胡海涛

【摘要】渠道的破坏原因有多种，本文通过电镜、能谱微观测试等方法分析了第一人民渠破坏机理为石膏结晶型和硫酸镁侵蚀结晶型侵蚀破坏，并提出了防范措施，为类似环境下渠道建设积累了经验。

【关键词】渠道；破坏机理；硫酸盐；防范措施

1、煤窑沟第一人民渠概况

煤窑沟第一人民渠是吐鲁番煤窑沟流域重要的引水渠道工程。人民渠首将水引入人民干渠，在人民干渠10.4km处设有分水闸，分为第一人民渠和第二人民渠，第一人民渠分水85%，第二人民渠分水15%，第一人民渠承担着煤窑沟河主要引水任务，为吐鲁番市农业发展做出了极大贡献。

第一人民渠修建于1955年，全长30.8km，衬砌型式为干砌卵石灌浆，断面结构型式为梯弧形，设计引水流量15m3/s。第一人民渠距今已运行60余年，渠道破损较为严重，输水渗漏损失较大，随着节水型社会的建设以及最严格水资源管理制度的实施，对第一人民渠的加固改造也在逐步实施。

干砌卵石灌浆渠道在吐鲁番是较为普遍的渠道衬砌型式，上世纪五六十年代广泛使用于干渠衬砌中。该渠道衬砌型式具有抗冲耐磨性能好，卵石之间镶嵌紧密，结构稳定等优点，尤其适用于吐鲁番渠道纵坡较大，水流泥沙含量高的特点。近年来第一人民渠逐渐出现砌石之间的浆体松散脱落现象，除渠道底部浆体受磨损脱落外，渠道边坡同样出现类似现象，并且随着浆体的松散脱落，一同砌筑的卵石也逐渐松动，致使渠道逐渐破坏，部分渠段甚至失去使用功能。

2、地质概况

煤窑沟第一人民渠大部分处于煤窑沟河右岸的Ⅲ级阶地上，地形平缓，北高南低，地形坡降3.3%。表层岩性为中更新统～全新统冲洪积物（Q3-4al+pl）含漂石的砂卵砾石层，厚度约2～3m，下部为第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）含漂石的砂卵砾石层，厚度较大，结构中密～密实，为泥质微胶结，局部泥钙质弱胶结，天然密度2.15～2.53g/cm3。渠基砂砾石层在0～1.5m范围内易溶盐含量较高，之后随着深度的增加易溶盐含量急剧减小，根据土样化验结果，硫酸根离子最大含量为6.7g/L，镁离子0.2 g/L，对混凝土有腐蚀性。

3、破坏机理

第一人民渠基础为透水性较强的砂砾石层，不存在冻胀破坏问题，而渠基表层砂砾石易溶盐含量高，砌石浆液直接与其接触，盐侵蚀破坏的可能性较大。为分析第一人民渠盐侵蚀破坏情况，对渠道破损的浆体取样进行扫面电镜，从内部微观结构分析其侵蚀产物、造成侵蚀破坏的因素和侵蚀类型。

3.1 试件取样。本次沿渠线取两组试件进行电镜微观测试。两组试件浆体均比较松散，水泥石疏松掉渣比较严重，表面有很严重的白色晶体富集，这主要是由于盐分结晶造成，成为产生侵蚀的因素。

3.2 侵蚀破坏机理

分别对两组试件分别进行電镜及能谱微观测试，第一人民渠侵蚀破坏原因为石膏结晶型和MgSO4溶蚀-结晶型两种。两组试件电镜图。

（1）石膏结晶型

两组试件白色盐类结晶的背面所照电镜照片可以看到大量的侵蚀产物石膏，从能谱图元素量峰值可以看出，该块状结构的主要元素构成为Ca、S、O。而石膏的分子式正是CaSO4·2H2O，主要组成元素正是Ca、S、O。当侵蚀溶液中硫酸根离子的浓度大于1g/L时，若水泥石的毛细孔为饱和石灰溶液所填充，不仅会有钙矾石生成，而且还会有石膏结晶析出。水泥石内部形成的二水石膏体积增大1.24倍，使水泥石因内应力过大而破坏。根据浓度积规则，只有当SO42-和 Ca2+的浓度积大于或等于CaSO4的浓度积时才能有石膏结晶析出，显然侵蚀溶液中SO42-浓度和毛细孔中的石灰溶液浓度具有重要意义。根据试件表层松散掉渣的情况分析，本次侵蚀破坏石膏结晶的侵蚀起到了主体作用，说明侵蚀溶液中SO42-的浓度非常高，这与渠道基础土体易溶盐含量（SO42-含量6g/L）的分析结果相吻合，该侵蚀使得试件没有粗大裂纹但遍体遗散。

