新疆某重点工程西干渠混凝土板破坏机理研究.pdf

第 3 4卷第 1期 2 0 1 2年 1月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 4 No 1 J a n ， 2 01 2 【 水利水 电工程 】 新疆某重点工程西干渠混凝土板破坏机理研究 李双喜 ， 唐新军 ， 张静华。 ( 1 新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ； 2 新疆公路管理局 第十六项 目执行办， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 针对新疆某渠道混凝土板表层出现松脆的现象， 根据混凝土侵蚀机理及侵蚀产物的形貌、 形态， 通过电镜观测和 环境 土壤 中硫酸盐含量测 定结果 ， 判定 渠道混凝 土板产 生破 坏的原 因是发 生了硫酸 盐侵蚀破 坏。 关键词 ：混凝土 ；硫酸盐侵蚀 ；电镜观 测 ；输水渠道 ；新疆 中图分 类号 ：T V 6 9 8 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 1 0 5 1 S t u d y o f C o n c r e t e F a i l u r e Me c h a n i s m i n We s t T r u n k C a n a l o f Xi n j i a n g a a C e r t a i n Ke y P r o j e c t L I S h u a n g x i ， T AN G X i n j u n ，Z H A N G J i n g h u a ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， X i n j i a n g A g r i c u l t u r a l U n iv e r s i ty ，U r u m q i 8 3 0 0 5 2，C h i n a ； 2 Xi n j i a n g H i g h w a yA d mi n i s t r a t i o n E x e c u t i v e O f fi c e oft h e 1 6 t h ，U r u m q i 8 3 0 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I t i s a p h e n o me n o n t h a t o n e o f k e y p r o j e c t s c h a n n e l c o n c r e t e b o a r d s u r f a c e s a p p e a r s c r u n c h y a f f e c t i n g t h e n o r ma l w a t e r c h a n n e l c a p a c i t y s u p p l y i n X i n j i a n g A c c o r d i n g t o t h e e r o s i o n me c h a n i s m a n d p r o d u c t s m o r p h o l o g y o f c o n c r e t e ，u s i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y o b s e r v a t i o n and t e s t i n g s u l f a t e v o l u me i n t h e s o i l Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s u l p h a t e a t t a c k c a u s e s t h e c e me n t c o n c r e t e s l a b d a ma g e a t we s t ma i n c h a n n e l ，c h a n n e l c o n c r e t e s l a b b e c o me s l o o s e，l o s i n g s t r e n g t h a n d c a r r y i n g c a p a b i l i t y Ke y w o r d s ：c o n c r e t e ； s u l p h a t e a t t a c k ；e l e c t r o n mi c r o s c o p e o b s e r v a t i o n ； d e l i v e r y c o n d u i t ； Xi n g j i a n g 1 工程概况 新疆某跨流域长距离调水工程由水利枢纽工程 、 总干渠、 西干渠和风城水库工程组成。