唐山市曹妃甸區地下水的腐蝕性檢測及危害

劉富海

（中鐵十六局集團置業投資有限公司，北京 100018）

0 引言

鋼筋混凝土結構的耐久性決定了結構物的“健康”和“壽命”，然而地下水中的氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕都將導致混凝土結構承載力下降、耐久性失效。國內外統計資料表明：因耐久性問題造成的直接、間接經濟損失十分驚人，一些發達國家和地區都有過慘痛教訓［1］。尤其是受地下水硫酸鹽及潮濕環境影響的地下鋼筋混凝土結構，更易出現腐蝕現象，從而降低混凝土的 pH 值、破壞堿性環境、引起鋼筋銹蝕［2］，導致結構的耐久性降低、工程總體造價增加［3］。因此，根據工程實際情況，通過現場檢測精確評價地下水的腐蝕性，有助于及時制定行之有效防腐蝕措施，保障地下鋼筋混凝土結構的承載力和耐久性。

本文以唐山市曹妃甸區地下水為研究對象，通過制定針對性測試方案，在開展該地區地下水腐蝕性檢測的同時就地下水腐蝕性危害進行探討，研究成果可為唐山市曹妃甸區地下鋼筋混凝土結構制定防腐蝕措施提供實測數據及理論支持。

1 工程概況

唐山市作為國際化沿海城市，東北亞地區經濟合作窗口城市，規劃以主城區為核心，統籌曹妃甸區、豐潤區等多區域空間資源，其中重點推進曹妃甸區承接平臺建設，打造發展戰略支點。曹妃甸區位于河北省東北部、唐山市南端，地處環渤海、環京津交匯地帶，南臨渤海，北依唐山，西望津京，東靠京唐港，是京津冀協同發展的戰略核心區。規劃至 2020 年，該區按照港城聯動、區域統籌滾動發展的原則，創建“一城兩區、組團聚合”的總體空間結構，高層建筑、城市軌道交通等相關配套基礎設施將相繼展開。為保障上述擬建基礎設施，尤其是擬建地下結構的耐久性，需對唐山市曹妃甸片區地下水的腐蝕性進行調查取樣，以便在設計、施工及運營環節及時采取合理有效的防腐蝕措施，保證結構的承載力和耐久性。

2 地下水腐蝕性檢測

2.1 檢測方式

1）檢測依據。GB 50021－2001《巖土工程勘察規范》（2009 版）［4］。

2）檢測項目。針對混凝土結構的腐蝕性檢測項目包括：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-；針對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性檢測項目包括：長期浸水環境下的 Cl-含量和干濕交替環境下的 Cl-含量。

3）檢測方法。各檢測項目所采用的檢測方法如表 1 所示。

2.2 測試結果

根據唐山市曹妃甸區水質分析檢測數據，結合GB 50021－2001《巖土工程勘察規范》（2009 版）中對地下水腐蝕性評價標準，本文開展了曹妃甸區地下水對混凝土及鋼筋的腐蝕性評價（見表 2），檢測結果如下。

表1 各檢測項目對應檢測方法

1）唐山市曹妃甸區地下水中的硫酸鹽含量 SO42-為2 950～2 961 mg/L，達到 GB 50021－2001《巖土工程勘察規范》（2009 版）中混凝土結構中等腐蝕性標準（1 500～3 000 mg/L）的上限值，屬于中等腐蝕性且接近強腐蝕性。

2）對混凝土結構而言，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）均在規范規定的弱腐蝕標準范圍內，屬于對混凝土結構的弱腐蝕性；其余指標銨鹽含量 NH4+、苛性堿含量 OH-、pH 值、侵蝕性 CO2以及 HCO3- 均為微腐蝕性。

3）對混凝土結構中的鋼筋而言，本地區地下水中的 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，根據規范對 Cl-含量的標準，分別判定為弱腐蝕性和強腐蝕性。

表2 地下水腐蝕性評價表

綜上所述：唐山市曹妃甸區地下水對混凝土結構及鋼筋存在硫酸鹽腐蝕和氯鹽腐蝕危害，在工程設計、施工及運營過程應加以重視。

3 地下水腐蝕性危害

鹽類對和混凝土結構的腐蝕作用主要表現為化學反應作用和物理結晶作用，如 Mg2+能和混凝土孔隙溶液中的 CA（OH）2反應，生成疏松而無膠凝性的 Mg（OH）2，降低混凝土的密實性和強度；SO42與混凝土中的水化鋁酸鈣反應生成硫鋁酸鈣，體積膨脹導致混凝土開裂［1］。本文針對唐山市曹妃甸區地下水的腐蝕性就硫酸鹽腐蝕和氯鹽腐蝕進一步開展腐蝕性危害探討。

3.1 硫酸鹽腐蝕危害

硫酸鹽對混凝土結構的腐蝕是一個非常復雜的化學反應：SO42-由環境溶液通過表面接觸滲透到混凝土中，與混凝土內部水化產物發生化學腐蝕反應，其破壞是兩種化學反應的結果［5］。

一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣起反應形成 CaSO4（即鈣礬石）；另一方面與混凝土中的 Ca（OH）2結合形成硫酸鈣（石膏）。上述兩種反應都會造成混凝土結構體積膨脹，進而導致混凝土開裂、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部，當超過飽和濃度時就會析出鹽結晶而產生較大的壓力進起引起混凝土結構承載力下降。

3.2 氯鹽腐蝕危害

氯鹽對鋼筋的電化學銹蝕反應過程起到以下四種促進作用。

1）局部酸化作用。當地下水中的氯離子與其他陰離子同時被吸附時，由于氯離子往往會被優先吸附，于是鋼筋鈍化膜表面附近就出現氯離子濃度大于周圍地下水中氯離子平均濃度的現象，即鋼筋鈍化膜被局部酸化，此時鋼筋表面陽極電解液的 pH 值下降至 3.5 左右，而酸性環境將會加速鋼筋銹蝕［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生銹蝕，進而露出鐵基體。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生成 FeCl2，該物質會與地下水中的 OH-生成 Fe（OH）2沉淀，這種沉淀物會加速腐蝕電池作用。因此氯離子不僅會導致混凝土結構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，進而增強腐蝕原電池的離子通路，提高電池運轉效率，加速鋼筋銹蝕［8］。

4 結語

唐山市曹妃甸區地下水對混凝土結構存在硫酸鹽中等腐蝕，對鋼筋存在氯鹽強腐蝕，會導致結構內部膨脹變形、混凝土開裂、鋼筋銹蝕等問題。因此，在設計、施工等環節中應采取控制混凝土滲透性能、控制凝膠材料化學成分、混凝土涂料防護、高抗腐蝕鋼筋等措施，以期達到提高工程建設品質和壽命，降低工程全壽命成本的效果。