劉富海

（中鐵十六局集團(tuán)置業(yè)投資有限公司，北京 100018）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性決定了結(jié)構(gòu)物的“健康”和“壽命”，然而地下水中的氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕都將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載力下降、耐久性失效。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明：因耐久性問題造成的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失十分驚人，一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都有過慘痛教訓(xùn)［1］。尤其是受地下水硫酸鹽及潮濕環(huán)境影響的地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，更易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，從而降低混凝土的 pH 值、破壞堿性環(huán)境、引起鋼筋銹蝕［2］，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性降低、工程總體造價(jià)增加［3］。因此，根據(jù)工程實(shí)際情況，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精確評(píng)價(jià)地下水的腐蝕性，有助于及時(shí)制定行之有效防腐蝕措施，保障地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。

本文以唐山市曹妃甸區(qū)地下水為研究對(duì)象，通過制定針對(duì)性測(cè)試方案，在開展該地區(qū)地下水腐蝕性檢測(cè)的同時(shí)就地下水腐蝕性危害進(jìn)行探討，研究成果可為唐山市曹妃甸區(qū)地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)制定防腐蝕措施提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及理論支持。

1 工程概況

唐山市作為國際化沿海城市，東北亞地區(qū)經(jīng)濟(jì)合作窗口城市，規(guī)劃以主城區(qū)為核心，統(tǒng)籌曹妃甸區(qū)、豐潤區(qū)等多區(qū)域空間資源，其中重點(diǎn)推進(jìn)曹妃甸區(qū)承接平臺(tái)建設(shè)，打造發(fā)展戰(zhàn)略支點(diǎn)。曹妃甸區(qū)位于河北省東北部、唐山市南端，地處環(huán)渤海、環(huán)京津交匯地帶，南臨渤海，北依唐山，西望津京，東靠京唐港，是京津冀協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略核心區(qū)。規(guī)劃至 2020 年，該區(qū)按照港城聯(lián)動(dòng)、區(qū)域統(tǒng)籌滾動(dòng)發(fā)展的原則，創(chuàng)建“一城兩區(qū)、組團(tuán)聚合”的總體空間結(jié)構(gòu)，高層建筑、城市軌道交通等相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施將相繼展開。為保障上述擬建基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是擬建地下結(jié)構(gòu)的耐久性，需對(duì)唐山市曹妃甸片區(qū)地下水的腐蝕性進(jìn)行調(diào)查取樣，以便在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營環(huán)節(jié)及時(shí)采取合理有效的防腐蝕措施，保證結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。

2 地下水腐蝕性檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方式

1）檢測(cè)依據(jù)。GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 版）［4］。

2）檢測(cè)項(xiàng)目。針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性檢測(cè)項(xiàng)目包括：硫酸鹽含量 SO42-、鎂鹽含量 Mg2+、銨鹽含量 NH4+、苛性堿含量 OH-、總礦化度、pH 值、侵蝕性 CO2以及 HCO3-；針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性檢測(cè)項(xiàng)目包括：長期浸水環(huán)境下的 Cl-含量和干濕交替環(huán)境下的 Cl-含量。

3）檢測(cè)方法。各檢測(cè)項(xiàng)目所采用的檢測(cè)方法如表 1 所示。

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)唐山市曹妃甸區(qū)水質(zhì)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 版）中對(duì)地下水腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文開展了曹妃甸區(qū)地下水對(duì)混凝土及鋼筋的腐蝕性評(píng)價(jià)（見表 2），檢測(cè)結(jié)果如下。

表1 各檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)檢測(cè)方法

1）唐山市曹妃甸區(qū)地下水中的硫酸鹽含量 SO42-為2 950～2 961 mg/L，達(dá)到 GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 版）中混凝土結(jié)構(gòu)中等腐蝕性標(biāo)準(zhǔn)（1 500～3 000 mg/L）的上限值，屬于中等腐蝕性且接近強(qiáng)腐蝕性。

2）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言，地下水的鎂鹽含量 Mg2+（2 210.50～2 188.63 mg/L）、總礦化度（39 018.72～38 181.73 mg/L）均在規(guī)范規(guī)定的弱腐蝕標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，屬于對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的弱腐蝕性；其余指標(biāo)銨鹽含量 NH4+、苛性堿含量 OH-、pH 值、侵蝕性 CO2以及 HCO3- 均為微腐蝕性。

