邯鄲市區地下水對建筑基礎的腐蝕性研究

程祖鋒,余金

(1.河北工程大學資源學院,河北邯鄲056038;2.河北工程大學土木工程學院,河北邯鄲056038)

由于建筑物所處環境以及設計、施工和使用等諸多因素的影響,建筑基礎都不同程度地遭受各種侵蝕介質的腐蝕破壞,影響了建筑物的穩定性和耐久性。我國分別于1999年與2002年兩次將“場地水、土腐蝕性的調查測試與評價(方法)”納入到《巖土工程勘察規范》及《工業建筑防腐蝕設計規范》。國內學者對地下水的腐蝕性也做了大量研究。白玉華等[1]討論了人為因素對地下水腐蝕性的影響,認為人為因素對地下水的腐蝕性影響不容忽視。李乃珍等[2]采用RSD和SEM等方法研究了水泥的水化過程及其耐腐蝕機理。程祖鋒等[3]采用多因素腐蝕正交試驗,對邯鄲市內地下水進行腐蝕性研究及評價。

GIS技術是一項以計算機為基礎的新型技術,它具有將數據信息通過三維可視化圖像反映出來的優點,通過收集1999年至2005年以來邯鄲市區建筑勘察場地的393個水樣的化學分析資料,借助GIS軟件將腐蝕資料可視化,并以此為基礎,結合場地的自然地理和水文地質條件,依據《巖土工程勘察規范》,采用單因素的評價方法,對邯鄲市區內地下水的腐蝕類型和腐蝕等級進行評價。

1 地下水的腐蝕原理

1.1 混凝土的腐蝕

水泥硬化以后多余的水分,絕大部分都以自由水的形式存在,并在混凝土內部形成大小不同的孔隙和毛細通道,混凝土構件所處環境中的某些腐蝕介質通過這些孔隙進入混凝土內部,與孔隙中的Ca(OH)2飽和溶液及水泥水化產物接觸發生化學反應及一系列的物理化學破壞作用。按照混凝土的破壞機制,地下水對混凝土結構的腐蝕主要包括分解類腐蝕、結晶類腐蝕以及結晶分解復合類腐蝕三類[4-6]。

1.2 鋼筋的腐蝕

一般情況下,鋼筋由普通碳鋼制成,在混凝土中處于固、液、氣三相體系中,主要受混凝土微隙縫溶液的作用。當混凝土結構處在腐蝕環境中時,鋼筋外面的保護層首先被腐蝕介質腐蝕,導致腐蝕介質與鋼筋直接接觸并進一步破壞鋼筋的鈍化膜,當具備一定條件時,鋼筋便開始銹蝕。鋼筋的腐蝕原理有以下兩種[7]：(1)碳化作用引起的電化學腐蝕;(2)Cl-引起的化學、電化學腐蝕。

2 鋼筋混凝土腐蝕等級的評價標準

2.1 混凝土腐蝕等級的評價標準

依據《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)[8],整理出分別受環境類型影響、地層滲透性影響時地下水對混凝土腐蝕等級的評價標準,見表1、表2。

2.2 鋼筋腐蝕等級的評價標準

依據文獻[8]的規定評價地下水對混凝土結構中的鋼筋的腐蝕性,據Cl-的濃度、考慮干濕交替特征與土的含水量的腐蝕性評價標準見表3。

表1 考慮環境類型影響時地下水對混凝土的腐蝕性評價標準(Ⅱ類環境)Tab.1 Evaluation criteria of corrosivity of concrete caused by groundwater considering the type of environment(ⅡEnvironment)

表2 考慮地層滲透性影響時地下水對混凝土的腐蝕性評價標準Tab.2 Evaluation criteria of corrosivity of concrete caused by groundwater considering permeability

表3 地下水對鋼筋的腐蝕性評價標準[1]Tab.3 Evaluation criteria of corrosivity of concrete iron caused by groundwater

