荒溝抽水蓄能電站混凝土抗溶出型侵蝕試驗研究及分析

崔志剛，孫宇飛，魯恩龍，趙 兵

(1. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江省牡丹江市 157005;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內，電站裝機容量1 200 MW，年平均發電量18.36億kWh，年發電小時數1 530 h，抽水電量24.09億kWh，年抽水小時數2 008 h，電站綜合效率76.2%。電站上水庫總庫容1 161萬m3，為Ⅰ等大(1) 型工程。上水庫主壩、副壩、輸水系統、地下廠房及開關站等主要建筑物為1級，次要建筑物為3 級[1-2]。

混凝土的溶出性侵蝕主要發生在硬度較低的環境水中，在這種環境水中，由于鈣離子含量較低，當混凝土結構處于其中時，混凝土內部鈣離子濃度較高的孔隙溶液和外界鈣離子濃度較低的水環境中會產生鈣離子濃度差，致使混凝土孔隙溶液中的鈣離子向環境水中擴散，進而使得孔隙率有所增加，降低混凝土的耐久性能[4]。溶出性侵蝕又可以分為表面接觸溶蝕和滲透溶蝕。表面接觸溶蝕是指軟水直接沖刷混凝土表面，不斷帶走由于離子濃度差擴散出的鈣離子，發生侵蝕反應；而滲透溶蝕是指混凝土內部孔隙水在壓力作用下，不斷向外界遷移，軟水環境下混凝土內部孔隙水分子的遷移會帶走孔隙溶液中的鈣離子，由此發生侵蝕反應[5]。

本文在試驗的基礎上考察了不同水膠比和粉煤灰摻量對溶出型侵蝕的影響，并進行了研究和分析，為針對溶出型溶蝕特性區域進行混凝土配合比設計提供參考。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

水泥：冀東普通42.5水泥。

骨料：試驗所用骨料均取自荒溝抽水蓄能電站下水庫砂石加工系統。

原材料各項指標均滿足規范要求。

2.2 試驗方法

試件制備：試驗拌和二級配常態混凝土，水膠比分別選擇0.30、0.40、0.50和0.60，控制混凝土坍落度在70～90 mm[6]，通過篩除將小石與中石剔除，成型40 mm×40 mm×40 mm砂漿試件。試驗過程中的混凝土成型與砂漿試件養護均參照《水工混凝土試驗規程》[7]。

侵蝕試驗設備：試驗設備采用帶定速攪拌圓筒形容器，試驗期間間隔一定的周期更換軟水，pH值為7.16，鈣離子濃度為1.8 mg/L(以CaO計)。每次更換的侵蝕溶液量保持恒定，在試驗換水的同時采集侵蝕溶液樣品，對侵蝕溶液中的離子濃度變化進行測定，分析在一定侵蝕試驗周期內溶液中離子的變化情況。

2.3 指標選取

對于混凝土的溶出型侵蝕來說，CaO的溶出是溶蝕過程的具體體現，并且CaO的溶出量與混凝土受溶蝕的程度存在著正比例的關系，是反映混凝土溶蝕程度的一個較好的研究對象[8]。CaO累計溶出比例為混凝土在溶蝕的作用條件下累計溶出的鈣離子總量(以CaO計)與未受侵蝕混凝土中鈣離子(以CaO計)總量的比值，該參數能夠在一定程度上反映出溶蝕作用的侵蝕程度。

3 實驗結果與分析

3.1 pH值的變化分析

在試件浸泡過程中，pH值的變化能夠在一定程度上反映由于試件內部連通孔隙中溶出溶液所帶出的堿的含量。在本次試驗中采用LIDA pHS-3C pH計(精度為0.01)對試樣浸泡過程中侵蝕溶液的pH值進行監測，試驗結果如圖1所示。

