抗侵蚀混凝土在济乌输水工程中的关键技术与应用

来源：职称驿站所属分类：材料科学论文
发布时间：2011-05-25浏览：49次

　　摘要：在我国西部新疆的许多地区，混凝土建筑物要经受高浓度盐离子侵蚀、冻融和干湿交替的多重叠加破坏，普通混凝土在短期内即遭到损坏，如何抑制侵蚀性盐溶液和冻融破坏，保持混凝土结构的长期耐久性，是工程中的关键技术。高性能抗侵蚀混凝土具有优异的结构稳定性和耐久性，在乌鲁木齐供水工程中取得了广泛的应用，实验表明，其抗渗、抗冻及抗侵蚀性能均满足耐久性设计的要求。
　　关键词：寒冷地区，输水工程，冻融破坏，盐侵蚀破坏，高性能混凝土
　　1、工程简介
　　新疆建设完成不久的乌鲁木齐供水工程是由国家和自治区共同投资兴建的长距离大型输水工程，总投资44多亿人民币，渠线全长380km。工程地处新疆北部，穿越荒无人烟的戈壁沙漠，自然环境恶劣，地形地貌条件复杂多变，而且渠线分布地昼夜温差达到30℃。工程地质条件复杂，土壤大量是盐渍土，地下水中含有高浓度的Mg2+、CI-1、SO42-离子。SO42-离子含量最高达10566.2mg/L，Mg2+离子含量最高达1105.6mg/L，CI-1离子含量最高达2606mg/L。并且地下水位埋深浅，水中盐离子含量很高，地表1.0m内土层中Na2SO4含量高达到了强硫酸盐渍土，严重危害渠道的正常运行。渠道及渠系建筑物如何抵抗各种冻胀、盐胀、硫酸盐强腐蚀等各物理化学侵蚀性问题，提高渠系混凝土的长期耐久性、延长工程使用寿命成为当时设计施工的关键问题。
　　2、盐腐蚀及严寒冻融对混凝土的破坏机理
　　新疆北部的混凝土腐蚀介质往往是高浓度的复合介质，其中主要是流酸盐对混凝土中水泥的侵蚀，环境中地下水（或地表水）或土壤中含侵蚀介质硫酸盐（如CaSO4•2H2O、NaSO4•10H2O芒硝、MgSO4等），水作为载体渗流到混凝土内部，并将侵蚀介质带入。水泥石中的水化产物Ca(OH)2和CAH（水化铝酸钙）与侵蚀介质发生化学反应生成侵蚀产物膨胀性晶体CaSO4•2H2O和钙钒石Aft(3CaO•AI2O3•3CaSO4•32H2O)：
　　Ca(OH)2+SO42-+2H2O→CaSO42H2O+2（OH）-
　　3（CaSO4•2H2O）+CAH+20H2O→Aft
　　此侵蚀产物填满混凝土中水泥石孔隙，因膨胀产生挤压应力，超过水泥石的抗拉强度或界面结构破坏，最终导致混凝土整体破坏、渍散。
　　混凝土的破坏往往不单是盐侵蚀，严寒环境对混凝土叠加损伤。新疆农业大学水利水电设计研究所孙兆雄教授对混凝土在盐湖卤水（主要以Mg2+、CI-1、SO42-等离子为主的盐溶液）下的抗卤水冻融破坏研究发现，混凝土破坏试件的内部孔隙以及试件裂纹内存在着白色结晶，经X射线分析，此结晶粉末主要显示出无水芒硝NaSO4的特征峰，证实了在低温条件下混凝土孔隙吸收大量的Mg2+、CI-、SO42-离子，增强了盐湖卤水的结晶作用。不仅使试件质量增加，而且生成的Na2SO4•10H2O结晶，对孔壁形成了较大的结晶压力，混凝土经反复冻融循环，收到盐结晶压的疲劳作用而膨胀、开裂、破坏。
　　3、对有抗侵蚀作用混凝土耐久性的技术措施
　　首先，新疆济乌供水工程在工程可研、勘察设计及施工各阶段充分认识到严寒环境和侵蚀性盐对混凝土的破坏的严重性与危害性，坚持“预防为主”，前期对工程地区的环境水（特别是地下水）的水质、土壤中含盐品种及含量进行检测，准确掌握可能发生的侵蚀类型、程度和作用等级，为抗侵蚀破坏措施提供充分的科学依据。在工程施工中采取了一系列技术保护措施：
　　3.1依据水质及土壤的侵蚀物检测结果，选用屯河产高硅、高铁、低铝的抗硫酸盐水泥。熟料中的C3A含量一般控制在1.8%，C3S在42%，有效降低了混凝土内水泥石中膨胀破坏性侵蚀产物CaSO4•2H2O和Aft（钙矾石）的生成。
　　3.2采用低水胶比和高效减水剂的混凝土配合比，有效提高混凝土密实性，使泌水率减少80%抗渗性大大提高，腐蚀性盐液难以进入混凝土内部。经试验证明：当W/B＜0.34时，劈开浸泡28d的混凝土内部几乎是干燥的，水胶比在0.30—0.40时混凝土抗盐冻性最好。
　　3.3同时在混凝土中合理掺用粉煤灰、矿粉等超细掺合料和大掺量矿渣，减少水泥用量，降低混凝土中C3S和C3A含量，改性和提高了混凝土的施工性能及密实性，增强了混凝土的抗侵蚀性。
　　3.4掺加高质量引气剂，在混凝土内产生大量微小均匀的密闭气泡，减轻产生的结冰压，经试验，混凝土中含气量控制在5%—7%，能显著提高混凝土抗渗性及抗冻和盐冻性能。
　　3.5加强及改善混凝土的养护，严格控制混凝土裂缝的产生。
　　3.6增大钢筋混凝土保护层厚度，并在混凝土机构表面喷涂沥青防护层等防水防腐保护措施。
　　在实践中证明，采用高密实度和抗渗性的高性能混凝土，有优异的高抗侵蚀性和耐久性，且成本较低，“物美价廉”。
　　4、高性能混凝土在济乌工程中使用情况
　　新疆济乌工程应用的高性能混凝土浇筑，从材料设计入手，优选特种水泥（对有强硫酸盐腐蚀的大、小洼槽段倒虹吸进出口建筑物和“500”水库大坝混凝土采用新疆屯河产高抗硫硅酸盐水泥P．HSR525）、矿物掺合料、高效减水剂和引气剂，同时降低水胶比，增大了混凝土的密实性，提高了抗蚀性能，有效延长了混凝土结构的使用寿命。笔者参与了济乌工程质量检测现场取样检验，耐久性混凝土各项性能指标均达到设计指标（见表１和表２）
　　表１高性能混凝土部分配合比组成

