復雜水環境下混凝土構筑物腐蝕破壞機理研究

於林鋒

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

我國鋼筋混凝土構筑物面臨廣泛的水腐蝕環境[1]：海水/海港環境下，鋼筋混凝土腐蝕破壞主要表現氯離子滲透導致鋼筋銹脹、進而引起混凝土開裂加速鋼筋銹蝕[2-3]；城市污水環境下，污水處理構筑物混凝土會受到各種酸、堿、有機物、無機物和微生物的腐蝕，并耦合機械沖擊與磨蝕作用[4-5]；西部鹽湖地區混凝土構筑物服役環境廣泛存在高濃度的氯、硫酸根、鎂等多種有害離子，并經受干冷、干熱的嚴酷氣候作用，導致當地混凝土損傷劣化速度明顯高于我國其它地區[6-7]。這些類型水環境中鋼筋混凝土構筑物的腐蝕破壞特征及作用機理已有較多成熟研究，而相關研究對另一類城市復雜水環境中混凝土構筑物腐蝕破壞的關注則較少，例如城市河道、港道配套的混凝土設施，特別是穿越地面的混凝土地下箱涵，其服役的水環境具有較復雜屬性：水體往往遭受了一定程度污染，水域底部沉積了大量的淤泥，水體、淤泥的化學成分較復雜，水體有一定流速且水位隨季節變化。為詳細了解這類混凝土構筑物在復雜水環境下的腐蝕破壞機理，本文以上海市楊浦區虬江水系某服役20余年的地下混凝土箱涵為對象，采用現場觀察測試、水樣及泥樣分析、箱涵表層附著物測試分析和混凝土芯樣測試分析等手段，展開系統研究。

1 取樣方法及試驗過程

本文以上海市楊浦區虬江水系的某地下混凝土箱涵為研究對象，該箱涵全長2120 m，箱涵結構為單箱三室結構，截面形式為矩形，尺寸為5800 mm×4300 mm和4800 mm×5300 mm兩種形式，壁厚400 mm，如圖1所示，本文重點對箱涵的東側或南側的邊室進行測試分析。該混凝土箱涵建于1994年，其長期服役于復雜水環境：箱涵底部長期被約1.5 m厚淤泥覆蓋，箱涵側壁下部浸沒在富營養化的河道水中，箱涵側壁上部及頂部則位于水位變化區。

圖1 箱涵整體截面示意（mm）

為了解在復雜水環境中服役20余年后的混凝土箱涵腐蝕破壞情況及作用機理，利用箱涵疏浚清淤過程對其進行了系統的測試分析，具體的取樣方法及試驗過程如下：

（1）在混凝土箱涵內部、箱涵上游河道、箱涵下游河道分別取河道水樣品，在混凝土箱涵內部和箱涵下游河道分別取淤泥樣品，并對樣品的pH值、COD及各類離子濃度進行測試。

（2）通過現場近距離觀察、觸摸的方式，對箱涵頂部、側壁上部、側壁下部等部位箱涵混凝土材料的腐蝕破壞情況進行描述和記錄。

（3）對不同部位箱涵側壁與頂部的表層附著物進行分層取樣，進行X熒光、XRD分析，具體取樣內容、取樣部位及樣品編號如表1所示。

表1 混凝土箱涵表面附著物取樣部位及編號

（4）現場分別隨機選擇混凝土箱涵頂面、側壁上部（距頂面0.5 m）、側壁下部（距底面1 m）的各10個不同區域，按JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》、JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術標準》測試測區內混凝土的回彈強度、碳化深度和保護層厚度。

（5）現場采用鉆芯方式采取箱涵側壁混凝土芯樣，并在實驗室開展芯樣中氯離子分布、鋼筋銹蝕情況及芯樣能譜測試，芯樣鉆取部位及樣品編號如表2所示。

表2 箱涵側壁混凝土芯樣鉆取部位及編號

2 試驗結果及分析

2.1 現場箱涵混凝土的腐蝕破壞狀況

通過現場近距離觀察、觸摸的方式，對箱涵頂部、側壁等部位混凝土材料的腐蝕破壞情況進行了檢查，結果為：箱涵頂部存在較重的腐蝕破壞，混凝土表層粉化、剝落情況較為嚴重，較多區域發現石子外露情況，如圖2所示；箱涵側壁存在一定的腐蝕破壞，表面附著一層淤泥，將淤泥剔除后發現混凝土存在一定粉化，但未發現明顯的石子外露情況，如圖3所示。