圖1 侵蝕浸泡溶液pH值變化圖

由試驗結果可知：試件浸泡過程中pH值的變化整體趨勢分為3個階段：

(1) 浸泡試驗前期(0～4 d)pH值增大速率很快，pH值迅速升高至11～12。

(2) 隨著試驗的進行(5～14 d)，在pH迅速升高后，又呈現迅速下降趨勢，曲線斜率為負值。

前2個階段pH值的變化主要與試件表層結晶的堿性物質有關。在浸泡初期，由于有較多的堿性物質，主要是水泥水化反應的生成物Ca(OH)2[9]進入水溶液中，使得浸泡溶液的pH值迅速升高，隨后，溶液開始呈弱堿性，即pH值有所降低。

(3) 在浸泡試驗進行到一定時間14 d后，pH值的變化趨于平穩，pH值維持在8～9之間。在此階段中，試件內部孔隙中的堿性物質通過混凝土中的微細孔隙和毛細通道向表層擴散，使得堿性物質的擴散過程依然在進行，達到一個近似動態的平衡過程，所以，此階段溶液的pH值基本維持在一定范圍內小幅波動。

由于pH值測試自身特點的限制，pH值監測數據只能用于過程的粗略監控和輔助分析。

3.2 CaO累計溶出比例變化分析

鈣離子濃度用EDTA滴定法測定，試驗用ED-TA溶液、鈣指示劑，試驗儀器有鐵架臺、滴定管、錐形瓶、燒杯、電子稱等。精確度為±0.04 mmol/L，約相當于±2滴EDTA溶液。

試驗對不同浸泡時間的侵蝕溶液進行測定，并計算不同水膠比砂漿試件CaO累計溶出比例，試驗結果如圖2所示。

圖2 CaO累計溶出比例隨齡期的變化圖

由試驗結果可知：

(1)

式中：J為擴散通量；D為擴散系數；ρ為擴散物質的質量濃度；x為擴散方向。

(2) 不同水膠比砂漿試件在軟水浸泡的過程中，CaO累計溶出比例也有著一定的差異。隨著水膠比的增大，試件CaO累計溶出比例也越大，說明水膠比越大，試件中的Ca2+向侵蝕溶液中擴散的速度越快，這是由于水膠比大的砂漿試件因水的比例增加，在其表層與內部形成了較多的孔隙和通道，減小了試件表層部分Ca2+析出的阻力，也更有利于試件內部Ca2+的析出，故而造成了水膠比越大，砂漿試件的CaO累計溶出比例也越大，水泥砂漿試件在溶出型侵蝕環境中的耐久性越差。

4 結 語

(1) 通過對浸泡溶液pH值的監測可知，浸泡溶液的pH值的變化趨勢為先迅速升高至11～12，再降低至8附近，然后維持在8～9之間波動的形式，但由于pH值測試自身特點的限制，pH值監測數據只能用于過程的粗略監控和輔助分析；

(2) 在試驗的浸泡齡期中，浸泡溶液中的CaO累計溶出比例變化趨勢:先以較快的溶出速率快速增長，然后增長速率逐漸減小，減小至一定程度后，又略有增加，繼而再維持在一定的增長速率平穩增長；

(3) 水膠比越大，試件中的Ca2+向侵蝕溶液中擴散的速度越快，其試件CaO累計溶出比例也越大，水泥砂漿試件在溶出型侵蝕環境中的耐久性越差。

參考文獻:

[1] 李煒.水力計算手冊[M].2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

[2] 張健,單志高,夏江.淺談虹吸管在小型水庫除險加固中的設計與應用[J].中國科技信息,2013(10):87-87.

[3] 李惠英,田文鐸,閻海新.倒虹吸管[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[4] 黃健,劉恒,虹吸管在金東區水庫除險加固中的應用[J].浙江水利科技,2010(09)：73-76.

[5] 欒琳,毛鳳濱,王立濤.虹吸管在山區小型水庫中的應用[J].黑龍江水利科技,2007(05)：199-201.