐侵蚀分级标准
按环境水中硫酸盐离子的含量, 可将其对混凝土的腐蚀分成表1所示的4种程度[ 3 ] 。
依照表1的分级标准, 独流减河进洪闸的环境水对普通混凝土具有中等腐蚀性。
4 抗硫酸盐混凝土配合比设计
综合考虑独流减河进洪闸所处的环境、气候及环境水等因素, 选择混凝土的强度等级不小于C25、抗冻等级不小于F150、抗渗等级不小于W4。
施工单位据此要求及地下水中富含SO42 的实际情况, 进行了掺SK-D抗硫酸盐侵蚀剂的混凝土配合比试验, 最终选定的抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比见表2。
5 抗硫酸盐混凝土施工
(1) 混凝土搅拌站应严格控制外加剂的掺量,设置专人加强管理, 避免造成掺量不足的现象。
(2) 现场拌制的混凝土的拌和时间要比普通混凝土延长30 s, 以保证外加剂拌和均匀。
(3) 混凝土在施工时应布料均匀、振捣密实,浇注完成后应及时养护, 在养护期内应保证混凝土表面湿润。
6 结语
(1) SK-D抗硫酸盐侵蚀剂是由优化级配的矿物掺和料、增强填料、分散剂及减水剂等组成。在混凝土中掺入6% ～10%水泥用量的抗硫酸盐侵蚀剂,可提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的能力,但其实际的掺量应根据现场试验确定。
(2) 环境水对混凝土的腐蚀除化学作用外, 还有机械、物理作用的影响。
(3) 在不同气候条件下, 腐蚀介质对混凝土的腐蚀作用是不同的。在寒冷的气候条件下, 硫酸盐的腐蚀能力强。
(4) 混凝土越密实、抗渗标号越高, 则其耐腐蚀性越好。所以, 当采用上述标准进行判别时, 混凝土的抗渗标号不应小于W4、水灰比不应大于0.6
(5) 水泥的组分及其含量对混凝土的硫酸盐侵蚀有很大的影响, 其中C3A、C3 S是2 个重要指标[ 4 ] 。若C3A含量过高, 易于生成过多的膨胀性产物钙矾石, 导致混凝土膨胀破坏。一般水泥中C3A的含量要限制在5%～8%。
(6) 在水位变化区及干湿交替的部位尤其要重视硫酸盐的侵蚀, 因为干湿循环会使硫酸根离子在局部富积, 造成局部的硫酸盐含量过高, 加快混凝土的腐蚀速度。
(7) 在混凝土中掺加SK-D后, 还能够提高混凝土抗Cl- 离子侵蚀的能力。
参考文献:
[ 1 ] 马孝轩. 非金属材料土壤腐蚀试验研究[M ] . 上海:上海交通大学出版社, 1992.
[ 2 ] BingTian, MenashiD. Cohen, Does gyp sum during sulfateattack [ J ] . Cem and Coner Res, 2000, 30: 117- 123.
[ 3 ] GB 50287- 99, 水利水电工程地质勘查规范[ S].
[ 4 ] Paulo J. M. Monteiroa, Kimberly E. Kurtis Time to fail2ure for concrete expoded to aggressive sulfate environments[ J ]. Cem Coner Com. 2002, 24 (4) : 305-316.
[ 5 ] NORAH C. The occurrence of thaumasite in modern con2struction ———a review [ J ] . Cem Concr Compos, 2002,24 (4) : 393- 402.
