復(fù)雜水環(huán)境下混凝土構(gòu)筑物腐蝕破壞機(jī)理研究

於林鋒

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

我國(guó)鋼筋混凝土構(gòu)筑物面臨廣泛的水腐蝕環(huán)境[1]：海水/海港環(huán)境下，鋼筋混凝土腐蝕破壞主要表現(xiàn)氯離子滲透導(dǎo)致鋼筋銹脹、進(jìn)而引起混凝土開裂加速鋼筋銹蝕[2-3]；城市污水環(huán)境下，污水處理構(gòu)筑物混凝土?xí)艿礁鞣N酸、堿、有機(jī)物、無機(jī)物和微生物的腐蝕，并耦合機(jī)械沖擊與磨蝕作用[4-5]；西部鹽湖地區(qū)混凝土構(gòu)筑物服役環(huán)境廣泛存在高濃度的氯、硫酸根、鎂等多種有害離子，并經(jīng)受干冷、干熱的嚴(yán)酷氣候作用，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼗炷翐p傷劣化速度明顯高于我國(guó)其它地區(qū)[6-7]。這些類型水環(huán)境中鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕破壞特征及作用機(jī)理已有較多成熟研究，而相關(guān)研究對(duì)另一類城市復(fù)雜水環(huán)境中混凝土構(gòu)筑物腐蝕破壞的關(guān)注則較少，例如城市河道、港道配套的混凝土設(shè)施，特別是穿越地面的混凝土地下箱涵，其服役的水環(huán)境具有較復(fù)雜屬性：水體往往遭受了一定程度污染，水域底部沉積了大量的淤泥，水體、淤泥的化學(xué)成分較復(fù)雜，水體有一定流速且水位隨季節(jié)變化。為詳細(xì)了解這類混凝土構(gòu)筑物在復(fù)雜水環(huán)境下的腐蝕破壞機(jī)理，本文以上海市楊浦區(qū)虬江水系某服役20余年的地下混凝土箱涵為對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)試、水樣及泥樣分析、箱涵表層附著物測(cè)試分析和混凝土芯樣測(cè)試分析等手段，展開系統(tǒng)研究。

1 取樣方法及試驗(yàn)過程

本文以上海市楊浦區(qū)虬江水系的某地下混凝土箱涵為研究對(duì)象，該箱涵全長(zhǎng)2120 m，箱涵結(jié)構(gòu)為單箱三室結(jié)構(gòu)，截面形式為矩形，尺寸為5800 mm×4300 mm和4800 mm×5300 mm兩種形式，壁厚400 mm，如圖1所示，本文重點(diǎn)對(duì)箱涵的東側(cè)或南側(cè)的邊室進(jìn)行測(cè)試分析。該混凝土箱涵建于1994年，其長(zhǎng)期服役于復(fù)雜水環(huán)境：箱涵底部長(zhǎng)期被約1.5 m厚淤泥覆蓋，箱涵側(cè)壁下部浸沒在富營(yíng)養(yǎng)化的河道水中，箱涵側(cè)壁上部及頂部則位于水位變化區(qū)。

圖1 箱涵整體截面示意（mm）

為了解在復(fù)雜水環(huán)境中服役20余年后的混凝土箱涵腐蝕破壞情況及作用機(jī)理，利用箱涵疏浚清淤過程對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試分析，具體的取樣方法及試驗(yàn)過程如下：

（1）在混凝土箱涵內(nèi)部、箱涵上游河道、箱涵下游河道分別取河道水樣品，在混凝土箱涵內(nèi)部和箱涵下游河道分別取淤泥樣品，并對(duì)樣品的pH值、COD及各類離子濃度進(jìn)行測(cè)試。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)近距離觀察、觸摸的方式，對(duì)箱涵頂部、側(cè)壁上部、側(cè)壁下部等部位箱涵混凝土材料的腐蝕破壞情況進(jìn)行描述和記錄。

（3）對(duì)不同部位箱涵側(cè)壁與頂部的表層附著物進(jìn)行分層取樣，進(jìn)行X熒光、XRD分析，具體取樣內(nèi)容、取樣部位及樣品編號(hào)如表1所示。