西干渠从总干渠末端的顶山分 水闸引水 ， 向西输水至克拉玛依市乌尔禾镇西北侧的风城水 库 ， 全长 2 1 7 1 8 4 k m。西干渠 由输水明渠和无压输水隧洞组 成 ， 其中明渠长 2 0 7 1 6 4 k m， 采用弧形底梯形断面， 现浇 C 2 0混 凝土衬砌 ， 弧底混凝土板厚 1 0 0 m m， 边坡混凝土底部厚 1 0 0 mm， 顶部厚 8 0 m m； 部分渠道采用预制 C 2 0混凝土板衬砌 ， 预 制板为六边行， 边长2 4 0 m m， 厚 7 0 mm。 该工程于 2 0 0 1 年建成 ， 经多年运行后 ， 渠道 部分 混凝土 板 表层 1 0 2 0 m i l l 出现不同程度的松脆现象 ， 影响渠道的正常输 水。通过对水泥等原材料技术指标检测， 并调阅水泥混凝土配 合比施工单， 抽查监理日志、 施工 日志等， 排除了原材料不合格 及施工质量问题。通过对周围环境调查发现 ， 渠道所在地区地 下水位高， 降水极少 ， 蒸发量大， 土壤盐渍化严重。因此， 初步 认定该渠道混凝土板出现松脆破坏是混凝土侵蚀引起的。 2 研究方法 卜 混凝土由粗细骨料、 胶凝材料、 水和J b D I 剂组成。根据侵 蚀机理， 水泥混凝土的侵蚀实质是水泥的侵蚀 ， 更确切的说是 水泥石的侵蚀。混凝土发生侵蚀的原因有内因和外因， 外因是 混凝土所处的周围环境水和侵蚀介质。环境水是侵蚀介质的 载体， 环境水渗流到哪里， 侵蚀介质就被带到哪里。侵蚀外因 的侵蚀作用必须通过内因起作用 ， 混凝土侵蚀的内因包括两方 面： 一方面是混凝土有环境水和混凝土水泥石中有渗水的开 口 孔隙， 环境水携带侵蚀介质通过这些渗流裂缝和孔隙侵入混凝 土水泥石内部； 另一方面是水泥石 内有不稳定成分 c a ( O H) ： 和水化铝酸钙 C A H。C a ( O H) 是硅 酸盐水泥 熟料 中主要 矿物 成分 C S和 C S的水化产物 ： C 3 S+H 2 0 C S H+3 C a ( O H) 2 C 2 S+H 2 O C S H+C a ( O H) 2 C A H是水泥熟料 C A矿物成分的水化产物： C3 A +H2 0 CAH 正常情况下 ， 水泥石 的组 成是稳 定 的 ， 宏 观上 混凝 土是坚 固的， 但当遇到侵蚀介质时， C a ( O H) 和 C A H易与侵蚀介质发 生化学反应， 这时它们成为水泥石组成中的不稳定成分。与侵 蚀介质反应会生成新的产物， 通常称这些新的产物为侵蚀产 物， 水泥石中出现侵蚀产物就是混凝土发生侵蚀的象征或标 志。环境水携带侵蚀介质首先侵入水泥石中的开口孔隙， 随着 收稿 日期 ： 2 0 1 0 一l 1 _ 2 O 基金项目： 新疆高等学校科研计划青年教师培育基金项 目( X J E D U 2 0 1 1 S 1 8 ) ； 新 疆农业大学水利与土木工程 学院水利水电工程重点学科项目( X J Z D X K 2 0 0 2 1 0 0 5 ) 。 作者简介： 李双喜( 1 9 7 8 一) ， 男， 新疆木垒县人， 讲师， 主要从事建筑材料研究 工作。 E ma i l ： x j l s x 1 2 3 1 2 6 c o rn 1 4 7 人 民 黄 河2 0 1 2年第 1期 水泥石开 口孔隙中侵蚀产物的增多， 当侵蚀产物充满孔隙后 ， 侵蚀产物 A ft、 C a S O 2 H O结晶膨胀 ， 导致水泥石开裂。水泥 石结构 的破坏会 造成混凝土疏松 、 强度下降 ， 甚至丧失强度 。 水泥石的侵蚀产物微观上都是晶体结构， A ft呈针状 晶体 结构 ， C a S O 2 H ： O呈长柱体 晶体结 构 、 C a ( O H) 呈六 方板 状 和层状晶体结构。利用电镜扫描技术观测水 泥石的形貌 、 形 态， 同时借助能谱测试技术分析水泥石的化学元素组成 ， 从而 判定混凝 土中是否存在侵蚀产物 。 正常的没有被侵蚀的水泥石有较多的 C a ( O H) ：和极少量 的A ft， 没有 C a S O 2 H ： O。用电镜观测水泥石开 口孔隙中有 无侵蚀产 物产生 ， A ft是 否 大量增 加 ， C a ( O H) 是否 明显 减 少 等。通过观测开口孔隙中是否充满侵蚀产物 ， 可以评定混凝土 是否发生了侵蚀 ， 结合宏观破坏现象可以判断侵蚀破坏 的程 度。同时， 对混凝土所处环境的水和土壤进行侵蚀介质含量检 测 ， 配合电镜和能谱分析， 定性 、 定量地判断混凝土是否发生了 侵蚀 ， 判定其侵蚀破坏的程度以及侵蚀破坏的原因。 