鹽都區(qū)水土腐蝕性評價及原因分析

石云妮 羅軍堯 楊太強(qiáng) 王昆

摘 要：水土的腐蝕性試驗研究是建筑基礎(chǔ)和地下工程中一項重要內(nèi)容，淺層地下水和土壤對工程的腐蝕性及對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響倍受關(guān)注。本文通過對試樣進(jìn)行化學(xué)分析獲得的腐蝕性數(shù)據(jù)對鹽都區(qū)環(huán)境水、地下水和土壤的腐蝕性進(jìn)行了評價；在各土層的物理性質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析了土壤低電阻率的原因。結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)水對工程材料僅具有微弱腐蝕性，地基土對鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性；含水率增加，土壤顆粒緊密程度升高，Cl-、SO2-4等化學(xué)成分增多，均會導(dǎo)致電阻率降低，使得土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性增強(qiáng)；含水率高的軟土對鋼結(jié)構(gòu)普遍具有較強(qiáng)的腐蝕性。上述研究結(jié)果可以為工程材料提高耐久性、延長使用壽命及該地區(qū)的工程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軟土；腐蝕性；原因分析；電阻率

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地下環(huán)境是一個復(fù)雜的物質(zhì)體系，由多種性質(zhì)不同的介質(zhì)組成。地下水和土壤的腐蝕作用主要反應(yīng)在它們對混凝土與金屬材料和設(shè)備的破壞上，腐蝕成分破壞混凝土，危害構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與工程壽命［1-2］。為此，許多學(xué)者對水土的腐蝕性進(jìn)行了研究與分析。柳富田等對曹妃甸濱海區(qū)的地下水腐蝕性數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出其對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性自北向南逐漸加重的規(guī)律［3］；歐陽廣錢等以趙石畔煤礦為例，分析并評價了建井穿越的含水地層的腐蝕性，對井壁混凝土防腐蝕進(jìn)行了設(shè)計［4］；夏雨波等研究發(fā)現(xiàn)水文地球化學(xué)反應(yīng)-遷移-分異過程、包氣帶淋濾作用與全新世淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土吸附作用，是形成雄安新區(qū)高水土腐蝕性地區(qū)的地質(zhì)條件［5］；另外，沿海的天津［6］、山東［7］等地及內(nèi)陸地區(qū)［8-9］也有學(xué)者開展了建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理、腐蝕測試與評價、腐蝕防治等方面的研究。

現(xiàn)有的研究工作主要集中在腐蝕測試與評價、腐蝕防治或地區(qū)水土腐蝕性區(qū)域劃分方面，而對水土腐蝕性的成因研究較少。由于所處環(huán)境不同，導(dǎo)致不同地區(qū)存在著差異很大的水土性質(zhì)，最終表現(xiàn)為各個地區(qū)差異較大的水土腐蝕性。因此，本文對鹽城市鹽都區(qū)特殊性軟土的水土腐蝕性進(jìn)行評價并分析其成因條件，為工程材料提高耐久性、延長使用壽命及該地區(qū)的工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

研究區(qū)地處里下河淺洼平原區(qū)，第四紀(jì)以來地殼運動以沉積為主，第四紀(jì)地層分布廣、厚度大，形成廣闊的淺洼平原地貌單元。淺部為全新世河湖相灰黃色-灰色可-軟塑黏性土夾粉土，廣泛分布濱海相、瀉湖相灰色淤泥質(zhì)土。中部廣泛分布全新世濱海淺海相灰色粉土、粉砂（稍-中密，夾粉質(zhì)黏土）；局部有河湖相灰-青灰色黏性土（軟塑）。深部廣泛分布更新世河湖相灰綠色-灰黃色黏性土（硬-可塑），灰黃色、灰色粉質(zhì)黏土（可塑）夾粉土；濱海淺海相灰色粉土夾粉質(zhì)黏土，灰色-灰黃色粉土、粉細(xì)砂（中密）；黏性土與砂性土多次交互出現(xiàn)。