表1 混凝土箱涵表面附著物取樣部位及編號(hào)

（4）現(xiàn)場(chǎng)分別隨機(jī)選擇混凝土箱涵頂面、側(cè)壁上部（距頂面0.5 m）、側(cè)壁下部（距底面1 m）的各10個(gè)不同區(qū)域，按JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土的回彈強(qiáng)度、碳化深度和保護(hù)層厚度。

（5）現(xiàn)場(chǎng)采用鉆芯方式采取箱涵側(cè)壁混凝土芯樣，并在實(shí)驗(yàn)室開展芯樣中氯離子分布、鋼筋銹蝕情況及芯樣能譜測(cè)試，芯樣鉆取部位及樣品編號(hào)如表2所示。

表2 箱涵側(cè)壁混凝土芯樣鉆取部位及編號(hào)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)箱涵混凝土的腐蝕破壞狀況

通過現(xiàn)場(chǎng)近距離觀察、觸摸的方式，對(duì)箱涵頂部、側(cè)壁等部位混凝土材料的腐蝕破壞情況進(jìn)行了檢查，結(jié)果為：箱涵頂部存在較重的腐蝕破壞，混凝土表層粉化、剝落情況較為嚴(yán)重，較多區(qū)域發(fā)現(xiàn)石子外露情況，如圖2所示；箱涵側(cè)壁存在一定的腐蝕破壞，表面附著一層淤泥，將淤泥剔除后發(fā)現(xiàn)混凝土存在一定粉化，但未發(fā)現(xiàn)明顯的石子外露情況，如圖3所示。

圖2 混凝土箱涵頂部腐蝕破壞狀況

圖3 混凝土箱涵側(cè)壁腐蝕破壞狀況

2.2 河道水和淤泥特性的測(cè)試分析（見表3）

表3 河道水和淤泥樣品的性能測(cè)試結(jié)果

分析表3可知：

（1）箱涵上下游及箱涵內(nèi)河道水樣品的pH值為6.5左右，呈弱酸性，屬于GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的V-C級(jí)（pH值6.5~5.5）環(huán)境作用等級(jí)。

（2）河道水中硫酸鹽含量為50~60mg/L，低于GB/T 50476—2019規(guī)定的V-C環(huán)境作用等級(jí)200~1000 mg/L；河道水中氯化物含量為65~70 mg/L，低于GB/T 50476—2019規(guī)定的Ⅳ-C較低氯離子濃度范圍100~500 mg/L。

（3）淤泥中硫酸鹽含量為80~90 mg/kg，氯化物含量為65~80 mg/kg，也均處于較低濃度范圍水平。

2.3 箱涵混凝土表面附著物特性測(cè)試分析

采用X熒光和XRD方法，對(duì)箱涵混凝土表面附著物特性進(jìn)行分析，結(jié)果如表4和圖4所示。

表4 箱涵混凝土表面附著物X熒光分析結(jié)果

圖4 箱涵混凝土表面附著物的XRD圖譜

分析表4、圖4可知：

（1）箱涵混凝土表面附著物中含量最多的元素為Si、Al，并含有一定量的Ca、Fe、Mg、K、Na等，S的含量較低。

（2）箱涵混凝土表層物質(zhì)及表層砂漿中的主要晶相為石英，根據(jù)部位的不同可能含有一定量的鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、白云母、高嶺石等礦物晶相，這些物質(zhì)來自于砂石骨料。表層砂漿樣品中礦物晶相峰值較高，表層物質(zhì)樣品同樣有砂石的晶相存在，但峰強(qiáng)較低，表明河道水和淤泥中的黏土、有機(jī)物等非晶態(tài)物質(zhì)以附著物的形式包裹在被腐蝕后的混凝土砂石表面，已無法完全分離。

（3）測(cè)試結(jié)果中未見氯鹽、硫酸鹽或其他侵蝕性介質(zhì)的晶相存在，表明箱涵在服役環(huán)境下混凝土受氯鹽、硫酸鹽等環(huán)境侵蝕的可能性較小。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)箱涵混凝土基本性能參數(shù)的測(cè)試分析

