朱旭芬,肖國(guó)年,李 斌,宋漢周

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京211100；2.華東宜興抽水蓄能有限公司,江蘇宜興214205)

宜興抽水蓄能電站地下廠房區(qū)洞室混凝土酸性腐蝕綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)

朱旭芬1,肖國(guó)年2,李 斌2,宋漢周1

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京211100；2.華東宜興抽水蓄能有限公司,江蘇宜興214205)

環(huán)境介質(zhì)對(duì)于地下洞室混凝土的腐蝕將影響其耐久性。采用現(xiàn)場(chǎng)探查、測(cè)量以及取樣分析方法,對(duì)宜興抽水蓄能電站地下廠房洞室混凝土酸性腐蝕狀況進(jìn)行了綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)洞室局部混凝土已遭受了不同程度的腐蝕作用?？梢园哑浞譃?類：Ⅰ類為未受到(或極輕微)腐蝕；Ⅱ類為已受到較弱腐蝕；Ⅲ類為已受到相對(duì)嚴(yán)重腐蝕。同Ⅰ類相比較,Ⅱ和Ⅲ類的基本組分含量已發(fā)生了變化,即其中的硫、鐵及堿性物質(zhì)含量趨于增加,鈣質(zhì)則趨于減少；而在Ⅲ類的礦物相中,還含有石膏類次生礦物相。

地下洞室；混凝土；酸性腐蝕；評(píng)價(jià)；宜興抽水蓄能電站

地下廠房是抽水蓄能電站的重要組成部分,周圍洞室?guī)r體的穩(wěn)定性以及由滲流引起的滲透穩(wěn)定性將會(huì)影響其安全運(yùn)行，而由滲流產(chǎn)生的不利影響既包括物理方面,也包括化學(xué)方面。前者如滲透壓力作用等,而后者則取決于具體的水化學(xué)特征——由此可產(chǎn)生對(duì)于洞室混凝土不同的腐蝕(或侵蝕)作用,如溶出類、酸性類以及硫酸鹽類腐蝕作用等,從而產(chǎn)生對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的不利影響[1,2]。

目前,用于檢測(cè)識(shí)別混凝土損傷方面的技術(shù)方法已有多種。其中,鉆芯法、拔出法、壓痕法、回彈法以及超聲法等已經(jīng)得到普遍應(yīng)用[3],但此類方法只能用于確定混凝土結(jié)構(gòu)受到腐蝕的部位及其程度,得到的通常是一個(gè)綜合指標(biāo),而引起混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或材料耐久性不足的具體原因仍無(wú)法診斷。而其他一些測(cè)試方法,如XRF、XRD、SEM、EDS等,近年來(lái)開始得到應(yīng)用,這些測(cè)試方法主要從化學(xué)成分、礦物相等不同方面對(duì)混凝土腐蝕性狀進(jìn)行診斷和解釋[4,5,6]。相對(duì)而言,在實(shí)際工作中針對(duì)某一具體問(wèn)題,將諸方法的協(xié)同應(yīng)用還比較少。

本文以江蘇宜興抽水蓄能電站為例,采用現(xiàn)場(chǎng)探查以及取樣多手段化驗(yàn)分析方法,對(duì)地下廠房區(qū)洞室混凝土在酸性滲漏水作用下的腐蝕狀況進(jìn)行綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)。

表2 區(qū)內(nèi)混凝土樣品的基本組成測(cè)試結(jié)果

1 工程概述

宜興抽水蓄能電站位于江蘇省宜興市西南郊約10 km的銅官山麓,裝機(jī)容量4×250 MW，電站主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關(guān)站等組成。全部機(jī)組于2008年投入運(yùn)行,迄今已取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

地下廠房洞室群位于輸水系統(tǒng)中下部,埋深310～370 m,主副廠房開挖尺寸為155.3 m×22 m×52.4 m(長(zhǎng)×寬×高)。在地下廠房區(qū)按照不同高程共設(shè)置4層排水廊道：廠頂灌漿兼排水廊道(C0-1～C0-2,50 m高程)、上層排水廊道(C1-1～C1-5,27 m高程)、中層(C2-1～C2-4,3～13 m高程)及下層排水廊道(C3-1～C3-3,-12～-15 m高程)。