3）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋而言，本地區(qū)地下水中的 Cl-含量在長期浸水和干濕交替條件下均為21 447.85～21 801.75 mg/L，根據(jù)規(guī)范對(duì) Cl-含量的標(biāo)準(zhǔn)，分別判定為弱腐蝕性和強(qiáng)腐蝕性。

表2 地下水腐蝕性評(píng)價(jià)表

綜上所述：唐山市曹妃甸區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋存在硫酸鹽腐蝕和氯鹽腐蝕危害，在工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營過程應(yīng)加以重視。

3 地下水腐蝕性危害

鹽類對(duì)和混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用主要表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)作用和物理結(jié)晶作用，如 Mg2+能和混凝土孔隙溶液中的 CA（OH）2反應(yīng)，生成疏松而無膠凝性的 Mg（OH）2，降低混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度；SO42與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，體積膨脹導(dǎo)致混凝土開裂［1］。本文針對(duì)唐山市曹妃甸區(qū)地下水的腐蝕性就硫酸鹽腐蝕和氯鹽腐蝕進(jìn)一步開展腐蝕性危害探討。

3.1 硫酸鹽腐蝕危害

硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)：SO42-由環(huán)境溶液通過表面接觸滲透到混凝土中，與混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)，其破壞是兩種化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果［5］。

一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣起反應(yīng)形成 CaSO4（即鈣礬石）；另一方面與混凝土中的 Ca（OH）2結(jié)合形成硫酸鈣（石膏）。上述兩種反應(yīng)都會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂、脫落。

此外，在干濕交替的情況下，地下水中的鹽類將滲入混凝土內(nèi)部，當(dāng)超過飽和濃度時(shí)就會(huì)析出鹽結(jié)晶而產(chǎn)生較大的壓力進(jìn)起引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力下降。

3.2 氯鹽腐蝕危害

氯鹽對(duì)鋼筋的電化學(xué)銹蝕反應(yīng)過程起到以下四種促進(jìn)作用。

1）局部酸化作用。當(dāng)?shù)叵滤械穆入x子與其他陰離子同時(shí)被吸附時(shí)，由于氯離子往往會(huì)被優(yōu)先吸附，于是鋼筋鈍化膜表面附近就出現(xiàn)氯離子濃度大于周圍地下水中氯離子平均濃度的現(xiàn)象，即鋼筋鈍化膜被局部酸化，此時(shí)鋼筋表面陽極電解液的 pH 值下降至 3.5 左右，而酸性環(huán)境將會(huì)加速鋼筋銹蝕［6］；

2）形成腐蝕原電池。由于上述氯離子造成的局部酸化作用，這些部位的鋼筋將發(fā)生銹蝕，進(jìn)而露出鐵基體。這部分已破壞的鈍化膜與完好的鈍化膜將構(gòu)成“一端鈍化、一端活化”的電位差，即形成腐蝕原電池。這種腐蝕原電池會(huì)大大加速鋼筋的銹蝕［7］；

3）氯離子的催化劑作用。氯離子與腐蝕電池陽極的鐵離子會(huì)生成 FeCl2，該物質(zhì)會(huì)與地下水中的 OH-生成 Fe（OH）2沉淀，這種沉淀物會(huì)加速腐蝕電池作用。因此氯離子不僅會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面形成腐蝕原電池，還可加速電池作用；

4）降低混凝土自身電阻。離子通路是形成腐蝕原電池的必要條件，研究表明氯離子可降低混凝土自身存在的電阻，進(jìn)而增強(qiáng)腐蝕原電池的離子通路，提高電池運(yùn)轉(zhuǎn)效率，加速鋼筋銹蝕［8］。

4 結(jié)語

唐山市曹妃甸區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)存在硫酸鹽中等腐蝕，對(duì)鋼筋存在氯鹽強(qiáng)腐蝕，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部膨脹變形、混凝土開裂、鋼筋銹蝕等問題。因此，在設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)中應(yīng)采取控制混凝土滲透性能、控制凝膠材料化學(xué)成分、混凝土涂料防護(hù)、高抗腐蝕鋼筋等措施，以期達(dá)到提高工程建設(shè)品質(zhì)和壽命，降低工程全壽命成本的效果。