圖2 混凝土箱涵頂部腐蝕破壞狀況

圖3 混凝土箱涵側壁腐蝕破壞狀況

2.2 河道水和淤泥特性的測試分析（見表3）

表3 河道水和淤泥樣品的性能測試結果

分析表3可知：

（1）箱涵上下游及箱涵內河道水樣品的pH值為6.5左右，呈弱酸性，屬于GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》規定的V-C級（pH值6.5~5.5）環境作用等級。

（2）河道水中硫酸鹽含量為50~60mg/L，低于GB/T 50476—2019規定的V-C環境作用等級200~1000 mg/L；河道水中氯化物含量為65~70 mg/L，低于GB/T 50476—2019規定的Ⅳ-C較低氯離子濃度范圍100~500 mg/L。

（3）淤泥中硫酸鹽含量為80~90 mg/kg，氯化物含量為65~80 mg/kg，也均處于較低濃度范圍水平。

2.3 箱涵混凝土表面附著物特性測試分析

采用X熒光和XRD方法，對箱涵混凝土表面附著物特性進行分析，結果如表4和圖4所示。

表4 箱涵混凝土表面附著物X熒光分析結果

圖4 箱涵混凝土表面附著物的XRD圖譜

分析表4、圖4可知：

（1）箱涵混凝土表面附著物中含量最多的元素為Si、Al，并含有一定量的Ca、Fe、Mg、K、Na等，S的含量較低。

（2）箱涵混凝土表層物質及表層砂漿中的主要晶相為石英，根據部位的不同可能含有一定量的鈉長石、鉀長石、白云母、高嶺石等礦物晶相，這些物質來自于砂石骨料。表層砂漿樣品中礦物晶相峰值較高，表層物質樣品同樣有砂石的晶相存在，但峰強較低，表明河道水和淤泥中的黏土、有機物等非晶態物質以附著物的形式包裹在被腐蝕后的混凝土砂石表面，已無法完全分離。

（3）測試結果中未見氯鹽、硫酸鹽或其他侵蝕性介質的晶相存在，表明箱涵在服役環境下混凝土受氯鹽、硫酸鹽等環境侵蝕的可能性較小。

2.4 現場箱涵混凝土基本性能參數的測試分析

現場開展箱涵混凝土的碳化深度及保護層厚度測試，結果及分析如下：

（1）箱涵頂部混凝土的保護層厚度為25～31 mm，平均值為28.5 mm；箱涵側壁上部混凝土的保護層厚度為34～44 mm，平均值為39.5 mm；箱涵側壁下部混凝土的保護層厚度為38～49 mm，平均值為43.5 mm。

（2）現場碳化深度測試反映了箱涵的中性化深度：箱涵頂部混凝土的平均中性化深度為4.5 mm，側壁上部平均中性化深度為3.5 mm，側壁下部的平均中性化深度為1.5 mm。

2.5 現場箱涵混凝土芯樣強度、氯離子分布及鋼筋銹蝕情況測試分析

將鉆取的箱涵混凝土芯樣切除表層腐蝕區域后，按CECS 03—2017《鉆芯法檢測混凝土強度規程》、GB/T 50784—2013《混凝土結構現場檢測技術標準》分別切割磨平后制成高徑比為1∶1的圓柱形抗壓試件、高徑比為2∶1的圓柱形劈拉試件，并按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試抗壓和劈裂抗拉強度，結果如表5所示。

表5 箱涵混凝土芯樣的力學性能

將部分芯樣破開取出殘留鋼筋，觀察鋼筋的銹蝕狀態。參照NT BUILD 208將箱涵混凝土芯樣由表層至里分層粉磨制樣，每2 mm1層（表層為0~1 mm），并采用酸溶方法測試每層粉樣中的氯離子含量，結果如圖5所示。