地下廠房區(qū)圍巖為泥盆系中～下統(tǒng)茅山組中段地層,中厚層為主,巖性為細(xì)粒巖屑砂巖、巖屑石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖,部分層面含泥礫等,局部含有呈零星分布的黃鐵礦晶形。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。

根據(jù)2009年11月的實(shí)測(cè)資料,地下廠房區(qū)多個(gè)滲水點(diǎn)地下水的pH=3.5～4.5,呈現(xiàn)出顯著酸化。對(duì)此,于2010年上半年間,針對(duì)主廠房頂拱范圍實(shí)施了“堵、排相結(jié)合”的工程處理措施,在當(dāng)時(shí)收到了良好的效果。近年來(lái),地下廠房區(qū)洞室混凝土在酸性滲漏水作用下可能受到的腐蝕程度值得關(guān)注。

為此,于2015年8月對(duì)地下廠房區(qū)周圍洞室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探察、測(cè)試以及取樣工作。根據(jù)對(duì)于區(qū)內(nèi)滲漏水質(zhì)部分敏感指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量統(tǒng)計(jì),呈強(qiáng)酸性(pH≤5.0)的有11個(gè)點(diǎn),占16.42%；呈弱酸性(pH=5.1～6.5)的有42個(gè)點(diǎn),占62.69%；呈中性(pH=6.6～8.0)的有13個(gè)點(diǎn),占19.40%；呈弱堿性(pH=8.1～10.0)的有1個(gè)點(diǎn),占1.49%,可見,區(qū)內(nèi)約有3/4的滲水點(diǎn)水質(zhì)呈酸性。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)探察時(shí),還發(fā)現(xiàn)廠房區(qū)2號(hào)～4號(hào)機(jī)組頂拱之間出現(xiàn)的滲水點(diǎn)位及其周圍的混凝土表面多呈灰白色,現(xiàn)場(chǎng)用榔頭對(duì)其進(jìn)行敲擊,發(fā)出的聲音比較沉悶,表明其強(qiáng)度已有所損失；而在中層排水廊道UP7右邊5 m處排水溝一側(cè),混凝土表層結(jié)構(gòu)已發(fā)生明顯的開裂。為進(jìn)一步對(duì)區(qū)內(nèi)洞室混凝土受酸性滲漏水的腐蝕狀況進(jìn)行分析研究,在現(xiàn)場(chǎng)探查的基礎(chǔ)上,分別采集了具有代表性的混凝土樣以及水樣等,有關(guān)前者的取樣位置及基本特征見表1。

表1 地下洞室混凝土現(xiàn)場(chǎng)取樣基本情況

2 混凝土酸性腐蝕綜合測(cè)試分析

2.1 XRF測(cè)試與結(jié)果分析

為揭示地下廠房區(qū)混凝土的基本物質(zhì)組成,對(duì)上述5個(gè)部位的混凝土樣品均作了XRF測(cè)試,以確定所含的常量組分和微量組分。分析儀器為瑞士ARL公司ARL-9800型X射線熒光光譜儀,相關(guān)測(cè)試由南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心完成,測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2可知：

(1)H-1和H-2樣品的主要化學(xué)成分比較接近。其中,CaO的含量在35.50%～36.50%,硅、鋁(以氧化物表示)之和在33.89%～34.32%,這兩類組分之和接近70%；其他組分含量之間也比較接近。

(2)H-3與H-4樣品的主要化學(xué)成分顯著有別于其他3個(gè)樣品,并且這兩個(gè)樣品之間也存在明顯差異。前者的主要化學(xué)成分按含量高低為SO3>Fe2O3>CaO>SiO2；而后者為CaO>SiO2>Al2O3>SO3。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,H-5樣品所受的腐蝕程度最弱,該樣品的主要化學(xué)成分按含量高低排序?yàn)镃aO>SiO2>Al2O3>MgO。

