摘 要: 水利水电工程中地下工程较多,在有硫酸盐侵蚀的地区,其混凝土均有抗侵蚀要求,在进行混凝土配合比设计时,采用“双掺”技术可在满足混凝土技术指标要求的同时,有效降低施工成本。
关键词: 硫酸盐强侵蚀;混凝土;配合比;“双掺”技术
中图分类号: TV42 文献标识码: B 文章编号:1006 - 3951 (2007) 02 - 0067 - 03
1 工程概况
恰甫其海水利枢纽工程位于新疆伊犁地区巩留县和特克斯县境内,坝址位于特克斯河中下游段,是流域规划中最大的工程,引水式电站厂房装机容量320 MW,粘土心墙坝高111 m。导流洞由进水口引渠段、闸井段、洞身段和出口明渠消能段组成。导流洞后期改建为中孔泄洪洞。导流洞及中孔泄洪洞均采用全断面钢筋混凝土衬砌,混凝土量约为61 000m3 。
工程位于特克斯河中下游的乌孙山峡谷中,岩性主要为凝灰岩和泥晶灰岩,节理裂隙较发育;导流洞进出口明渠及洞身位于地下水位以下,有渗水和滴水现象。地下水中硫酸根离子含量为451. 5～2 324. 6 mgPL ,根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287 - 99) 规定,要求混凝土应具备抗硫酸盐强侵蚀的能力。如果混凝土单纯采用普通水泥,会产生硫酸盐的强侵蚀,采用中抗或高抗硫酸盐水泥,不会产生侵蚀。环境水腐蚀判定标准详见表1。
恰甫其海导流洞处于含硫酸离子较高的地下水位以下,根据规定设计需要采用抗硫酸盐水泥。因抗硫酸水泥价格较高,生产厂家距工程所在地较远,且运输困难,这样成本既高,又不能保障施工需要。因此需要研究采取另外的技术措施解决该问题。
2 硫酸盐对混凝土侵蚀的机理及防治
2. 1 硫酸盐对混凝土侵蚀的机理
硫酸盐对混凝土建筑物的侵蚀,通常为所处环境的地下或地面水(常称为环境水) 中含硫酸盐(SO42 - ) 浓度有密切关系,它会与混凝土中Ca (OH) 2和CAH(水化铝酸钙3CaO·Al2O3 ·6H2O) 发生反应,生成过量的石膏(CaSO4 ·2H2O) 和钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·3lH2O) ,由于石膏和钙矾石的结晶膨胀而导致混凝土结构膨胀开裂。在侵蚀过程中,环境水内所含硫酸盐是侵蚀介质,水是载体,属侵蚀外因;混凝土中的Ca (OH) 2 和CAH 是发生侵蚀的内因,外因通过内因起作用。当混凝土中的Ca (OH) 2和CAH 含量愈高,随着环境水中所含SO42 - 浓度的增大,则对混凝土的侵蚀破坏就愈严重。
硅酸盐水泥熟料是各种硅酸盐水泥的母体。混凝土中, 水化产物CSH (水化硅酸钙CaO·SiO3 ·6H2O) 的量占第一位,Ca (OH) 2 占第二位,其多寡主要取决于硅酸盐水泥熟料中的C3S(硅酸三钙3CaO·SiO2 ) 与C3A(铝酸三钙3CaO·AlO2 ) 两种矿物成分的多少和水泥中熟料的数量。
C3S 是熟料的主要矿物成分,含量高,一般不低于55 % ,它与水发生化学反应生成水化产物CSH(水化硅酸钙) 和Ca (OH) 2 。完全水化的硅酸盐混凝土中,Ca (OH) 2 的量可达20 %～25 %;C3A 是熟料的重要矿物成分之一,其数量虽然比C3 S 少得多,但它是CAH 的主要来源,因C3A 与水反应生成CAH 其化学式为:C3A + H2O →CAH。因此,在硅酸盐类水泥中,以熟料为主的硅酸盐水泥和普通水泥的C3 S和C3A 含量最高,所以这两种水泥水化所形成的混凝土结构中,水化产物Ca (OH) 2 和CAH 一般亦较多,其抗硫酸盐侵蚀性最差。
2. 2 混凝土对硫酸盐侵蚀的防治措施
(1) 抗硫酸盐水泥。减少或控制水泥熟料的C3 S 和C3A 的含量,采取在水泥中掺加大量活性混合材料,以减少熟料用量的方法,是防治硫酸盐侵蚀的有效措施。中抗硫水泥( P. MSR) 和高抗硫水泥(P. HSR) 是以减少或控制熟料C3 S 与C3A 含量而生产的抗硫酸盐水泥,中抗硫水泥熟料的C3 S 含量不超过55 % ,C3A 不超过5 % ,适用于SO42 - 浓度小于等于2 500 mgPL 的侵蚀环境;高抗硫水泥熟料的C3 S数量小于50 % ,C3A 小于3 % ,适用于SO42 - 浓度小于等于8 000 mgPL 的侵蚀环境。
