邯郸市区地下水对建筑基础的腐蚀性研究

程祖锋,余金

(1.河北工程大学资源学院,河北邯郸056038;2.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸056038)

由于建筑物所处环境以及设计、施工和使用等诸多因素的影响,建筑基础都不同程度地遭受各种侵蚀介质的腐蚀破坏,影响了建筑物的稳定性和耐久性。我国分别于1999年与2002年两次将“场地水、土腐蚀性的调查测试与评价(方法)”纳入到《岩土工程勘察规范》及《工业建筑防腐蚀设计规范》。国内学者对地下水的腐蚀性也做了大量研究。白玉华等[1]讨论了人为因素对地下水腐蚀性的影响,认为人为因素对地下水的腐蚀性影响不容忽视。李乃珍等[2]采用RSD和SEM等方法研究了水泥的水化过程及其耐腐蚀机理。程祖锋等[3]采用多因素腐蚀正交试验,对邯郸市内地下水进行腐蚀性研究及评价。

GIS技术是一项以计算机为基础的新型技术,它具有将数据信息通过三维可视化图像反映出来的优点,通过收集1999年至2005年以来邯郸市区建筑勘察场地的393个水样的化学分析资料,借助GIS软件将腐蚀资料可视化,并以此为基础,结合场地的自然地理和水文地质条件,依据《岩土工程勘察规范》,采用单因素的评价方法,对邯郸市区内地下水的腐蚀类型和腐蚀等级进行评价。

1 地下水的腐蚀原理

1.1 混凝土的腐蚀

水泥硬化以后多余的水分,绝大部分都以自由水的形式存在,并在混凝土内部形成大小不同的孔隙和毛细通道,混凝土构件所处环境中的某些腐蚀介质通过这些孔隙进入混凝土内部,与孔隙中的Ca(OH)2饱和溶液及水泥水化产物接触发生化学反应及一系列的物理化学破坏作用。按照混凝土的破坏机制,地下水对混凝土结构的腐蚀主要包括分解类腐蚀、结晶类腐蚀以及结晶分解复合类腐蚀三类[4-6]。

1.2 钢筋的腐蚀

一般情况下,钢筋由普通碳钢制成,在混凝土中处于固、液、气三相体系中,主要受混凝土微隙缝溶液的作用。当混凝土结构处在腐蚀环境中时,钢筋外面的保护层首先被腐蚀介质腐蚀,导致腐蚀介质与钢筋直接接触并进一步破坏钢筋的钝化膜,当具备一定条件时,钢筋便开始锈蚀。钢筋的腐蚀原理有以下两种[7]：(1)碳化作用引起的电化学腐蚀;(2)Cl-引起的化学、电化学腐蚀。

2 钢筋混凝土腐蚀等级的评价标准

2.1 混凝土腐蚀等级的评价标准

依据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)[8],整理出分别受环境类型影响、地层渗透性影响时地下水对混凝土腐蚀等级的评价标准,见表1、表2。

2.2 钢筋腐蚀等级的评价标准

依据文献[8]的规定评价地下水对混凝土结构中的钢筋的腐蚀性,据Cl-的浓度、考虑干湿交替特征与土的含水量的腐蚀性评价标准见表3。

表1 考虑环境类型影响时地下水对混凝土的腐蚀性评价标准(Ⅱ类环境)Tab.1 Evaluation criteria of corrosivity of concrete caused by groundwater considering the type of environment(ⅡEnvironment)

表2 考虑地层渗透性影响时地下水对混凝土的腐蚀性评价标准Tab.2 Evaluation criteria of corrosivity of concrete caused by groundwater considering permeability

表3 地下水对钢筋的腐蚀性评价标准[1]Tab.3 Evaluation criteria of corrosivity of concrete iron caused by groundwater

3 邯郸市区地下水腐蚀性评价

收集1999年以来邯郸市区建筑勘察场地的393个水样的化学分析资料(篇幅所限,资料未列出),以此为基础进行腐蚀性评价。

3.1 腐蚀环境类型的确定

依据文献[9],在评价地下水对建筑材料的腐蚀性之前应确定当地的气候类型、场地环境类型、干湿交替情况、冰冻情况、地层的渗透类型、含水情况与建筑结构的临水情况等条件。

邯郸市区气候类型属于干燥度指数小于1.5的湿润区,区内浅基础持力层附近的地层以粘性土与粉土为主,其含水量分别为20.0%～35.0%和10.0%～20.0%,据文献[9]附录G的规定,它们属于弱透水层,综上所述,可确定邯郸市区的场地环境类型为Ⅱ类。邯郸市一月平均气温-2.15℃,地面表层温度0～4℃,属于微冻区。但根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)[10],邯郸市的冻土深度小于0.6m,在绝大多数场地小于地下水的埋深,故按不冻区(段)来考虑。市区内的建筑基础结构按具有干湿交替作用考虑[11]。

3.2 地下水对钢筋混凝土的腐蚀性研究与评价

(1)对混凝土的腐蚀性研究与评价

据分析,市区内地下水对混凝土的腐蚀类型齐全,结晶类、分解类与结晶分解复合类腐蚀都有。结晶类腐蚀样本 127件,占总样本数的32.1%,其中弱腐蚀样本112件,中腐蚀样本14件,分别占总样本数的28.5%和3.6%。分解类腐蚀为碳酸型,强渗透性土层与弱渗透性土层的腐蚀样本分别为22件与6件,分别占总样本数的5. 6%和1.5%。复合类腐蚀样本为一强一弱共两件。上述分析表明,区内地下水对混凝土结构有一定的腐蚀作用,且以结晶类腐蚀为主。

