察尔汗盐湖条件下水泥混凝土耐久性调查研究
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察尔汗盐湖条件下水泥混凝土耐久性调查研究王复生 孙瑞莲 秦晓娟(济南大学材料科学与工程系,济南 250022) 摘 要 察尔汗盐湖是以氯盐为主,同时含硫酸盐的干涸盐湖,对水泥混凝土有严重的侵蚀作用。
其侵蚀性质分不同部位而异:在卤水中发生石膏型强硫酸盐化学结晶侵蚀;在地面以上30cm 以内和干燥的盐渍土部位发生复合侵蚀,以氯盐结晶产生的物理膨胀侵蚀为主导侵蚀方式,同时也存在石膏型强硫酸盐化学结晶侵蚀;钢筋混凝土中的钢筋在氯盐侵入时发生严重锈蚀。
关键词 混凝土抗侵蚀 盐湖 察尔汗盐湖作者简介:王复生(1951～),男,硕士,教授1主要从事水泥、混凝土方面的研究11 前言柴达木盆地位于我国青海省的西部,是我国矿藏最为丰富的盆地,是青藏高原上的聚宝盆。
察尔汗盐湖是柴达木盆地内最大的盐湖,是个富含晶间卤水的干涸盐湖,盐层晶体间充满了高矿化度的卤水,最高含盐量达400克/升以上。
据初步勘测计算:岩盐和卤水中含氯化纳(食盐)430亿吨,可供全世界人口吃一千年以上;含氯化钾218亿吨,是我国最大的可溶性钾盐矿藏;含氯化镁25亿吨,还有硫、碘、硼、磷、锂、铯、铷等20多种元素[1],是我国西部的一个重点开发地区。
该地区这种特定环境对建筑材料,特别对水泥混凝土是很严酷的,耐久性问题显得特别突出。
这种严酷条件下的建筑材料,特别是水泥混凝土的耐久性,是世界上建筑行业科技人员所关注的。
从解放初盐湖的开发利用开始,建筑行业就开始注意建筑材料防侵蚀的研究与探索,为修建青藏铁路和进一步开发盐湖,国内不少部门和科技人员进行过试验与研究,这些试验与研究,积累了不少珍贵的资料,提出了一些对策,但不少现象和问题尚未进一步研究。
为了青海察尔汗盐湖开发建设的需要,笔者对卤水、盐渍土和盐湖大气条件下水泥混凝土的耐久性进行了调查与取样分析,收集了有关的科技资料,并进行了实验室试验。
本文介绍有关的概况和笔者进行的研究结果,供有关部门在我国西部大开发中参考。
2 察尔汗盐湖地理、气象概况及卤水、盐渍土的化学特性2.1 察尔汗盐湖的地理、气象概况青海察尔汗盐湖位于青藏高原昆仑山、巴颜喀喇山以北,祁连山系以南,茶卡以西,阿尔金山以东,是柴达木盆地西南部最低洼地区中的一个干涸盐湖。
格尔木市位于盐湖的西南方向,离盐湖中部青海钾肥厂约70公里。
盐湖海拔高度为2676～2680米之间,位于东经94°～96°,北纬36°40′～37°13′,南北宽20～40公里,东西长168公里,总面积5856平方公里,是世界上最大的内陆干盐湖。
据有关资料介绍,该地区最高气温为3914℃,最低气温-3316℃,最大日温差2818℃。
历年地面极端最高温度为62～69℃,极端最低温度为-28.9～33.4℃;年最大降雨量仅为6616毫米,多年平均降水量为2314毫米,平均蒸发量351815毫米,月最大蒸发量为59711毫米,蒸发量高达降水量的150倍。
夏季炎热,冬季干冷,温差变化大,降水量很少,蒸发量很大,这是形成干涸盐湖的主要气候条件。
在213亿年前,柴达木盆地原是一片汪洋大海。
后来由于地壳上升,青藏高原逐渐上升到4000米以上。
西南湿润气流被南部高山所阻,气61候十分干燥。
逐步蒸发干涸,形成了今天的柴达木盆地。
原来海水里的盐类随着蒸发浓缩,逐渐汇集到最低洼地区,构成了现在的察尔汗盐湖。
盐湖表层有几十厘米的盐盖硬壳,是盐和泥土、沙子的混合物,这是由于长期刮大风将昆仑山、祁连山的泥土及塔里木沙漠的黄沙卷到盐湖的缘故。