3 邯鄲市區地下水腐蝕性評價

收集1999年以來邯鄲市區建筑勘察場地的393個水樣的化學分析資料(篇幅所限,資料未列出),以此為基礎進行腐蝕性評價。

3.1 腐蝕環境類型的確定

依據文獻[9],在評價地下水對建筑材料的腐蝕性之前應確定當地的氣候類型、場地環境類型、干濕交替情況、冰凍情況、地層的滲透類型、含水情況與建筑結構的臨水情況等條件。

邯鄲市區氣候類型屬于干燥度指數小于1.5的濕潤區,區內淺基礎持力層附近的地層以粘性土與粉土為主,其含水量分別為20.0%～35.0%和10.0%～20.0%,據文獻[9]附錄G的規定,它們屬于弱透水層,綜上所述,可確定邯鄲市區的場地環境類型為Ⅱ類。邯鄲市一月平均氣溫-2.15℃,地面表層溫度0～4℃,屬于微凍區。但根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2002)[10],邯鄲市的凍土深度小于0.6m,在絕大多數場地小于地下水的埋深,故按不凍區(段)來考慮。市區內的建筑基礎結構按具有干濕交替作用考慮[11]。

3.2 地下水對鋼筋混凝土的腐蝕性研究與評價

(1)對混凝土的腐蝕性研究與評價

據分析,市區內地下水對混凝土的腐蝕類型齊全,結晶類、分解類與結晶分解復合類腐蝕都有。結晶類腐蝕樣本 127件,占總樣本數的32.1%,其中弱腐蝕樣本112件,中腐蝕樣本14件,分別占總樣本數的28.5%和3.6%。分解類腐蝕為碳酸型,強滲透性土層與弱滲透性土層的腐蝕樣本分別為22件與6件,分別占總樣本數的5. 6%和1.5%。復合類腐蝕樣本為一強一弱共兩件。上述分析表明,區內地下水對混凝土結構有一定的腐蝕作用,且以結晶類腐蝕為主。

(2)對鋼筋的腐蝕性研究與評價

依據文獻[9],以Cl-+0.25SO42-為評價因子,同時考慮干濕交替特征,對地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性進行評價。區內地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有弱、中腐蝕性的水樣本分別為 231件與 44件,分別占總樣本數的58.9%與11.4%,無強腐蝕樣本。上述分析說明研究區內地下水樣對鋼筋有腐蝕的比例十分高,且以弱、中腐蝕為主。

4 地下水腐蝕因子的分布特征

本文對393個水樣的化學分析資料進行統計來評價邯鄲市區地下水對鋼筋混凝土基礎的腐蝕性時,均考慮了土層滲透性的影響。經過統計,得地下水腐蝕性評價有關因子特征值統計一覽表,見表4。表中包括13項腐蝕性評價因子的樣本數(n)、最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、平均值(Xav)、標準差(s)、變異系數(d)。據表4,評價因子的標準差、變異系數除了pH值一項,其他各項都較高。尤其是S、Mg2+總礦化度、侵蝕性CO2與Cl-的變異系數分別高達1.05、0.99、10.23、5.14與1.91,這說明區內地下水的離子成分分布極不均勻,顯然是受到過嚴重的人為污染。這里主要分析S、Mg2+、侵蝕性CO2與Cl-的分布特征。

表4 地下水腐蝕性評價因子特征值Tab.4 Eigenvalue of groundwater corrosivity evaluation factor

4.1 S分布特征

表5 S各含量分段樣本數Tab.5 Sub-samples of S

表5 S各含量分段樣本數Tab.5 Sub-samples of S

SO42-含量/(mg?L-1) 樣本數 百分比/% 0～500 266 67.6 500～1 500 112 28.5 1 500～3 000 14 3.6 3 000～6 500 1 0.3

4.2 Mg2+分布特征

在本次研究中,發現邯鄲市區地下水的Mg2+離子含量水平較低,其對混凝土的腐蝕性較小,由于鎂離子與硫酸根離子共存可造成復合類腐蝕,所以有必要對Mg2+離子的平面分布特征加以分析。研究區的Mg2+離子主要分布在西污水廠與滏陽化工集團一帶,極值在西污水廠附近。分布趨勢與S基本一致,說明研究區地下水S與Mg2+主要來自MgSO4。

