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試與評價

朱旭芬,肖國年,李 斌,宋漢周

(1.河海大學地球科學與工程學院,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試與評價

朱旭芬1,肖國年2,李 斌2,宋漢周1

(1.河海大學地球科學與工程學院,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)境介質對于地下洞室混凝土的腐蝕將影響其耐久性。采用現(xiàn)場探查、測量以及取樣分析方法,對宜興抽水蓄能電站地下廠房洞室混凝土酸性腐蝕狀況進行了綜合測試與評價。結果表明,區(qū)內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類為已受到相對嚴重腐蝕。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、鐵及堿性物質含量趨于增加,鈣質則趨于減少；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；評價；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)定性將會影響其安全運行，而由滲流產生的不利影響既包括物理方面,也包括化學方面。前者如滲透壓力作用等,而后者則取決于具體的水化學特征——由此可產生對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,從而產生對于混凝土結構耐久性的不利影響[1,2]。

目前,用于檢測識別混凝土損傷方面的技術方法已有多種。其中,鉆芯法、拔出法、壓痕法、回彈法以及超聲法等已經得到普遍應用[3],但此類方法只能用于確定混凝土結構受到腐蝕的部位及其程度,得到的通常是一個綜合指標,而引起混凝土結構強度或材料耐久性不足的具體原因仍無法診斷。而其他一些測試方法,如XRF、XRD、SEM、EDS等,近年來開始得到應用,這些測試方法主要從化學成分、礦物相等不同方面對混凝土腐蝕性狀進行診斷和解釋[4,5,6]。相對而言,在實際工作中針對某一具體問題,將諸方法的協(xié)同應用還比較少。

本文以江蘇宜興抽水蓄能電站為例,采用現(xiàn)場探查以及取樣多手段化驗分析方法,對地下廠房區(qū)洞室混凝土在酸性滲漏水作用下的腐蝕狀況進行綜合測試與評價。

表2 區(qū)內混凝土樣品的基本組成測試結果

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,裝機容量4×250 MW，電站主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關站等組成。全部機組于2008年投入運行,迄今已取得了顯著的社會效益和經濟效益。

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×寬×高)。在地下廠房區(qū)按照不同高程共設置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,巖性為細粒巖屑砂巖、巖屑石英砂巖夾粉砂質泥巖,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)內斷裂構造發(fā)育。

根據2009年11月的實測資料,地下廠房區(qū)多個滲水點地下水的pH=3.5～4.5,呈現(xiàn)出顯著酸化。對此,于2010年上半年間,針對主廠房頂拱范圍實施了“堵、排相結合”的工程處理措施,在當時收到了良好的效果。近年來,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注。

為此,于2015年8月對地下廠房區(qū)周圍洞室進行了現(xiàn)場探察、測試以及取樣工作。根據對于區(qū)內滲漏水質部分敏感指標的現(xiàn)場測量統(tǒng)計,呈強酸性(pH≤5.0)的有11個點,占16.42%；呈弱酸性(pH=5.1～6.5)的有42個點,占62.69%；呈中性(pH=6.6～8.0)的有13個點,占19.40%；呈弱堿性(pH=8.1～10.0)的有1個點,占1.49%,可見,區(qū)內約有3/4的滲水點水質呈酸性。同時在現(xiàn)場探察時,還發(fā)現(xiàn)廠房區(qū)2號～4號機組頂拱之間出現(xiàn)的滲水點位及其周圍的混凝土表面多呈灰白色,現(xiàn)場用榔頭對其進行敲擊,發(fā)出的聲音比較沉悶,表明其強度已有所損失；而在中層排水廊道UP7右邊5 m處排水溝一側,混凝土表層結構已發(fā)生明顯的開裂。為進一步對區(qū)內洞室混凝土受酸性滲漏水的腐蝕狀況進行分析研究,在現(xiàn)場探查的基礎上,分別采集了具有代表性的混凝土樣以及水樣等,有關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)場取樣基本情況

2 混凝土酸性腐蝕綜合測試分析

2.1 XRF測試與結果分析

為揭示地下廠房區(qū)混凝土的基本物質組成,對上述5個部位的混凝土樣品均作了XRF測試,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,相關測試由南京大學現(xiàn)代分析中心完成,測試結果見表2。

由表2可知：

(1)H-1和H-2樣品的主要化學成分比較接近。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樣品的主要化學成分顯著有別于其他3個樣品,并且這兩個樣品之間也存在明顯差異。前者的主要化學成分按含量高低為SO3>Fe2O3>CaO>SiO2；而后者為CaO>SiO2>Al2O3>SO3。