（2）硫酸镁侵蚀结晶型

根据渠基土体易溶盐分析，侵蚀液中硫酸根离子浓度为6.7g/L，镁离子的浓度0.2 g/L，说明硫酸镁的存在。在所有硫酸盐类型中，MgSO4侵蚀是对混凝土侵蚀破坏性最大的一种，MgSO4的侵蚀其原因主要是Mg2+和SO42-均为侵蚀源，二者相互叠加构成严重的复合侵蚀，这种反应生成的石膏晶体或钙矾石晶体会引起混凝土体积膨胀产生内应力，同时反应将CH转化成MH，降低了水泥石系统的碱度，破坏了C-S-H水化产物稳定存在的条件，使C-S-H等水化产物分解造成混凝土强度和粘结性的损失，进而使混凝土产生破坏。.

4、防范措施

由以上分析可以看出，导致渠道混凝土浆液破坏的原因为硫酸盐侵蚀破坏，其内因主要是水泥石水化铝酸钙、Ca（OH）2和毛细孔，外因则是侵蚀溶液中存在SO42-。因此，防止或减轻混凝土硫酸盐侵蚀的方法有：

（1）优先选择抗硫酸盐水泥或掺碱性混合料水泥品种。根据混凝土工程或卵石灌浆工程所处的侵蚀环境的特点，合理选择水泥品种，如抗硫酸盐水泥或掺活性混合材料水泥。抗硫酸盐水泥配制混凝土的出发点或原理是基于硫酸盐对混凝土的侵蚀实质是硫酸盐对水泥的侵蚀，因此只要减少和控制硅酸盐水泥熟料中的C3S和C3A，达到减少Ca（OH）2和CAH的目的，就可以生产出抗硫酸盐硅酸盐水泥，并配制出能够抵抗硫酸盐侵蚀的水泥混凝土，但其在水中硫酸根离子含量超过4g/L或土中硫酸根离子超过6g/L时效果降低，抗蚀龄期缩短。掺碱性矿渣混凝土具有优异的抗硫酸盐侵蚀能力，当采用火山灰质或粉煤灰掺料与抗硫酸盐水泥联合使用时，配制的混凝土对抗硫酸盐侵蚀有显著的效果，掺硅粉等超细混合材的混凝土，其抗硫酸盐侵蚀能力也大大提高。

（2）提高混凝土密实度

混凝土的抗渗性和抗侵蚀性具有密切相关性，提高混凝土密实度无疑有利于提高抗侵蚀性，混凝土的高密实度在耐久性方面表现为既有高抗渗性又有高抗硫酸盐侵蚀性。在混凝土配合比中可通过添加粉煤灰等添加剂等方法提高混凝土的密实性，施工中应有效降低水灰比，避免多余的水分蒸发后形成连通的孔隙，使侵蚀介质容易渗入水泥石的内部从而加速侵蚀的产生。

（3）与侵蚀介质隔离

第一人民渠受到硫酸盐侵蚀主要是渠基土体中的易溶盐含量高造成的，因此可通过土工膜将混凝土或浆砌石与土体隔离，避免二者直接接触，降低易溶盐侵蚀的风险，同时又可起到防渗的作用。

混凝土的抗侵蚀防范措施不能一概而论，应根据不同环境采取不同措施，或依据试验综合确定防范措施，以提高混凝土的抗侵蚀能力，延长混凝土结构的耐久性。

5、结论

本文分析了第一人民渠破坏机理为硫酸盐侵蚀破坏，为类似环境下渠道的维修改建和抗硫酸盐侵蚀防范措施积累了经验。