根據(jù)上述分析和對(duì)比,認(rèn)為H-1～H-4這4個(gè)混凝土樣品已受到了不同程度的腐蝕。其中,H-3樣品最為嚴(yán)重,H-4樣品次之,而H-1、H-2樣品相對(duì)弱一些。有關(guān)這4類樣品的組分含量對(duì)比曲線見圖1。由表2和圖1可知,同未受到腐蝕的樣品相比較,受到腐蝕的混凝土樣品中,所含的硫(SO3)、鐵(Fe2O3)以及堿性物質(zhì)(K2O和Na2O)含量是趨于增加的,而CaO含量則趨于減少；兩者之間的差異越大,則受到腐蝕的程度越顯著。

圖1 不同混凝土樣品的基本組成對(duì)比曲線

2.2 XRD測(cè)試與結(jié)果分析

為進(jìn)一步判定地下廠房區(qū)酸性滲漏水作用下混凝土腐蝕的性狀,在上述對(duì)于樣品化驗(yàn)/測(cè)試的基礎(chǔ)上,還對(duì)采集的樣品的基本礦物相以及可能形成的次生礦物相進(jìn)行了X-射線衍射(XRD)測(cè)試。所用儀器為丹東方圓儀器有限公司產(chǎn)DX-2700型X射線衍射儀,有關(guān)測(cè)試由河海大學(xué)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成；儀器采用CuKα靶,管壓為35 kV,電流為30 mA,掃描步長(zhǎng)為0.02°,掃描速度為10°/min,掃描范圍(2θ)為5°～65°。衍射結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土樣的XRD圖譜

由圖2可知：①5個(gè)混凝土樣品中均被檢出含有石英(SiO2)、方解石(CaCO3)等礦物。究其物質(zhì)來(lái)源,認(rèn)為前者與混凝土中所含的水泥材料有關(guān),而后者則與混凝土表層發(fā)生的碳化有關(guān)。②有2個(gè)混凝土樣品(H-3、H-4)中被檢出含有石膏(CaSO4·2H2O),此為混凝土受到腐蝕后形成的次生礦物。

XRD測(cè)試結(jié)果也表明,腐蝕程度較弱的一類樣品(H-1、H-2)仍由原來(lái)的基本礦物相組成,而未形成新的次生礦物相。

2.3 SEM、EDS測(cè)試與結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析地下廠房區(qū)酸性滲漏水對(duì)混凝土進(jìn)行腐蝕作用后形成的產(chǎn)物及其差異性,對(duì)采集的混凝土樣品還進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)的電鏡掃描(SEM)以及微區(qū)元素測(cè)試(EDX)。所用儀器為日本Hitachi公司S-3400N II型掃描電子顯微鏡及其附件HORIBA公司EX-250型X-射線能量色散譜儀,相關(guān)測(cè)試均由南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心完成。部分樣品的測(cè)試結(jié)果如圖3～圖4所示。由圖3～圖4可知,①對(duì)于腐蝕程度較弱一類混凝土樣品(以H-1為代表),顯示含有CaCO3礦物晶體(圖3)。其微區(qū)元素及其含量分別為CaO,57.31%；SiO2,1.83%；SO3,1.87%；另外,還含有一定量的碳質(zhì)(10.62%)。②對(duì)于腐蝕程度較為嚴(yán)重一類混凝土樣品(以H-3為代表),顯示含有CaSO4礦物晶體(圖4)。其微區(qū)元素及其含量分別為CaO,26.48%；SO3,42.96%；Fe2O3,2.20%；另外,也含有少量的碳質(zhì)(7.73%)。