(3)根據現(xiàn)場觀察,H-5樣品所受的腐蝕程度最弱,該樣品的主要化學成分按含量高低排序為CaO>SiO2>Al2O3>MgO。

根據上述分析和對比,認為H-1～H-4這4個混凝土樣品已受到了不同程度的腐蝕。其中,H-3樣品最為嚴重,H-4樣品次之,而H-1、H-2樣品相對弱一些。有關這4類樣品的組分含量對比曲線見圖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(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比曲線

2.2 XRD測試與結果分析

為進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,在上述對于樣品化驗/測試的基礎上,還對采集的樣品的基本礦物相以及可能形成的次生礦物相進行了X-射線衍射(XRD)測試。所用儀器為丹東方圓儀器有限公司產DX-2700型X射線衍射儀,有關測試由河海大學地質實驗室完成；儀器采用CuKα靶,管壓為35 kV,電流為30 mA,掃描步長為0.02°,掃描速度為10°/min,掃描范圍(2θ)為5°～65°。衍射結果如圖2所示。

圖2 混凝土樣的XRD圖譜

由圖2可知：①5個混凝土樣品中均被檢出含有石英(SiO2)、方解石(CaCO3)等礦物。究其物質來源,認為前者與混凝土中所含的水泥材料有關,而后者則與混凝土表層發(fā)生的碳化有關。②有2個混凝土樣品(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測試結果也表明,腐蝕程度較弱的一類樣品(H-1、H-2)仍由原來的基本礦物相組成,而未形成新的次生礦物相。

2.3 SEM、EDS測試與結果分析

為進一步分析地下廠房區(qū)酸性滲漏水對混凝土進行腐蝕作用后形成的產物及其差異性,對采集的混凝土樣品還進行了細觀結構的電鏡掃描(SEM)以及微區(qū)元素測試(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,相關測試均由南京大學現(xiàn)代分析中心完成。部分樣品的測試結果如圖3～圖4所示。由圖3～圖4可知,①對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(10.62%)。②對于腐蝕程度較為嚴重一類混凝土樣品(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(7.73%)。

3 混凝土酸性腐蝕的熱力學分析

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)內滲漏水的酸性腐蝕作用。

根據前已論及的現(xiàn)場水質測量資料,區(qū)內滲漏水質的酸化現(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,另一方面也與人類工程活動有關。地下廠房洞室群自開挖形成以來,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,即由飽和轉為非飽和。在這樣的轉化過程中,氧氣相對容易地進入到呈疏干狀的含水層中,而由原先的還原環(huán)境轉為氧化環(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,并導致相應部位地下水尤其是水位波動帶內水質的顯著酸化。

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 與酸有關的反應自由能變化

酸是一種具有分解性侵蝕的典型物質,一般以pH值作為指標。酸有強酸與弱酸之分。對于前者,pH值可表示其H+的全部濃度；而對于后者,因電離受到平衡濃度限制,此時的pH值不能代表其H+的全部濃度。將兩者之間進行比較,強酸不僅能與游離石灰產生中和反應,而且也能與水化產物的結合石灰產生反應,且能完全進行。水化產物分解后的鋁膠Al(OH)3,在強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構的膠凝體,使其力學性能發(fā)生劣化[7]。有關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：

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

在由石灰轉變?yōu)槭嗟倪^程中,由于其體積的增大(通常為1倍),也產生相應的膨脹應力,從而導致所在部位混凝土的結構發(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,從而使其原有的強度完全喪失。

4 結 論

本文采用現(xiàn)場探查、測量以及取樣多手段化驗分析方法,對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行了綜合診斷,據此可以得到：

(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。根據取樣化驗/測試成果,可以把區(qū)內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、鐵及堿性物質含量趨于增加,而鈣質則趨于減少；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致相應部位滲漏水的酸化,由此產生的對于洞室混凝土的腐蝕作用具有復合型,即為酸性類與硫酸鹽類這兩類腐蝕作用的疊加。對此,可采用水化學分析方法加以識別。

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

[1]諶會芹, 李萍, 程祖鋒. 邯鄲市地下水對混凝土的腐蝕性評價研究[J]. 河北建筑科技學院學報, 2004, 21(1)： 19-22．

[2]邢林生, 聶廣明. 我國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. 混凝土無損檢測技術手冊[M]. 北京： 人民交通出版社, 2003.

[4]馬保國, 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]. 硅酸鹽學報, 2004, 32(10)： 1219-1224．

[5]楊令強, 王成林. 以膠東調水工程為例分析混凝土快速破壞機理[J]. 硅酸鹽學報, 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方法[M]. 倪繼淼等譯. 北京： 化學工業(yè)出版社, 1988．

(責任編輯 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

國網新源水電有限公司科技項目(52572614006A)；國家自然科學基金項目(41272265)

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

TV528(253)

A

0559-9342(2017)02-0118-05