盐湖的中心地带,在盐盖硬壳下面埋藏着8～20米厚的晶体盐岩,最深处达30米左右。
盐层晶间充满了高矿化度的卤水,最高含盐量达400克/升以上。
212 水的化学特征盐湖的周围有大小河流11条,但常年有水的河流只有3条,即:格尔木河、素棱果勒河、乌图美仁河。
河水的化学组成及其变化规律,主要与地质条件、气候条件(主要是蒸发作用)及河水流量等因素有密切关系。
盐湖东部的素棱果勒河、哈图乌苏河源远流长,进入盆地后由于河床平缓、流速减少,在强烈蒸发作用下,河水的矿化度由50公里外的1119克/升,至盐湖边缘增高至100克/升以上。
水的化学组成由Cl2S O42Na2Mg2Ca型水逐渐变为Cl2Na2Mg型水;盐湖南部的格尔木河,在昆仑山区受冰雪融水的补给,水流量大,矿化度小于1克/升,自南部山前至盐湖外部边缘100公里的流程中,水的化学组成由HC O32Cl2S O42Na2Ca 型变为Cl2HC O32S O42Na2Mg2Ca型水,由原来的重碳酸盐为主变为氯化物为主;盐湖西部的乌图美仁河,水化学组成为Cl2Na2Mg型,矿化度变化大,在向盐湖流程10余公里中,矿化度由1～2克/升急剧增至100克/升以上,其支流由于水量甚少,蒸发量大,且靠近盐湖,矿化度高达300克/升以上。
为Cl2Na型卤水。
可见,在远离盐湖区的河水矿化度均较小,至盐湖边缘区域矿化度剧增。
盐湖外围地下潜水与地表河水的化学特征及其变化规律基本相似。
在远离盐湖的昆仑山区,地下水受冰雪融水补给,矿化度多为小于1克/升的HC O32Cl2Ca2Mg型或HC O32Cl2S O42Na2Ca型淡水,由于潜水和裂隙泉水受到不同程度的矿化,进入柴达木盆地后,逐渐变成1～3克/升的弱矿化淡水或半咸水。
从格尔木向盐湖方向潜水矿化度逐渐上升,成为Cl2S O42Na2Mg型或Cl2Na2Ca2Mg 型,至盐湖边缘地区成为大于50克/升的Cl2Na2 Mg型卤水(天然水矿化度1～50克/升称为盐水,大于50克/升称为卤水)。
进而由外部边缘区的100克/升以上急剧升高至内部边缘区的300克/升以上,成为高浓度的卤水。
盐湖中心区域卤水的含盐量高达400克/升以上,成为Cl2Na2Mg2K型过饱和卤水,高于海水含盐量的10倍以上。
代表性的数据见表1[6]。
这种过饱和卤水,在插入木棒时会很快析出白色晶体盐、光卤石(K Cl2MgCl2 6H2O),水氯镁石(MgCl-6H2O)等盐矿。
面积5856平方公里的察尔汗盐湖,大部分属于干涸盐湖,其中也分布着8个卤水湖泊,如达不逊湖,南霍尔逊湖、北霍尔逊湖,涩聂湖、协作湖,表1 盐湖及超重盐渍土区卤水化学成分(克/升)地点阳离子阴离子Na+K+M g2+Ca2+∑u Cl-S O4CO3HCO3∑u∑u 察尔汗盐湖20.9618.4768.34 4.18108.2241.5 6.230.00 1.17248.5356.7超重盐渍土35.517.0455.050.8898.48220.5 4.200.000.18224.9323.4表2 盐湖湖水主要离子含量(%)地点K+Na+M g2+Cl-S O42-含盐量达不逊湖 1.23 2.20 4.5517.440.4125.83霍尔逊湖0.178.170.9016.320.1225.68涩聂湖0.23 6.72 1.7114.85 1.0324.54协作湖0.66 6.647.7330.93045.60大别勒湖、小别勒湖,团结湖等。
