過硫酸鹽氧化修復后土壤對建筑物的腐蝕性分析

袁平凡

(1.上海市巖土工程檢測中心，上海 200072;2.自然資源部大都市區國土空間生態修復工程技術創新中心，上海 200072)

0 引言

過硫酸鹽氧化法具有氧化反應溫和、氧化效果好、修復周期短、氧化劑性質穩定等優點，被廣泛應用于有機物污染土壤的修復[1-6]。一般情況下，土壤污染地塊修復后需要轉入開發建設階段。對于類似地塊，人們往往關心人體的健康風險是否在可接受范圍內，而很少關注修復后的土壤對建筑物穩定性影響是否發生了明顯的改變。采用過硫酸鹽修復時，需要在土壤中添加較大量的過硫酸鈉、氧化鈣、硫酸亞鐵等化學藥劑，這些藥劑的加入，可能會增大土壤對混凝土、鋼筋混凝土、以及鋼結構的腐蝕性。邱宗新[7]、程祖鋒[8]等探討了水介質對建筑材料的腐蝕性，顧寶和[9]、徐筠波[10]等評價了水、土等2種介質對建筑材料的腐蝕性，但很少有人談到污染土壤的腐蝕性問題。許麗萍[11]等雖然談到了污染土壤的綜合評價，但也沒有分析修復后污染土壤的腐蝕性問題。董聰慧[12]等從理論上分析了過硫酸鹽氧化法修復污染土壤后對建筑物的腐蝕性的變化，但沒有通過實際案例作進一步的探討。本文以上海某多環芳烴類污染地塊為例，研究了該地塊采用過硫酸鹽高級氧化修復前后土壤中相關組分的含量變化，分析了修復前后土壤對建筑物腐蝕性的影響。

1 過硫酸鹽氧化修復技術介紹

1.1 過硫酸鹽的氧化修復機理

1.2 藥劑比例

添加合適的氧化劑用量至關重要，氧化劑用量過低，降解效率就達不到要求，量過高則會增加應用成本，并可能造成環境殘留。根據修復工程實踐，修復藥劑的投加比例大多為過硫酸鈉氧化劑1.0%～5.0%，活化藥劑0.1%～2.0%(如硫酸亞鐵、氧化鈣等)。

1.3 主要產物分析

2 土壤對建筑物的腐蝕性

2.1 混凝土的腐蝕性機理

按照混凝土的腐蝕機制，場地土壤對混凝土結構的腐蝕主要包括分解類腐蝕、結晶類腐蝕和結晶分解復合類腐蝕3類[14-15]。如土壤中的銨鹽、鎂鹽與混凝土毛細孔中游離的Ca(OH)2反應后，生成易溶鹽，被溶解或被水帶走，屬于分解類腐蝕；硫酸鹽進入到混凝土后，與混凝土中游離的CaO作用形成石膏結晶(CaSO4·2H2O)，新生成所占的體積遠遠大于的體積，導致體積膨脹，使水泥石開裂破壞，屬于結晶類腐蝕；硫酸鎂對混凝土即有分解類腐蝕，又有結晶類腐蝕，屬于結晶分解復合類腐蝕。

2.2 鋼筋混凝土中鋼筋、鋼結構的腐蝕性機理

金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕，氯離子是金屬材料的主要腐蝕劑。氯離子到達混凝土鋼筋或鋼結構表面，吸附于局部鈍化膜上，產生表面點位銹蝕，開成鈍化電池，氯離子將促進腐蝕電池，卻不會被消耗，降低陰陽極之間的歐姆電阻，加速電化學腐蝕過程，因此，氯鹽是威脅建筑物耐久性最危險的化學物質。

2.3 腐蝕性的危害

在工程建設中，鋼筋混凝土結構是世界上最龐大的建筑材料，它的耐久性、可靠性和安全性關系到建筑物及人類的生命財產安全。建筑物的腐蝕性評價一直都是巖土工程勘察的重要內容之一[14]。其耐久性的影響因素很多，環境中地下水及土的腐蝕因素被認為是主要乃至第一位的影響因素。

3 土壤對建筑物腐蝕性評價標準

3.1 評價標準

在工程地質勘察中，環境水土對建筑物的腐蝕性評價是巖土工程勘察報告的主要內容之一。結合場地的自然地理和水文地質條件，依據國家標準《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001(2009版))[16]及上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范》(DG/TJ 08-37—2012)[17]，對工程場地的土壤進行采樣和分析，并作出合理的評價。

3.2 評價方法

3.2.1 土壤對混凝土的腐蝕性評價

受環境類型影響，土壤對混凝結構的腐蝕性評價應符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.1中的要求，對土壤的腐蝕評價，應將表中數值乘以1.5的系數，單位以mg/kg表示。土壤pH對混凝結構的腐蝕性評價應符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.2中的pH的要求。腐蝕等級中，只出現弱腐蝕時，應綜合評價為弱腐蝕；無強腐蝕，最高為中等腐蝕時，應綜合評價為中腐蝕；有一個或一個以上為強腐蝕，應綜合評價為強腐蝕。

3.2.2 土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價

土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價應符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.4中的要求。