1.2 氣象條件

研究區(qū)位于鹽城市鹽都區(qū)，具有明顯的季風(fēng)氣候特點，四季分明。年均降雨量為900～1 066 mm，多年平均降水中7月降水量明顯高于其他月份，12月降水量處于全年最低水平。年內(nèi)降水分配總體不平衡，有明顯的季節(jié)差異，年內(nèi)夏季降水占全年總降水量的54%，冬季僅占8%。年均氣溫為15.4 ℃，日均最高氣溫33 ℃，日均最低氣溫-1 ℃，無霜期218 d。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水在勘察深度范圍內(nèi)主要為分布于松散沉積物中的孔隙潛水，其次為承壓水。本文研究的土層范圍為前四層（層號為1、2、3、3A），土層中賦存潛水，承壓水存于第（5）—（8）、（10）土層中，故承壓水的影響可不予考慮。潛水補給來源主要為大氣降水，其次是地表水體，排泄方式主要為自然蒸發(fā)和側(cè)向徑流。地下水潛水初見水位標(biāo)高在0.95～1.03 m之間，穩(wěn)定水位標(biāo)高在1.05～1.13 m之間（埋深約為2 m）。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，研究區(qū)潛水歷史最高水位為▽+1.90 m，歷史最低地下水位為▽+0.38 m，近3～5年內(nèi)最高水位約為▽+1.88 m，地下水變化年幅度在1.20 m左右（本文一律采用1985國家高程基準(zhǔn)）。

2 試驗方案

2.1 水、土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試

水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性的測試項目包括：pH值、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、侵蝕性CO2、游離CO2、NH+4、OH-、總礦化度；土對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性的測試項目包括：pH值、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3的易溶鹽（土水比1 ∶5）分析。分析方法方面，Ca2+、Mg2+、SO2-4采用EDTA容量法；K+和Na+采用火焰光度法；NH+4采用納氏試劑法；HCO-3、CO2-3、OH-采用酸堿滴定法；Cl-采用摩爾法；侵蝕性CO2采用蓋耶爾法；pH值的測定采用電位法（水）和錐形玻璃電極法（土）。

徐清揚［10］詳細(xì)介紹了上述指標(biāo)的室內(nèi)試驗操作方法。在研究區(qū)內(nèi)，孔隙潛水、環(huán)境水均設(shè)置了3個取樣點；易溶鹽的測試樣共有15個，3個取樣位置，每個位置有5個不同的取樣深度（深度范圍為0.7～10.0 m），以確保數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試

土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的測試項目為視電阻率。在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置了6個測試點（D1至D6），最大測試深度為6.2 m；測試期間及測試前三天均為晴天，地表干燥。

測試采用四極法（溫納法）進(jìn)行測試；測試時，將電極等間距均布（設(shè)電極間距為a），埋入土中（設(shè)電極埋入土中深度為h，測試時應(yīng)注意使h小于0.05a）；連接好測試線后，設(shè)置儀器進(jìn)入土壤電阻率測試模式，在儀器中輸入電極間距后開始測試，儀器根據(jù)公式P=2πaR計算土壤電阻率（R為電極間土壤的電阻），儀器（ETCR3000B土壤電阻率測試儀）讀數(shù)即為土壤電阻率值。測試結(jié)果為地表至a深度處的電阻率，通過改變兩相鄰電極的間距可改變測試深度。最后采用WYS高級電法解釋軟件進(jìn)行了電阻率反演擬合計算，從而求得研究埋深范圍內(nèi)各土壤層的視電阻率值。各測點電阻率結(jié)果見表1。

3 腐蝕性評價

根據(jù)勘察資料，研究埋深范圍內(nèi)設(shè)計的土層均為Q4湖相沉積地層。地基土層自上而下簡述如下：

1層素填土：雜色，稍濕，松散，主要成分為粉質(zhì)黏土，含較多碎磚、石子、砼塊等建筑垃圾，土質(zhì)不均勻；

2層粉質(zhì)黏土：黃褐色，飽和，可塑，夾少量黏質(zhì)粉土團(tuán)塊，見少量鮞狀鐵錳結(jié)核，土質(zhì)較均勻；

3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，飽和，流塑，夾少量粉砂團(tuán)塊或薄層（單層厚2～5 mm），土質(zhì)較均勻；

3A層黏質(zhì)粉土：灰色，很濕，稍密，夾較多淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土薄層（單層厚5～8 mm），見云母碎屑，土質(zhì)不均勻。