　　注：表中为Ⅰ级粉煤灰，屯河产S75矿粉，UP-B2为深圳绿洲苑泵送剂，RH-2、RH-7为新疆高星建材有限公司产高效早强减水剂与缓凝高效减水剂，减水率分别为13%、12%；AE为山西城南产引气剂。
　　表2混凝土拌合物、力学及耐久性能一览表

　　由表1和表2可知，渠系各部位混凝土掺加20%—25%的粉煤灰和40%—50%的矿粉，水胶比一般在0.35—0.40，此超细粉体的填充效应和火山灰效应，提高了混凝土拌合物性能，增强了混凝土的密实性和抗掺防腐能力，为渠系的稳定运行提供了可靠的技术保证。[!--empirenews.page--]
　　5、结论
　　新疆的盐碱地面积较大，许多地区地下水中含有很高的硫酸盐，有的还伴有镁盐，加上严寒所致的冻融破坏，使用普通混凝土会因侵蚀破坏而影响和降低工程使用寿命。新疆济乌供水工程建设中，从设计、施工、监理、检测各环节入手，高度重视采用高性能混凝土，提高抗蚀性能，有效延长了混凝土使用寿命。在施工中对混凝土板性能检测发现，各项指标均高于设计要求。
　　参考文献：
　　［1］新疆农业大学水利水电设计研究所建材室
　　［2］《635水利枢纽发电洞竖井结构防腐蚀材料及结构高性能混凝土设计实验研究报告》