現(xiàn)場(chǎng)開展箱涵混凝土的碳化深度及保護(hù)層厚度測(cè)試，結(jié)果及分析如下：

（1）箱涵頂部混凝土的保護(hù)層厚度為25～31 mm，平均值為28.5 mm；箱涵側(cè)壁上部混凝土的保護(hù)層厚度為34～44 mm，平均值為39.5 mm；箱涵側(cè)壁下部混凝土的保護(hù)層厚度為38～49 mm，平均值為43.5 mm。

（2）現(xiàn)場(chǎng)碳化深度測(cè)試反映了箱涵的中性化深度：箱涵頂部混凝土的平均中性化深度為4.5 mm，側(cè)壁上部平均中性化深度為3.5 mm，側(cè)壁下部的平均中性化深度為1.5 mm。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)箱涵混凝土芯樣強(qiáng)度、氯離子分布及鋼筋銹蝕情況測(cè)試分析

將鉆取的箱涵混凝土芯樣切除表層腐蝕區(qū)域后，按CECS 03—2017《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度規(guī)程》、GB/T 50784—2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》分別切割磨平后制成高徑比為1∶1的圓柱形抗壓試件、高徑比為2∶1的圓柱形劈拉試件，并按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

表5 箱涵混凝土芯樣的力學(xué)性能

將部分芯樣破開取出殘留鋼筋，觀察鋼筋的銹蝕狀態(tài)。參照NT BUILD 208將箱涵混凝土芯樣由表層至里分層粉磨制樣，每2 mm1層（表層為0~1 mm），并采用酸溶方法測(cè)試每層粉樣中的氯離子含量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 混凝土芯樣的氯離子含量分布

分析表5和圖5可知：

（1）箱涵側(cè)壁不同部位混凝土的抗壓強(qiáng)度平均值為60~70 MPa，側(cè)壁不同部位混凝土的抗壓強(qiáng)度無明顯規(guī)律性差別；箱涵側(cè)壁不同部位混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.2~6.2 MPa，由于B2、B3芯樣試件中含部分鋼筋，檢測(cè)結(jié)果偏高?？傮w來看，箱涵側(cè)壁腐蝕層以下的混凝土力學(xué)性能良好。

（2）箱涵不同部位混凝土中酸溶性氯離子含量隨著深度的增加先增大后減小，但箱涵混凝土最表層混凝土中的氯離子長(zhǎng)期被河道水浸泡沖刷后大量流失，因而呈現(xiàn)表層混凝土氯離子含量較低的現(xiàn)象?；炷羶?nèi)部酸溶性氯離子含量的最大值為0.03%~0.07%，處于較低的水平，表明擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子總量較低，由氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕的概率較低，這與芯樣中殘留鋼渣無明顯銹蝕痕跡的現(xiàn)象一致。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)箱涵混凝土芯樣的能譜測(cè)試分析

根據(jù)水泥水化理論，硬化混凝土水泥漿中C-S-H凝膠的Ca/Si比約為1.7，而水泥水化產(chǎn)物中的C-S-H凝膠和Ca（OH）2通常是共存的，受Ca（OH）2的影響，通過能譜儀測(cè)試的混凝土水化產(chǎn)物Ca/Si比在1.6~2.2內(nèi)可認(rèn)為是合理的。當(dāng)混凝土受到外界流水溶蝕或酸溶蝕時(shí)，Ca（OH）2和C-S-H凝膠中的Ca元素溶解流失，混凝土水化產(chǎn)物的Ca/Si比降低，Ca/Si越低，表明水化產(chǎn)物受侵蝕的程度越高。因此，可通過對(duì)混凝土樣品不同深度水化產(chǎn)物進(jìn)行面掃描能譜測(cè)試，分析混凝土水化產(chǎn)物Ca/Si比隨深度的變化規(guī)律，表征混凝土的受腐蝕程度[8-9]。將由芯樣制成的樣品根據(jù)水化產(chǎn)物形貌，在掃描電鏡下每隔0.5 mm深度尋找不同區(qū)域的水化產(chǎn)物，對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行面掃描能譜測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同芯樣混凝土水化產(chǎn)物Ca/Si比隨深度的變化