研究區(qū)周圍無污染源，區(qū)內(nèi)水、土未受污染，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（DGJ32/TJ208—2016）［11］第16.4.7條，結(jié)合場地條件、地質(zhì)條件及工程概況等情況，本研究區(qū)地下水及地基土環(huán)境類型詳見表2。另外，研究土層為粉土和黏性土，依據(jù)上述規(guī)范研究土層均為弱透水層，確定其地層滲透性的環(huán)境條件為B。

根據(jù)水質(zhì)分析檢測和易溶鹽檢測結(jié)果，結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》（DGJ32/TJ208—2016）［11］，研究區(qū)孔隙潛水、環(huán)境水對工程材料腐蝕性評價結(jié)果見表3，地基土對工程材料腐蝕性評價結(jié)果見表4。水中pH、侵蝕性CO2、HCO-4對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價還需采用十字法進(jìn)行綜合評價，評價結(jié)果為微腐蝕。

由表4可知，孔隙潛水、環(huán)境水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在非長期浸水時具弱腐蝕性，在長期浸水時具微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；研究區(qū)范圍內(nèi)地基土對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。

4 原因分析

4.1 腐蝕機(jī)理

混凝土的腐蝕主要分為物理、化學(xué)和微生物腐蝕。其中，物理腐蝕又包括浸蝕腐蝕和結(jié)晶腐蝕，浸蝕腐蝕即混凝土與環(huán)境介質(zhì)長期接觸時，混凝土中的可溶性成分溶解，致使孔隙率增大、混凝土結(jié)構(gòu)破壞；在濕度較低或低溫環(huán)境下，可溶性鹽在混凝土孔隙和毛細(xì)孔內(nèi)吸水結(jié)晶，不斷的析出累積導(dǎo)致混凝土膨脹開裂而破壞稱為結(jié)晶腐蝕（如堿-集料反應(yīng)）。化學(xué)腐蝕是指混凝土中的有效成分與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成容易溶解的新生成物，使混凝土有效成分不斷流失；或者在毛細(xì)孔內(nèi)生成大量鈣鹽，造成混凝土張裂破壞。微生物腐蝕包括生物力學(xué)作用（如植物的根莖會破壞混凝土的密實度）和類似于上述的化學(xué)腐蝕（如硫化細(xì)菌）。

鋼筋混凝土的腐蝕除了上述腐蝕機(jī)理外，還需要考慮鋼筋的腐蝕?；炷廖⑿】紫吨械目兹芤壕哂泻芨叩膒H值，在水、氧、氯離子等的共同作用下，鋼筋會發(fā)生銹蝕。銹蝕的鋼筋體積膨脹為原先的2～4倍，使混凝土沿銹蝕的鋼筋開裂，進(jìn)而發(fā)生破壞。

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要有兩種：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的主要形式。在一定溫度和濕度下，鋼材直接與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕稱為化學(xué)腐蝕，多數(shù)為氧化反應(yīng)，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成疏松的氧化物；電化學(xué)腐蝕是鋼材與周圍環(huán)境中的電解質(zhì)溶液形成原電池而產(chǎn)生的銹蝕，在潮濕的環(huán)境中，鋼材的Fe與H2O持續(xù)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終生成穩(wěn)定且易剝落的Fe（OH）3。

4.2 土腐蝕性的主要影響因素

從腐蝕性評價的結(jié)果可以看出，對于不同的工程材料，腐蝕強(qiáng)度存在較大的差異。其中，土對鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性的評價結(jié)果值得進(jìn)一步探究。決定土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價結(jié)果的是視電阻率范圍值，視電阻率值越小，則土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性越強(qiáng)。由表1中的數(shù)據(jù)可知，在該研究區(qū)內(nèi)，視電阻率值與電阻率值整體上呈正相關(guān)。此外，研究區(qū)范圍內(nèi)，第3層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，系高壓縮性軟土，具強(qiáng)度低以及觸變性、流變性、高靈敏性等特點，為本次研究最軟弱的土層單元，其孔隙比大于1，天然含水量大于液限，液性指數(shù)大于1，壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1。因此，接下來通過探究電阻率與土壤物理性質(zhì)之間的關(guān)系來研究土腐蝕性的主要影響因素。