由于湖水的补给条件不同,水的化学成分及含量各有差异,其主要离子含量有所不同(见表2),其中达不逊湖的钾、镁离子含量分别为海水的32～36倍。
从本课题的角度看,察尔汗盐湖是含硫酸盐的氯盐湖。
2.3 盐渍土盐碱化概况及化学特征盐湖边缘为盐渍土地带,地层以轻亚粘土为主,土呈黄褐色,有些土中含有微小晶体盐粒,少数土中含有5～8毫米盐块。
盐渍土中易溶盐含量较高,按其盐渍化的程度不同,划分为轻盐渍土、重盐渍土和超重盐渍土3个地带。
轻盐渍土土壤含盐量在014%～4%之间,地下水矿化度712188～200克/升;重盐渍土土壤含盐量313%～1214%之间,地下水矿化度为200～300克/升;超重盐渍土土壤含盐量417%～2017%之间,地下水矿化度大于300克/升。
盐渍土地带在植被上有明显的不同,轻盐渍土地带一般芨芨草、芦苇、罗布麻等耐盐性植物比较茂盛;重盐渍水则植被稀少,除个别靠近水边有旱芦苇外,其它植物均不生长;而超重盐渍土及盐湖上寸草不生,因而盐渍土分类比较明显。
盐渍土的宽度视地点而异,在格尔木与察尔汗钾肥厂之间,轻盐渍土段约30公里,重盐渍土段长约1615公里,超重盐渍土段约5公里。
盐渍土的易溶盐,并非全是土质本身固有的盐类。
土颗粒之间的孔隙吸附着高盐分的卤水,在地下水位上升时,土的孔隙充满卤水,当水位下降时,孔隙卤水缓慢析出结晶。
同时,毛细管的作用使卤水在土壤孔隙中上升,日晒蒸发使卤水盐在地表析出。
盐渍土的含量与地下水的矿化度密切相关。
盐渍土中盐的组成也与地下水成分密切相关。
盐渍土中易溶盐中的氯根(Cl-)与硫酸根(S O42-)之比普遍大于2,多数比值10～15,个别高达50以上,为氯盐渍土。
从成分看与卤水组成相近。
从含盐量看,轻盐渍土地区的表土中含盐量也很高。
3 察尔汗盐湖地区水泥混凝土的腐蚀情况 水泥混凝土及钢筋混凝土构件腐蚀从环境来看可分在卤水中、盐渍土地面附近、空气中3类。
在盐湖和盐渍土地区,水泥混凝土在地面以上30厘米内干湿交替部位首先发生严重侵蚀,俗称“烂根”。
水泥混凝土在卤水干湿交替环境条件下,1年左右即发生侵蚀。
水泥混凝土位于地面以下及卤水中的部分也发生严重侵蚀,但其速度比地表以上30厘米部位稍慢。
据了解察尔汗钾肥厂在70年代曾在盐湖里铺设一段混凝土管道,管道一半在卤水中,一半在空气中,只一年多时间地面以上部位即被侵蚀成一团乱泥。
1984年在盐湖公路埋设的水泥混凝土里程碑,1988年时,除格尔木市外,从轻盐渍土至盐湖无一完好。
混凝土构件破坏最严重的位置在地面以上30cm以内,图1,图2是典型实例。
照片是1988年11月9号摄于察尔汗火车站。
察尔汗火车站建在厚砂石堆层之上,站牌支柱露出地面部分也受到严重腐蚀。
不与卤水直接接触的建筑物,其地面附近的砂浆墙裙,散水1年粉化(图3)。
该地区用高标号混凝土制的桥梁。
水泥混凝土轨枕,1988年时图1 察尔汗火车站站牌图2 察尔汗火车站站牌局部图3 1985年建筑物散水砂浆侵蚀情况81尚未见到明显侵蚀。
从我们的现场调查情况来看,在盐渍土地区和盐湖区,如无特殊措施,水泥混凝土都要发生严重侵蚀,低标号砂浆1年粉化,低标号(200号)混凝土3年左右开始粉化,高标号混凝土寿命较长。
上述条件下水泥混凝土的腐蚀,从总体来看主要系混凝土中毛细管吸附地下卤水,上升到地面以上部位在空气的干燥蒸发作用下,使卤水在混凝土中发生物理结晶,使混凝土从表面逐层脱落破坏。
80年代在铁路桥涵等重要建筑中,曾采用环氧漆涂层隔断或环氧玻璃钢隔断措施,收到一定效果,但地面以上部位涂层在强烈的紫外线照射下老化较快,察尔汗地区1979年修建2座铁路桥涵,水泥混凝土表面涂环氧漆。