(2)对钢筋的腐蚀性研究与评价

依据文献[9],以Cl-+0.25SO42-为评价因子,同时考虑干湿交替特征,对地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性进行评价。区内地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱、中腐蚀性的水样本分别为 231件与 44件,分别占总样本数的58.9%与11.4%,无强腐蚀样本。上述分析说明研究区内地下水样对钢筋有腐蚀的比例十分高,且以弱、中腐蚀为主。

4 地下水腐蚀因子的分布特征

本文对393个水样的化学分析资料进行统计来评价邯郸市区地下水对钢筋混凝土基础的腐蚀性时,均考虑了土层渗透性的影响。经过统计,得地下水腐蚀性评价有关因子特征值统计一览表,见表4。表中包括13项腐蚀性评价因子的样本数(n)、最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、平均值(Xav)、标准差(s)、变异系数(d)。据表4,评价因子的标准差、变异系数除了pH值一项,其他各项都较高。尤其是S、Mg2+总矿化度、侵蚀性CO2与Cl-的变异系数分别高达1.05、0.99、10.23、5.14与1.91,这说明区内地下水的离子成分分布极不均匀,显然是受到过严重的人为污染。这里主要分析S、Mg2+、侵蚀性CO2与Cl-的分布特征。

表4 地下水腐蚀性评价因子特征值Tab.4 Eigenvalue of groundwater corrosivity evaluation factor

4.1 S分布特征

表5 S各含量分段样本数Tab.5 Sub-samples of S

表5 S各含量分段样本数Tab.5 Sub-samples of S

SO42-含量/(mg◦L-1) 样本数 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,发现邯郸市区地下水的Mg2+离子含量水平较低,其对混凝土的腐蚀性较小,由于镁离子与硫酸根离子共存可造成复合类腐蚀,所以有必要对Mg2+离子的平面分布特征加以分析。研究区的Mg2+离子主要分布在西污水厂与滏阳化工集团一带,极值在西污水厂附近。分布趋势与S基本一致,说明研究区地下水S与Mg2+主要来自MgSO4。

4.3 侵蚀性CO2分布特征

整理得地下水侵蚀性CO2各含量段的样本数,如表6所示。由表可见,区内地下水地下水侵蚀性CO2含量高于15mg/L(对于强透水地层)与高于30mg/L(对于弱透水地层)的样本分别有14件和6件,这说明侵蚀性CO2是研究区的较主要腐蚀因子之一。尽管侵蚀性CO2为0的百分比达到了90.3%。研究区内的侵蚀性CO2主要呈点状分布在比较低洼的七处,范围不大。这可能与微生物的活动及有机质有关,局部地段是因生产企业的生产活动所致。

表6 侵蚀性CO2各含量分段样本数Tab.6 Sub-samples of erosion CO2

4.4 Cl-分布特征

由于Cl-和Cl-+0.25S都是评价水土对钢筋腐蚀性的因子,只不过是当介质中同时存在Cl-离子和S离子时要用Cl-+0.25S而不是用Cl-离子的浓度。因为研究区内地下水同时存在这两种离子成分,所以用于评价的是Cl-+ 0.25SO。SO离子的分布特征前面已经叙述了,这里只分析Cl-离子在研究区的分布特征。

整理得地下水Cl-离子各含量段的样本数,如表7所示。由表可见,区内地下水Cl-离子含量高于100 mg/L的样本达到了70.2%,这说明Cl-离子是研究区内钢筋的主要腐蚀因子之一。研究区地下水Cl-离子高浓度主要分布于西南的局部与北部、东北部的广大区域,滏阳河沿岸有零星分布。较大值在邯钢化肥厂、滏阳化工集团、西污水厂、市皮件厂及制革厂等地段。

表7 Cl-各含量分段样本数Tab.7 Sub-samples of Cl-

5 地下水腐蚀性的影响因素分析

地下水腐蚀区主要分布在邯郸市区的化工企业附近。根据分析,可将影响地下水腐蚀性的因素归纳为以下几个方面：

(1)污染源分布是腐蚀性分布的关键因素。

(2)地形地势通过制约腐蚀物的运移、富集、交替而影响腐蚀性的分布。

(3)人为因素的影响,例如工农业生产与生活目的对地下水的过量开采、建筑施工开挖中的降水、生活垃圾与生活污水的任意排放等。

6 结论

(1)邯郸市区内地下水对钢筋混凝土基础存在结晶类中、弱腐蚀。

(2)地下水主要腐蚀区分布在邯郸市区重点化工企业附近。

(3)影响腐蚀区分布的主要因素是污染源、地形地势以及人为因素等,而污染容易造成局部地区比较强烈的腐蚀。

[1]白玉华,贺大印.人为因素对地下水腐蚀性的影响[J].南京建筑工程学院学报,1997(2)：79-83.

[2]李乃珍,金国萱,刘兰计,等.抗海水水泥对高浓SO42-、Mg2+、CL-的耐腐蚀性能及其机理[J].中国减灾科技,1998(5)：7-13.

[3]程祖锋,孙秀娟,崔吉铮.混凝土腐蚀的正交试验研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2007,37(5)：978 -982.

[4]张丽霞,袁铁铮.地下水与工程事故[J].工程勘察, 1995(5)：29-38.

[5]马建.对《岩土工程勘察规范》中“水和土腐蚀性的评价”部分的分析[J].工程勘察,2001,1：32-35.

[6]佘超,沈杰,戴明松.泉域地下水资源管理信息系统[J].河北工程大学学报(自然科学版),2009,26(2)：85 -89.

[7]黄晋昌.混凝土及钢筋混凝土的腐蚀与防护[J].铁道工程报,2000,3：99-104.

[8]GB50021-2001,岩土工程勘察规范[S].

[9]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[10]程祖锋.建筑基础腐蚀性试验与评价研究[D].长春：吉林大学,2006.