分析圖6可知：

（1）B1混凝土樣品在深度小于1.5 mm時(shí)，水化產(chǎn)物Ca/Si比小于1.6；B2混凝土樣品在深度小于3.5 mm時(shí)，水化產(chǎn)物Ca/Si比小于1.6；B3混凝土樣品在深度小于3.5 mm時(shí)，水化產(chǎn)物Ca/Si比小于1.6。

（2）根據(jù)水泥水化理論，混凝土中水泥水化產(chǎn)物的Ca/Si比小于1.6表明水化產(chǎn)物中鈣元素流失，混凝土受到了侵蝕?？膳袛郆1、B2、B3混凝土樣品的受腐蝕深度為分別為1.5、3.5、3.5 mm。

3 箱涵混凝土腐蝕破壞機(jī)理綜合分析

根據(jù)對(duì)復(fù)雜水環(huán)境下混凝土箱涵的現(xiàn)場(chǎng)觀察、測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采取的河道水、淤泥、表層附著物和混凝土芯樣的測(cè)試結(jié)果，對(duì)箱涵混凝土的腐蝕破壞特性綜合分析如下：

（1）在復(fù)雜水環(huán)境下服役20余年的混凝土箱涵遭受了較為嚴(yán)重的腐蝕破壞，宏觀上主要表現(xiàn)為混凝土表層粉化、剝落，嚴(yán)重部位出現(xiàn)明顯的石子外露現(xiàn)象。

（2）根據(jù)工程殘存的設(shè)計(jì)圖紙推測(cè)箱涵頂部、側(cè)壁的原保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值在45～50 mm，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的箱涵頂部、側(cè)壁上部、側(cè)壁下部的剩余保護(hù)層厚度分別為28.5、39.6、43.4 mm，剩余保護(hù)層中性化深度分布為4.5、3.5、1.5 mm，這表明箱涵各部位腐蝕破壞程度為：頂部>側(cè)壁上部>側(cè)壁下部，這與現(xiàn)場(chǎng)外觀觀察結(jié)果一致。

（3）采取的河道水、淤泥樣品中SO42+、Cl-含量較低，引起鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕的概率較低；河道水受到一定程度的還原性物質(zhì)污染，其COD值高于DB 31/199—2018《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)；河道水呈現(xiàn)弱酸性，易于造成箱涵混凝土的腐蝕。

（4）采取的箱涵混凝土表層附著物中的S元素含量極低，附著物礦物組成中多為砂石骨料中常見的礦物相，且未見氯鹽、硫酸鹽或其他侵蝕性介質(zhì)的晶相存在，表明箱涵在服役環(huán)境下混凝土受氯鹽、硫酸鹽等環(huán)境侵蝕的可能性較小。

（5）采取的混凝土芯樣去除表層腐蝕物后，內(nèi)部力學(xué)性能、安定性良好，且未發(fā)現(xiàn)堿集料反應(yīng)跡象，表明箱涵混凝土腐蝕破壞源于骨料因素（堿活性、安定性）的概率較低。

（6）采取的混凝土芯樣中Cl-分布與擴(kuò)散理論相符，芯樣表層的氯離子含量在0.03%~0.07%，處于較低的水平，表明擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子總量較低，由氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕的概率較低。

（7）采用能譜分析方法得到的芯樣混凝土水化產(chǎn)物Ca/Si比測(cè)試結(jié)果表明，芯樣表層混凝土水化產(chǎn)物Ca元素明顯流失、Ca/Si比偏低，而芯樣內(nèi)部Ca/Si比處于正常水平。