3.2.3 土壤對鋼結構的腐蝕性評價

土壤對鋼結構的腐蝕性評價應符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.5中的要求。

4 工程實例

4.1 工程概況

以上海某多環芳烴土壤污染修復工程為例，該工程所在區域屬于濱海平原區(Ⅱ區)[18]。地塊環境初步調查期間，采用系統布點法兼顧專業判斷法在地塊內布設了21個土壤監測點，地下水監測點11個，地塊界外設置1個土壤/地下水對照點。淺部地層以細顆粒組成的黏性土、粉性土為主，具水平層理，粘性土中一般夾有薄層粉砂。地下水類型主要為淺層的潛水和下部砂性土地層中的承壓含水層。地塊淺層地下水水位高程在3.34～3.66m范圍內，地下水位埋深一般在0.78～1.24m。地下水流向呈現由東南向西北流動的趨勢。根據初步調查時測得的水位高程數據來模擬地塊所在區域地下水的流向(圖1)。

1—地下水與土壤監測點；2—土壤監測點；3—場地邊界；4—地下水水位等值線(m)；5—地下水流向圖1 項目地塊地下水流向示意圖

該工程場地歷史上有集裝箱有限公司和包裝材料廠，場地調查結果為苯并(a)芘含量1.21mg/kg，超過相關標準[19]中第一類用地篩選值，采用異位高級氧化修復技術進行修復，采用的修復技術方案為：先用挖掘機按照藥土比(以干土計，下同)為0.5%左右的生石灰添加到待處理的土壤中并初混一次，便于篩分和土壤破碎。然后再按照藥土比添加1%氧化藥劑過硫酸鈉和0.5×10-6添加激活劑七水硫酸亞鐵，用篩分破碎斗進一步將其混勻，同時在混均的過程中不斷向其中噴漆自來水，使土壤含水率保持在25%～30%左右。經養護反應、自檢、土壤修復效果評估合格后，將修復后土壤回填至原基坑。

4.2 檢測指標及方法

4.3 檢測結果

對修復前后土壤樣品各測定6次，結果表明，修復后土壤中鈣鹽、硫酸鹽、總礦化度等有較大的增加量，但遠小于理論增加值(表1)。將修復后土壤中鈣鹽和硫酸鹽的含量換算成測定土壤易溶鹽用提取液中鈣鹽和硫酸鹽的濃度，分別為0.0016mol/L和0.0043mol/L，兩者乘積為6.9×10-6，與硫酸鈣的溶度積常數[21]Ksp=9.1×10-6十分接近，從鈣鹽、硫酸鹽的理論添加量來說，這兩種離子的加入摩爾量是很接近的，修復后，形成了硫酸鈣沉淀，因此測得的修復后土壤中易溶性鈣鹽、易溶性硫酸鹽的含量遠小于理論加入量。

表1 檢測結果

4.4 土壤對建筑材料的腐蝕性評價

4.4.1 土壤對混凝土的腐蝕性評價

對照標準，修復前土壤中各類指標對混凝土結構的腐蝕性等級均為“微”，修復后硫酸鹽的腐蝕性為“中”(標準中的Ⅰ類環境時)或“弱”(標準中的Ⅱ，Ⅲ類環境時)，綜合評價為“中等腐蝕性”或“弱腐蝕性”，說明修復活動對土壤的腐蝕性有一定影響(表2)。

表2 土壤對混凝土結構的腐蝕性評價表

4.4.2 對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性

該工程場地修復土壤以黏性土為主，可塑，局部含較濕粉土。在修復過程中，沒有添加氯化物之類的含氯的藥劑，修復前后土壤中氯離子含量沒有顯著變化。因此，對于因氯離子引起的土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性，修復前后沒有變化，均為“微”腐蝕性。

4.4.3 土壤對鋼結構的腐蝕性

由于修復過程中加入了中強堿氧化鈣，而過硫酸鈉在化學反應過程中會消耗堿，堿的加入量不足時會產生酸。另一方面，由于氧化劑過硫酸鈉的加入，會使土壤的氧化還原環境產生變化，實測結果也反映了這種情況，而土壤pH和氧化還原電位是對鋼結構建筑有腐蝕影響的指標。根據檢測結果，修復前后土壤pH對鋼結構腐蝕性均為“微”；修復前土壤氧化還原電位對鋼結構腐蝕性評價為“微”，修復后評價為“中”，結果見表3所示。

表3 土壤對鋼結構的腐蝕性評價表

5 結論

(1)當采用過硫酸鈉(1%)-氧化鈣(0.5%)-硫酸亞鐵(0.5×10-3)體系修復有機物污染的土壤時，修復后土壤對混凝土和鋼結構的腐蝕性均較修復前有所加重，其中對混凝土的腐蝕性等級從原來的“微”變成了“弱”或“中”，對鋼結構的腐蝕性等級從原來的“微”變成了“中”。

(2)建議實施過過硫酸鹽氧化修復污染土壤的地塊，在污染土壤修復效果評估或土地再開發前的工程勘察中，重視對土壤腐蝕性的評價問題，布設監測位置時應考慮土壤污染修復區域，以便制定正確的防腐措施和建筑施工方案。