3 混凝土酸性腐蝕的熱力學(xué)分析

由以上分析可知,地下廠房區(qū)洞室混凝土的微觀形態(tài)及其基本組成已發(fā)生了不同程度的變化,此源自區(qū)內(nèi)滲漏水的酸性腐蝕作用。

根據(jù)前已論及的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)量資料,區(qū)內(nèi)滲漏水質(zhì)的酸化現(xiàn)象限于局部。這種分布特征,一方面與巖體中黃鐵礦類硫化物的分布特征及其氧化程度有關(guān),另一方面也與人類工程活動(dòng)有關(guān)。地下廠房洞室群自開挖形成以來(lái),相鄰部位的地下水位明顯下降,以致原先含水層(或含水帶)被疏干,即由飽和轉(zhuǎn)為非飽和。在這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,氧氣相對(duì)容易地進(jìn)入到呈疏干狀的含水層中,而由原先的還原環(huán)境轉(zhuǎn)為氧化環(huán)境,從而引發(fā)并加劇了巖體中黃鐵礦類硫化物的氧化作用,并導(dǎo)致相應(yīng)部位地下水尤其是水位波動(dòng)帶內(nèi)水質(zhì)的顯著酸化。

圖3 H-1樣的微觀形態(tài)及其組成

圖4 H-3樣的微觀形態(tài)及其組成

表3 與酸有關(guān)的反應(yīng)自由能變化

酸是一種具有分解性侵蝕的典型物質(zhì),一般以pH值作為指標(biāo)。酸有強(qiáng)酸與弱酸之分。對(duì)于前者,pH值可表示其H+的全部濃度；而對(duì)于后者,因電離受到平衡濃度限制,此時(shí)的pH值不能代表其H+的全部濃度。將兩者之間進(jìn)行比較,強(qiáng)酸不僅能與游離石灰產(chǎn)生中和反應(yīng),而且也能與水化產(chǎn)物的結(jié)合石灰產(chǎn)生反應(yīng),且能完全進(jìn)行。水化產(chǎn)物分解后的鋁膠Al(OH)3,在強(qiáng)酸作用下可形成易溶的鋁酸鹽。這樣,也就破壞了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的膠凝體,使其力學(xué)性能發(fā)生劣化[7]。有關(guān)H+與混凝土中的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣之間可發(fā)生如下反應(yīng)：

2CaO·SiO2·1.17H2O+4H+→2Ca2++H4SiO4+1.17H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+6H+→3Ca2++2H4SiO4+2H2O

4CaO·3SiO2·1.5H2O+8H++0.5H2O→4Ca2++3H4SiO4

CaO·SiO2+H2O+2H+→Ca2++H4SiO4

2CaO·Al2O3·8H2O+10H+→2Ca2++2Al3++13H2O

3CaO·Al2O3·6H2O+12H+→3Ca2++2Al3++12H2O

4CaO·Al2O3·13H2O+14H+→4Ca2++2Al3++20H2O

Ca(OH)2+2H+→Ca2++2H2O

3CaSO4·2H2O↓+6OH-+2SiO2·H2O

在由石灰轉(zhuǎn)變?yōu)槭嗟倪^(guò)程中,由于其體積的增大(通常為1倍),也產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹應(yīng)力,從而導(dǎo)致所在部位混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂而破壞(如H-3樣品),而在干濕交替狀態(tài)下尤其如此。甚至在一定階段,可發(fā)生糜爛型鼓脹腐蝕,而呈豆腐渣狀,從而使其原有的強(qiáng)度完全喪失。

4 結(jié) 論

本文采用現(xiàn)場(chǎng)探查、測(cè)量以及取樣多手段化驗(yàn)分析方法,對(duì)宜興抽水蓄能電站地下廠房洞室混凝土的酸性腐蝕狀況進(jìn)行了綜合診斷,據(jù)此可以得到：