4.3 侵蝕性CO2分布特征

整理得地下水侵蝕性CO2各含量段的樣本數,如表6所示。由表可見,區內地下水地下水侵蝕性CO2含量高于15mg/L(對于強透水地層)與高于30mg/L(對于弱透水地層)的樣本分別有14件和6件,這說明侵蝕性CO2是研究區的較主要腐蝕因子之一。盡管侵蝕性CO2為0的百分比達到了90.3%。研究區內的侵蝕性CO2主要呈點狀分布在比較低洼的七處,范圍不大。這可能與微生物的活動及有機質有關,局部地段是因生產企業的生產活動所致。

表6 侵蝕性CO2各含量分段樣本數Tab.6 Sub-samples of erosion CO2

4.4 Cl-分布特征

由于Cl-和Cl-+0.25S都是評價水土對鋼筋腐蝕性的因子,只不過是當介質中同時存在Cl-離子和S離子時要用Cl-+0.25S而不是用Cl-離子的濃度。因為研究區內地下水同時存在這兩種離子成分,所以用于評價的是Cl-+ 0.25SO。SO離子的分布特征前面已經敘述了,這里只分析Cl-離子在研究區的分布特征。

整理得地下水Cl-離子各含量段的樣本數,如表7所示。由表可見,區內地下水Cl-離子含量高于100 mg/L的樣本達到了70.2%,這說明Cl-離子是研究區內鋼筋的主要腐蝕因子之一。研究區地下水Cl-離子高濃度主要分布于西南的局部與北部、東北部的廣大區域,滏陽河沿岸有零星分布。較大值在邯鋼化肥廠、滏陽化工集團、西污水廠、市皮件廠及制革廠等地段。

表7 Cl-各含量分段樣本數Tab.7 Sub-samples of Cl-

5 地下水腐蝕性的影響因素分析

地下水腐蝕區主要分布在邯鄲市區的化工企業附近。根據分析,可將影響地下水腐蝕性的因素歸納為以下幾個方面：

(1)污染源分布是腐蝕性分布的關鍵因素。

(2)地形地勢通過制約腐蝕物的運移、富集、交替而影響腐蝕性的分布。

(3)人為因素的影響,例如工農業生產與生活目的對地下水的過量開采、建筑施工開挖中的降水、生活垃圾與生活污水的任意排放等。

6 結論

(1)邯鄲市區內地下水對鋼筋混凝土基礎存在結晶類中、弱腐蝕。

(2)地下水主要腐蝕區分布在邯鄲市區重點化工企業附近。

(3)影響腐蝕區分布的主要因素是污染源、地形地勢以及人為因素等,而污染容易造成局部地區比較強烈的腐蝕。

[1]白玉華,賀大印.人為因素對地下水腐蝕性的影響[J].南京建筑工程學院學報,1997(2)：79-83.

[2]李乃珍,金國萱,劉蘭計,等.抗海水水泥對高濃SO42-、Mg2+、CL-的耐腐蝕性能及其機理[J].中國減災科技,1998(5)：7-13.

[3]程祖鋒,孫秀娟,崔吉錚.混凝土腐蝕的正交試驗研究[J].吉林大學學報(地球科學版),2007,37(5)：978 -982.

[4]張麗霞,袁鐵錚.地下水與工程事故[J].工程勘察, 1995(5)：29-38.

[5]馬建.對《巖土工程勘察規范》中“水和土腐蝕性的評價”部分的分析[J].工程勘察,2001,1：32-35.

[6]佘超,沈杰,戴明松.泉域地下水資源管理信息系統[J].河北工程大學學報(自然科學版),2009,26(2)：85 -89.

[7]黃晉昌.混凝土及鋼筋混凝土的腐蝕與防護[J].鐵道工程報,2000,3：99-104.

[8]GB50021-2001,巖土工程勘察規范[S].

[9]GB50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[10]程祖鋒.建筑基礎腐蝕性試驗與評價研究[D].長春：吉林大學,2006.