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,在進行混凝土配合比設計時,采用“雙摻”技術可在滿足混凝土技術指標要求的同時,有效降低施工成本。
關鍵詞: 硫酸鹽強侵蝕;混凝土;配合比;“雙摻”技術
中圖分類號: TV42 文獻標識碼: B 文章編號: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,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容量320 MW,粘土心墻壩高111 m。導流洞由進水口引渠段、閘井段、洞身段和出口明渠消能段組成。導流洞后期改建為中孔泄洪洞。導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;導流洞進出口明渠及洞身位于地下水位以下,有滲水和滴水現象。地下水中硫酸根離子含量為451. 5～2 324. 6 mgPL ,根據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50287 - 99) 規(guī)定,要求混凝土應具備抗硫酸鹽強侵蝕的能力。如果混凝土單純采用普通水泥,會產生硫酸鹽的強侵蝕,采用中抗或高抗硫酸鹽水泥,不會產生侵蝕。環(huán)境水腐蝕判定標準詳見表1。
恰甫其海導流洞處于含硫酸離子較高的地下水位以下,根據規(guī)定設計需要采用抗硫酸鹽水泥。因抗硫酸水泥價格較高,生產廠家距工程所在地較遠,且運輸困難,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措施解決該問題。
2 硫酸鹽對混凝土侵蝕的機理及防治
2. 1 硫酸鹽對混凝土侵蝕的機理
硫酸鹽對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 - ) 濃度有密切關系,它會與混凝土中Ca (OH) 2和CAH(水化鋁酸鈣3CaO·Al2O3 ·6H2O) 發(fā)生反應,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晶膨脹而導致混凝土結構膨脹開裂。在侵蝕過程中,環(huán)境水內所含硫酸鹽是侵蝕介質,水是載體,屬侵蝕外因;混凝土中的Ca (OH) 2 和CAH 是發(fā)生侵蝕的內因,外因通過內因起作用。當混凝土中的Ca (OH) 2和CAH 含量愈高,隨著環(huán)境水中所含SO42 - 濃度的增大,則對混凝土的侵蝕破壞就愈嚴重。
硅酸鹽水泥熟料是各種硅酸鹽水泥的母體。混凝土中, 水化產物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)生化學反應生成水化產物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20 %～25 %;C3A 是熟料的重要礦物成分之一,其數量雖然比C3 S 少得多,但它是CAH 的主要來源,因C3A 與水反應生成CAH 其化學式為: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構中,水化產物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,這些活性混合材還會吸收熟料C3S 的水化產物Ca (OH) 2 ,因Ca (OH) 2 對活性材料起激發(fā)劑的作用,會與混合材料中活性成分SiO2 、Al2O3 發(fā)生第二次水化反應(熟料礦物成分的水化為第一水化反應) ,生成CSH 和CAH ,進一步減少混凝土中的Ca (OH) 2 。
(3) 提高混凝土密實性、抗?jié)B性。混凝土結構體中有不少的毛細孔隙與外界相連通,是攜帶侵蝕介質的環(huán)境水入侵混凝土內部的通道,是發(fā)生侵蝕并產生脹裂破壞的首發(fā)地。因此,提高混凝土的密實性、抗?jié)B性也是提高混凝土抗侵蝕性的一項至關重要的措施。
3 “雙摻”技術的應用
“雙摻”技術是根據硫酸鹽對混凝土侵蝕的分析而提出機理防治方法,即在混凝土拌制時,摻磨細的粒化高爐礦渣或火山灰質材料、粉煤灰等摻合料替代部分水泥,可以達到防治硫酸鹽侵蝕的效果;同時再摻加減水劑、引氣劑等外加劑,可提高混凝土的密實性、抗?jié)B性。因此混凝土采用“雙摻”技術,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) ;粉煤灰選用獨山子發(fā)電廠生產的一級粉煤灰。水泥和粉煤灰的化學成分見表2 ,水泥熟料礦物成分見表3。
(3) 外加劑:選用新疆生產的NEA3 (引氣劑) 、云南生產的FTC(泵送減水劑) 、FDN 減水劑。
從表2、表3 分析數據表明:南崗水泥熟料礦物成分數量變化相對穩(wěn)定,C3A 含量低于高抗硫水泥標準,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
根據新疆水科院推薦的配合比,在施工現場又進行多次試配比試驗,確定導流洞各襯砌部位雙摻混凝土實際使用的配合比見表4。
在實際施工中引氣劑NEA3 用量根據實際檢測,可在現場進行少量控制調整, 含氣量控制在3. 5 %～5. 5 %之間。摻加30 %或25 %的獨山子Ⅰ級粉煤灰等量代替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。摻粉煤灰后產生膠凝材料中的C3 S 和C3A 含量見表5。
從表中數據可以看出,摻粉煤灰的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力基本達到使用高抗硫水泥的水平,同時摻入減水劑、引氣劑,又能顯著提高了混凝土的和易性、強度、抗?jié)B性和抗凍性能。
3. 2 采用“雙摻”技術的經濟性
本工程采用“雙摻”技術,不僅解決本地抗硫水泥供應的困難,使工程施工能順利進行,同時也帶來了顯著的經濟效益,經對采用“雙摻”技術和使用高抗硫酸鹽水泥拌制的混凝土作經濟比較,詳細比較結果見表6。
從表6 成果表明,使用“雙摻”技術,比使用抗硫水泥配合比,每方混凝土可節(jié)約成本65～90 元。整個導流洞工程可節(jié)約投資約350 萬元。
4 結束語
恰甫其海水利樞紐工程導流洞使用“雙摻”技術后,不僅使抗硫水泥供應困難得到解決,保證了導流洞工程順利施工,同時降低了混凝土的費用成本,取得了顯著的經濟效益。其經驗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。