(2) 掺混合材水泥。矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥都是以掺加大量活性混合材(粒化高炉矿碴、火山灰质混合材、粉煤灰) ,替代并减少熟料用量而改善抗侵蚀性的水泥。其所掺大量的活性混合材不仅显著减少熟料或减少C3 S 与C3A ,在水泥水化时,这些活性混合材还会吸收熟料C3S 的水化产物Ca (OH) 2 ,因Ca (OH) 2 对活性材料起激发剂的作用,会与混合材料中活性成分SiO2 、Al2O3 发生第二次水化反应(熟料矿物成分的水化为第一水化反应) ,生成CSH 和CAH ,进一步减少混凝土中的Ca (OH) 2 。
(3) 提高混凝土密实性、抗渗性。混凝土结构体中有不少的毛细孔隙与外界相连通,是携带侵蚀介质的环境水入侵混凝土内部的通道,是发生侵蚀并产生胀裂破坏的首发地。因此,提高混凝土的密实性、抗渗性也是提高混凝土抗侵蚀性的一项至关重要的措施。
3 “双掺”技术的应用
“双掺”技术是根据硫酸盐对混凝土侵蚀的分析而提出机理防治方法,即在混凝土拌制时,掺磨细的粒化高炉矿渣或火山灰质材料、粉煤灰等掺合料替代部分水泥,可以达到防治硫酸盐侵蚀的效果;同时再掺加减水剂、引气剂等外加剂,可提高混凝土的密实性、抗渗性。因此混凝土采用“双掺”技术,可满足抗硫酸盐侵蚀的要求。
3. 1 双掺混凝土配合比的确定
3. 1. 1 原材料选择
(1) 砂石骨料:采用本工程人工砂石系统生产的砂石骨料。
(2) 胶泥材料:水泥选用南岗水泥和巩留县水泥(均为工程附近的厂家生产) ;粉煤灰选用独山子发电厂生产的一级粉煤灰。水泥和粉煤灰的化学成分见表2 ,水泥熟料矿物成分见表3。
(3) 外加剂:选用新疆生产的NEA3 (引气剂) 、云南生产的FTC(泵送减水剂) 、FDN 减水剂。
从表2、表3 分析数据表明:南岗水泥熟料矿物成分数量变化相对稳定,C3A 含量低于高抗硫水泥标准,有利于抗硫酸盐侵蚀,但是C3S 仍偏高;巩留水泥熟料矿物成分含量变化大,特别是C3A 含量变化幅度大。以矿物成分的总体衡量,两种水泥的抗硫酸盐侵蚀不如中抗硫水泥,尤其是巩留水泥。由于巩留水泥生产量小,性能不稳定,主体工程基本未使用。
3. 1. 2 混凝土配合比
根据新疆水科院推荐的配合比,在施工现场又进行多次试配比试验,确定导流洞各衬砌部位双掺混凝土实际使用的配合比见表4。
在实际施工中引气剂NEA3 用量根据实际检测,可在现场进行少量控制调整, 含气量控制在3. 5 %～5. 5 %之间。掺加30 %或25 %的独山子Ⅰ级粉煤灰等量代替32. 5 普通水泥,减少了水泥用量,可降低了胶凝材料总量中C3S 与C3A 含量。掺粉煤灰后产生胶凝材料中的C3 S 和C3A 含量见表5。
从表中数据可以看出,掺粉煤灰的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力基本达到使用高抗硫水泥的水平,同时掺入减水剂、引气剂,又能显著提高了混凝土的和易性、强度、抗渗性和抗冻性能。
3. 2 采用“双掺”技术的经济性
本工程采用“双掺”技术,不仅解决本地抗硫水泥供应的困难,使工程施工能顺利进行,同时也带来了显著的经济效益,经对采用“双掺”技术和使用高抗硫酸盐水泥拌制的混凝土作经济比较,详细比较结果见表6。
从表6 成果表明,使用“双掺”技术,比使用抗硫水泥配合比,每方混凝土可节约成本65～90 元。整个导流洞工程可节约投资约350 万元。
4 结束语
恰甫其海水利枢纽工程导流洞使用“双掺”技术后,不仅使抗硫水泥供应困难得到解决,保证了导流洞工程顺利施工,同时降低了混凝土的费用成本,取得了显著的经济效益。其经验可供有硫酸盐侵蚀的地区混凝土配制抗硫酸盐侵蚀参考和借鉴。