圖5 混凝土芯樣的氯離子含量分布

分析表5和圖5可知：

（1）箱涵側壁不同部位混凝土的抗壓強度平均值為60~70 MPa，側壁不同部位混凝土的抗壓強度無明顯規律性差別；箱涵側壁不同部位混凝土的劈拉強度為3.2~6.2 MPa，由于B2、B3芯樣試件中含部分鋼筋，檢測結果偏高。總體來看，箱涵側壁腐蝕層以下的混凝土力學性能良好。

（2）箱涵不同部位混凝土中酸溶性氯離子含量隨著深度的增加先增大后減小，但箱涵混凝土最表層混凝土中的氯離子長期被河道水浸泡沖刷后大量流失，因而呈現表層混凝土氯離子含量較低的現象。混凝土內部酸溶性氯離子含量的最大值為0.03%~0.07%，處于較低的水平，表明擴散進入混凝土內部的氯離子總量較低，由氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕的概率較低，這與芯樣中殘留鋼渣無明顯銹蝕痕跡的現象一致。

2.6 現場箱涵混凝土芯樣的能譜測試分析

根據水泥水化理論，硬化混凝土水泥漿中C-S-H凝膠的Ca/Si比約為1.7，而水泥水化產物中的C-S-H凝膠和Ca（OH）2通常是共存的，受Ca（OH）2的影響，通過能譜儀測試的混凝土水化產物Ca/Si比在1.6~2.2內可認為是合理的。當混凝土受到外界流水溶蝕或酸溶蝕時，Ca（OH）2和C-S-H凝膠中的Ca元素溶解流失，混凝土水化產物的Ca/Si比降低，Ca/Si越低，表明水化產物受侵蝕的程度越高。因此，可通過對混凝土樣品不同深度水化產物進行面掃描能譜測試，分析混凝土水化產物Ca/Si比隨深度的變化規律，表征混凝土的受腐蝕程度[8-9]。將由芯樣制成的樣品根據水化產物形貌，在掃描電鏡下每隔0.5 mm深度尋找不同區域的水化產物，對水化產物進行面掃描能譜測試，結果如圖6所示。

圖6 不同芯樣混凝土水化產物Ca/Si比隨深度的變化

分析圖6可知：

（1）B1混凝土樣品在深度小于1.5 mm時，水化產物Ca/Si比小于1.6；B2混凝土樣品在深度小于3.5 mm時，水化產物Ca/Si比小于1.6；B3混凝土樣品在深度小于3.5 mm時，水化產物Ca/Si比小于1.6。

（2）根據水泥水化理論，混凝土中水泥水化產物的Ca/Si比小于1.6表明水化產物中鈣元素流失，混凝土受到了侵蝕。可判斷B1、B2、B3混凝土樣品的受腐蝕深度為分別為1.5、3.5、3.5 mm。

3 箱涵混凝土腐蝕破壞機理綜合分析

根據對復雜水環境下混凝土箱涵的現場觀察、測試結果，并結合現場采取的河道水、淤泥、表層附著物和混凝土芯樣的測試結果，對箱涵混凝土的腐蝕破壞特性綜合分析如下：

（1）在復雜水環境下服役20余年的混凝土箱涵遭受了較為嚴重的腐蝕破壞，宏觀上主要表現為混凝土表層粉化、剝落，嚴重部位出現明顯的石子外露現象。

（2）根據工程殘存的設計圖紙推測箱涵頂部、側壁的原保護層厚度設計值在45～50 mm，現場測試的箱涵頂部、側壁上部、側壁下部的剩余保護層厚度分別為28.5、39.6、43.4 mm，剩余保護層中性化深度分布為4.5、3.5、1.5 mm，這表明箱涵各部位腐蝕破壞程度為：頂部>側壁上部>側壁下部，這與現場外觀觀察結果一致。

（3）采取的河道水、淤泥樣品中SO42+、Cl-含量較低，引起鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕的概率較低；河道水受到一定程度的還原性物質污染，其COD值高于DB 31/199—2018《污水綜合排放標準》規定的二級排放標準；河道水呈現弱酸性，易于造成箱涵混凝土的腐蝕。

（4）采取的箱涵混凝土表層附著物中的S元素含量極低，附著物礦物組成中多為砂石骨料中常見的礦物相，且未見氯鹽、硫酸鹽或其他侵蝕性介質的晶相存在，表明箱涵在服役環境下混凝土受氯鹽、硫酸鹽等環境侵蝕的可能性較小。