綜合以上分析，在復(fù)雜水環(huán)境下服役20余年的混凝土箱涵的腐蝕原因?yàn)楣橇弦蛩?、鋼筋銹蝕（碳化及氯鹽侵蝕）、硫酸鹽侵蝕的概率較低?；炷料浜谋韺臃刍?、剝落、石子外露的腐蝕破壞特征與生活污水環(huán)境下（封閉環(huán)境、構(gòu)筑物有頂部/頂蓋、污水非充滿構(gòu)筑物內(nèi)腔）硫化氫引起的混凝土構(gòu)筑物的腐蝕破壞特征很類似，但因河道水的COD值遠(yuǎn)低于生活污水，且箱涵混凝土表面附著物中硫元素含量極低、礦物相中位發(fā)現(xiàn)硫酸鹽類晶相，故這種可能也予以排除。由于河道水的pH值呈弱酸性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)混凝土中性化狀態(tài)、芯樣表層混凝土水化產(chǎn)物的Ca/Si比變化規(guī)律，推測(cè)該混凝土箱涵腐蝕破壞的主因是酸侵蝕環(huán)境下的鈣溶蝕，其腐蝕破壞機(jī)理為：

混凝土的鈣溶蝕從其與水環(huán)境尤其是流動(dòng)的軟水或酸性水接觸時(shí)就已經(jīng)開始，主要來自于水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）的溶解。

Ca（OH）2→Ca2++2OH

C-S-H→Ca2++2OH-+SiO2

弱酸條件下，水中的H+與溶解產(chǎn)生的OH-結(jié)合，加速了Ca（OH）2和水化硅酸鈣的分解。如果外部水環(huán)境是流動(dòng)的，溶解的Ca2+被流水帶走，由于濃度差一直存在，孔溶液中的離子不斷地向外擴(kuò)散，水化產(chǎn)物也將不斷地溶解。

箱涵混凝土處于流動(dòng)的弱酸性河道水中，屬于加速的鈣溶蝕環(huán)境，表面的水化產(chǎn)物鈣流失后，結(jié)構(gòu)開始疏松并逐漸粉化，在流水沖刷作用下逐層剝落。箱涵側(cè)壁靠上及頂部區(qū)域處于河道水的水位變化區(qū)，干濕循環(huán)耦合作用會(huì)加快腐蝕破壞速度。另外，箱涵頂部為受彎構(gòu)件，頂部表層混凝土在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的肉眼不可見的微裂紋也會(huì)加劇鈣溶蝕的速率。

4 結(jié)論

（1）混凝土箱涵服役的環(huán)境中，河道水、淤泥中SO42+、Cl-含量較低，河道水呈弱酸性，屬于GB/T 50476—2019規(guī)定的V-C級(jí)（pH值6.5~5.5）環(huán)境作用等級(jí)。在該環(huán)境服役20余年后，箱涵混凝土出現(xiàn)表層粉化、剝落、石子外露等腐蝕破壞現(xiàn)象，其中箱涵各部位腐蝕程度為：頂部>側(cè)壁上部>側(cè)壁下部。

（2）箱涵混凝土芯樣內(nèi)部力學(xué)性能、安定性良好，且未發(fā)現(xiàn)堿集料反應(yīng)、安定性不良跡象；箱涵表層附著物中硫元素含量極低，礦物相中未見氯鹽、硫酸鹽等晶相，且芯樣中酸溶性氯離子含量極低，表明箱涵混凝土遭受氯鹽、硫酸鹽侵蝕的概率較低。

（3）箱涵混凝土表層疏松部分呈中性化狀態(tài)，能譜分析表明，該部分混凝土水化產(chǎn)物中Ca元素明顯流失、Ca/Si比偏低，其在復(fù)雜水環(huán)境中的主要腐蝕破壞機(jī)理為酸侵蝕環(huán)境下的鈣溶蝕。另外，流動(dòng)的弱酸性水環(huán)境作用會(huì)加速鈣溶蝕速率，混凝土表面的水化產(chǎn)物鈣流失后，結(jié)構(gòu)開始疏松并逐漸粉化，在流水沖刷作用下逐層剝落。箱涵側(cè)壁靠上及頂部區(qū)域處于河道水的水位變化區(qū)，干濕循環(huán)的耦合作用會(huì)加快腐蝕破壞速度。