(1)在酸性滲漏水作用下,地下廠房洞室混凝土至少在局部已遭受了不同程度的腐蝕作用。根據(jù)取樣化驗(yàn)/測(cè)試成果,可以把區(qū)內(nèi)洞室混凝土的腐蝕狀況分為三類：Ⅰ類為未受到(或極輕微)腐蝕；Ⅱ類為已受到較弱腐蝕；Ⅲ類為已受到較為嚴(yán)重腐蝕。同Ⅰ類相比較,Ⅱ和Ⅲ類的基本元素組成及其含量均已發(fā)生了變化,即其中的硫、鐵及堿性物質(zhì)含量趨于增加,而鈣質(zhì)則趨于減少；Ⅱ類與Ⅲ類之間的區(qū)別在于后一類中還含有新的次生礦物相。目前,洞室混凝土以Ⅰ類為主,Ⅱ類和Ⅲ類的分布限于局部。

(2)由巖體中局部分布的黃鐵礦類硫化物的氧化導(dǎo)致相應(yīng)部位滲漏水的酸化,由此產(chǎn)生的對(duì)于洞室混凝土的腐蝕作用具有復(fù)合型,即為酸性類與硫酸鹽類這兩類腐蝕作用的疊加。對(duì)此,可采用水化學(xué)分析方法加以識(shí)別。

(3)在實(shí)際工作中,對(duì)于已受到腐蝕的洞室混凝土需要采取補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)時(shí),應(yīng)選用合適的材料。對(duì)于以酸性類腐蝕為主的部位,應(yīng)選用具有低鈣硅比的硅酸鹽水泥；對(duì)于以硫酸鹽類腐蝕為主的部位,應(yīng)選用抗硫酸鹽水泥；而對(duì)于具有上述兩類腐蝕疊加的復(fù)合型腐蝕部位,可采用環(huán)氧樹脂類或其他類似材料加以修復(fù)。

[1]諶會(huì)芹, 李萍, 程祖鋒. 邯鄲市地下水對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)研究[J]. 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 21(1)： 19-22．

[2]邢林生, 聶廣明. 我國(guó)水電站混凝土建筑物耐久性分析[J]. 水力發(fā)電, 2003, 29(2)： 27-31．

[3]吳新璇. 混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京： 人民交通出版社, 2003.

[4]馬保國(guó), 高小建, 何忠茂, 等. 混凝土在SO2-4和CO2-3共同存在下的腐蝕破壞[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2004, 32(10)： 1219-1224．

[5]楊令強(qiáng), 王成林. 以膠東調(diào)水工程為例分析混凝土快速破壞機(jī)理[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2011, 39(10)： 1706-1710．

[6]邢志水, 鄧敏, 陳宇峰, 等. 黃河上游某水電站硫酸鹽侵蝕破壞分析[J]. 混凝土, 2012(276)： 41-44．

[7]B.M.莫斯克文等著. 混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕及其防護(hù)方法[M]. 倪繼淼等譯. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 1988．

(責(zé)任編輯 王 琪)

Test and Evaluation on Acid Corrosion of Cavern Concrete in Underground Powerhouse Area of

Yixing Pumped-storage Power StationZHU Xufen1, XIAO Guonian2, LI Bin2, SONG Hanzhou1

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China;2. East China Yixing Pumped Storage Power Co., Ltd., Yixing 214205, Jiangsu, China)

The corrosion of environment media on underground cavern concrete will affect the durability of concrete. The on-site exploration, measurement and sampling analysis methods are applied to test and evaluate the concrete corrosion in underground powerhouse area of Yixing Pumped-storage Power Station. The results show that part cavern concrete has suffered corrosion in different degrees. The degree can be grouped into three levels: Level I is not or slightly corroded, Level II is relatively weak corroded and Level III is heavily corroded. Compared with the Level I, the content of concrete primary ingredients in Level II and III has changed, that is, the content of S, Fe and alkaline substance tends to increase while that of calcareous tends to decrease. In additional, the mineral phases in Level III still contain secondary mineral phase of gypsum．

underground cavern; concrete; acid corrosion; evaluation; Yixing Pumped-storage Power Station

2016-03-18

國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司科技項(xiàng)目(52572614006A)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272265)

朱旭芬(1978—),女,浙江縉云人,講師,博士研究生,主要從事環(huán)境水文地質(zhì)方面研究．

TV528(253)

A

0559-9342(2017)02-0118-05