各土層的電阻率值與物理性質(zhì)指標(biāo)如圖1所示，可以看出，電阻率值隨著土層的加深呈下降趨勢，即土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性在不斷加強(qiáng)；含水率和重度由于第3層是軟土的原因，數(shù)據(jù)圖形分別呈現(xiàn)出上凸和下凹狀，但整體上分別呈上升和下降的趨勢。

絕對干燥的土壤其電阻率接近無窮大，當(dāng)含水量增加到15％時，電阻率會顯著降低；土壤本身的顆粒越緊密，電阻率也會越低。單方面用含水率或重度來解釋圖中電阻率下降的原因似乎存在矛盾。其實不然，分析過程中還需要考慮土質(zhì)的影響。雖然含水率對黏性土的狀態(tài)有很大的影響，但對于不同的土，即使具有相同的含水率，也未必處于同樣的狀態(tài)。黏性土的天然狀態(tài)可以用液性指數(shù)來判定。圖1中含水率接近的2層粉質(zhì)黏土和3A層黏質(zhì)粉土就處于不同的狀態(tài)，分別為可塑和流動狀態(tài)。從圖1中可以明顯地看出，土壤的電阻率與其液性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明軟土的電阻率值普遍很低，即其對鋼結(jié)構(gòu)而言具有較強(qiáng)的腐蝕性。另外，由腐蝕性評價表可知，土中含有Cl-、SO2-4等化學(xué)成分，這也會導(dǎo)致電阻率顯著下降，加強(qiáng)土壤的腐蝕性。

5 結(jié)論

通過對研究區(qū)內(nèi)水土腐蝕性測試和試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）研究區(qū)范圍內(nèi)孔隙潛水、環(huán)境水對鋼筋混凝土具微腐蝕性，僅在非長期浸水時對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；地基土對鋼筋混凝土具微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。應(yīng)根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)椎要求采取相應(yīng)防腐蝕措施。

2）土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕強(qiáng)度反應(yīng)到電阻率值的大小上，含水率越高，土顆粒越緊密，電阻率值越小，土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性則越強(qiáng)。電阻率隨著液性指數(shù)的增大而減小，即腐蝕強(qiáng)度隨液性指數(shù)的增大而增大。此外，土壤中含有的Cl-、SO2-4等化學(xué)成分也加強(qiáng)了土壤的腐蝕性。

3）研究區(qū)范圍內(nèi)，第3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為特殊性土（軟土），含水率高且和埋深不存在明顯的線性關(guān)系，變化范圍為37.9%～42.7%。軟土由于其特殊性，對鋼結(jié)構(gòu)普遍具有較強(qiáng)的腐蝕性。另外，其壓縮性大，重度小，靈敏度高且有一定的流變性與觸變性的特點，使得后續(xù)工程建設(shè)中需按最不利工況進(jìn)行穩(wěn)定性及變形驗算。

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［11］江蘇省地質(zhì)工程勘察院. 巖土工程勘察規(guī)范： DGJ32/TJ208—2016［S］. 南京： 江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社， 2016.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

Evaluation and Cause Analysis of Water and Soil

Corrosivity in Yandu District

SHI Yunni1， LUO Junyao*2， YANG Taiqiang2， WANG Kun1

（1.Faculty of civil and Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2.Kunming Engineering Corporation Limited of POWERCHINA， Kunming 650500， China）

Abstract：

The research on the corrosivity of water and soil is an important part of the building foundation and underground engineering. The corrosivity of shallow groundwater and soil on the engineering and the impact on the engineering structure design should receive more attention. In this paper， the corrosivity of the environmental water， groundwater and soil in Yandu District is evaluated using the corrosivity data obtained from the chemical analysis of the samples. Also based on the data of physical properties of each soil layer， the reasons for low soil resistivity are analyzed. The results show that the water in the study area is only slightly corrosive to engineering materials， while the foundation soil is strongly corrosive to steel structures. With the increase of water content， the compactness of soil particles increases， and the chemical components such as Cl- and SO2-4 increase， both of which lead to the decrease of resistivity and the enhancement of soil corrosion to steel structures; soft soil with high water content is generally corrosive to steel structures. The above research results can provide reference for improving the durability and prolonging the service life of engineering materials and engineering construction in this area.

Key words：

soft soil; corrosivity; cause analysis; resistivity