（5）采取的混凝土芯樣去除表層腐蝕物后，內部力學性能、安定性良好，且未發現堿集料反應跡象，表明箱涵混凝土腐蝕破壞源于骨料因素（堿活性、安定性）的概率較低。

（6）采取的混凝土芯樣中Cl-分布與擴散理論相符，芯樣表層的氯離子含量在0.03%~0.07%，處于較低的水平，表明擴散進入混凝土內部的氯離子總量較低，由氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕的概率較低。

（7）采用能譜分析方法得到的芯樣混凝土水化產物Ca/Si比測試結果表明，芯樣表層混凝土水化產物Ca元素明顯流失、Ca/Si比偏低，而芯樣內部Ca/Si比處于正常水平。

綜合以上分析，在復雜水環境下服役20余年的混凝土箱涵的腐蝕原因為骨料因素、鋼筋銹蝕（碳化及氯鹽侵蝕）、硫酸鹽侵蝕的概率較低。混凝土箱涵的表層粉化、剝落、石子外露的腐蝕破壞特征與生活污水環境下（封閉環境、構筑物有頂部/頂蓋、污水非充滿構筑物內腔）硫化氫引起的混凝土構筑物的腐蝕破壞特征很類似，但因河道水的COD值遠低于生活污水，且箱涵混凝土表面附著物中硫元素含量極低、礦物相中位發現硫酸鹽類晶相，故這種可能也予以排除。由于河道水的pH值呈弱酸性，并結合現場混凝土中性化狀態、芯樣表層混凝土水化產物的Ca/Si比變化規律，推測該混凝土箱涵腐蝕破壞的主因是酸侵蝕環境下的鈣溶蝕，其腐蝕破壞機理為：

混凝土的鈣溶蝕從其與水環境尤其是流動的軟水或酸性水接觸時就已經開始，主要來自于水化產物Ca（OH）2和水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）的溶解。

Ca（OH）2→Ca2++2OH

C-S-H→Ca2++2OH-+SiO2

弱酸條件下，水中的H+與溶解產生的OH-結合，加速了Ca（OH）2和水化硅酸鈣的分解。如果外部水環境是流動的，溶解的Ca2+被流水帶走，由于濃度差一直存在，孔溶液中的離子不斷地向外擴散，水化產物也將不斷地溶解。

箱涵混凝土處于流動的弱酸性河道水中，屬于加速的鈣溶蝕環境，表面的水化產物鈣流失后，結構開始疏松并逐漸粉化，在流水沖刷作用下逐層剝落。箱涵側壁靠上及頂部區域處于河道水的水位變化區，干濕循環耦合作用會加快腐蝕破壞速度。另外，箱涵頂部為受彎構件，頂部表層混凝土在拉應力作用下產生的肉眼不可見的微裂紋也會加劇鈣溶蝕的速率。

4 結論

（1）混凝土箱涵服役的環境中，河道水、淤泥中SO42+、Cl-含量較低，河道水呈弱酸性，屬于GB/T 50476—2019規定的V-C級（pH值6.5~5.5）環境作用等級。在該環境服役20余年后，箱涵混凝土出現表層粉化、剝落、石子外露等腐蝕破壞現象，其中箱涵各部位腐蝕程度為：頂部>側壁上部>側壁下部。

（2）箱涵混凝土芯樣內部力學性能、安定性良好，且未發現堿集料反應、安定性不良跡象；箱涵表層附著物中硫元素含量極低，礦物相中未見氯鹽、硫酸鹽等晶相，且芯樣中酸溶性氯離子含量極低，表明箱涵混凝土遭受氯鹽、硫酸鹽侵蝕的概率較低。

（3）箱涵混凝土表層疏松部分呈中性化狀態，能譜分析表明，該部分混凝土水化產物中Ca元素明顯流失、Ca/Si比偏低，其在復雜水環境中的主要腐蝕破壞機理為酸侵蝕環境下的鈣溶蝕。另外，流動的弱酸性水環境作用會加速鈣溶蝕速率，混凝土表面的水化產物鈣流失后，結構開始疏松并逐漸粉化，在流水沖刷作用下逐層剝落。箱涵側壁靠上及頂部區域處于河道水的水位變化區，干濕循環的耦合作用會加快腐蝕破壞速度。