3 检测结果 对西干渠混凝土板现场采集的疏松混凝土进行电镜观测 ， 发现混凝土水泥石中充满了大量长柱状晶体和不少针状晶体。 通过能谱分析证明， 这些长柱状晶体是 C a S O 2 H ： O， 针状晶 体是 A ft ， 见图 1 、 图2 。对渠道混凝土附近土壤中的侵蚀介质 含量进行检测 ， 检测结果见表 1 。 表 1 西干渠混凝土板周 围土壤检测结果 图 1 水泥石 中的长柱状 晶体 图 2 水泥石 中的针状晶体 通过 电镜 观测 和土壤 中硫酸盐含量 的测定 结果 ， 可 以判定 西干渠渠道混凝土板破坏的原因是发生了典型的硫酸盐侵蚀。 根据 水利水电工程地质勘察规范( G B 5 0 2 8 7 - - - 9 9 ) 中环境水 对混凝土腐蚀 判定的标准 ， 西 干渠渠道混凝 土板周 围土壤硫 酸 盐对使用普通 水泥的混凝土会产生强侵蚀 。 。 参考文献 ： 1 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土 M 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 2 孙兆雄， 朱永斌 ， 葛毅雄 “ 双掺” 普通水泥混凝土抗硫酸盐 、 镁盐侵蚀研究 J 新疆农业大学学报 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 4 5 4 7 3 中华人民共和国水利部 G B 5 0 2 8 7 - - 9 9 水利水电工程地质勘察规范 s 北 京 ： 中国计 划出版社 ， 2 0 0 9 4 亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀研究 中的几个基 本问题 J 混凝 土 ， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 9一 l 7 5 袁润章 胶凝材料学 M武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 8 9 6 乔宏霞， 何忠茂， 刘翠兰， 等 高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究 J 兰卅 I 理工大学学报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 0 1 1 0 5 7 李长永 ， 贾春燕 ， 高润东 ， 等 干湿 循环下 硫酸根 在混凝 土 中的传输 规律研 究 J 人 民黄河 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 1 1 4 1 1 5 【 责任编辑吕艳梅】 ( 上接 第 1 4 6页) 对于软土地质， 其上构筑物常出现沉降过大、 承载力不足 等问题 。在数值模 拟 过程 中， 对 模 型 中 土体 施 加不 同外 部 荷 载， 分析基坑开挖过程中， 随着坑外土体竖向压缩量的增大， 其 水平位移、 竖向位移以及应力分布的变化情况。在坑外对土体 加载 1 0 、 1 5 k P a的荷载 ， 其水平 、 竖 向位移 比较见 图 3 、 图 4 。可 以看 出 ， 随着坡面荷 载 的增 大 ， 基坑 内外 水平 方 向和竖 直方 向 沉降量均有所增大， 但 曲线表现较为平缓 ； 水平方 向在型钢和 水泥土地 面相交 处位移发生突变 。 1 48 深度 m 图 3不同加载情况下土体 水平位移 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 离 墙距离 m 图 4不 同加载情况下土体竖 向位移 3 结语 地表沉降会 随着基坑 开挖深度增加 而逐渐增 大 ， 其最 大位 移 由围护结构 的表 面位置逐渐 向离墙 面稍远处 移动 ， 且变化 速 度相差较为悬殊。通过分析发现， 有限元模型可以模拟基坑开 挖过程中土体和墙体的位移， 模拟结果与实测结果较为相近。 参考文献 ： 1 S l o a n S WU p p e r B o u n d L i m i t A n M y s i s U s i n g F i n it e E l e m e n t s a n d L i n e s P r o 一 a m m i n g J I n t J N u m e r A n a 1 M e t h G e o m e c h ，1 9 8 9( 1 3 ) ： 2 6 3 28 2 2 刘国彬， 黄院雄 考虑时空效应的等效土体水平抗力系数的取值研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 9 7 1 0 2 【 责任编辑吕艳梅】