程祖鋒,余金

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

由于建筑物所處環(huán)境以及設(shè)計(jì)、施工和使用等諸多因素的影響,建筑基礎(chǔ)都不同程度地遭受各種侵蝕介質(zhì)的腐蝕破壞,影響了建筑物的穩(wěn)定性和耐久性。我國分別于1999年與2002年兩次將“場(chǎng)地水、土腐蝕性的調(diào)查測(cè)試與評(píng)價(jià)(方法)”納入到《巖土工程勘察規(guī)范》及《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》。國內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)地下水腐蝕性的影響,認(rèn)為人為因素對(duì)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(jī)理。程祖鋒等[3]采用多因素腐蝕正交試驗(yàn),對(duì)邯鄲市內(nèi)地下水進(jìn)行腐蝕性研究及評(píng)價(jià)。

GIS技術(shù)是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型技術(shù),它具有將數(shù)據(jù)信息通過三維可視化圖像反映出來的優(yōu)點(diǎn),通過收集1999年至2005年以來邯鄲市區(qū)建筑勘察場(chǎng)地的393個(gè)水樣的化學(xué)分析資料,借助GIS軟件將腐蝕資料可視化,并以此為基礎(chǔ),結(jié)合場(chǎng)地的自然地理和水文地質(zhì)條件,依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》,采用單因素的評(píng)價(jià)方法,對(duì)邯鄲市區(qū)內(nèi)地下水的腐蝕類型和腐蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(nèi)部形成大小不同的孔隙和毛細(xì)通道,混凝土構(gòu)件所處環(huán)境中的某些腐蝕介質(zhì)通過這些孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部,與孔隙中的Ca(OH)2飽和溶液及水泥水化產(chǎn)物接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及一系列的物理化學(xué)破壞作用。按照混凝土的破壞機(jī)制,地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕主要包括分解類腐蝕、結(jié)晶類腐蝕以及結(jié)晶分解復(fù)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(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處在腐蝕環(huán)境中時(shí),鋼筋外面的保護(hù)層首先被腐蝕介質(zhì)腐蝕,導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)與鋼筋直接接觸并進(jìn)一步破壞鋼筋的鈍化膜,當(dāng)具備一定條件時(shí),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(xué)腐蝕;(2)Cl-引起的化學(xué)、電化學(xué)腐蝕。

2 鋼筋混凝土腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 混凝土腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[8],整理出分別受環(huán)境類型影響、地層滲透性影響時(shí)地下水對(duì)混凝土腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),見表1、表2。

2.2 鋼筋腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)文獻(xiàn)[8]的規(guī)定評(píng)價(jià)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕性,據(jù)Cl-的濃度、考慮干濕交替特征與土的含水量的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表1 考慮環(huán)境類型影響時(shí)地下水對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Ⅱ類環(huán)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(shí)地下水對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria of corrosivity of concrete caused by groundwater considering permeability

表3 地下水對(duì)鋼筋的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]Tab.3 Evaluation criteria of corrosivity of concrete iron caused by groundwater

3 邯鄲市區(qū)地下水腐蝕性評(píng)價(jià)

收集1999年以來邯鄲市區(qū)建筑勘察場(chǎng)地的393個(gè)水樣的化學(xué)分析資料(篇幅所限,資料未列出),以此為基礎(chǔ)進(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)。

3.1 腐蝕環(huán)境類型的確定

依據(jù)文獻(xiàn)[9],在評(píng)價(jià)地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性之前應(yīng)確定當(dāng)?shù)氐臍夂蝾愋汀?chǎng)地環(huán)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(jié)構(gòu)的臨水情況等條件。

邯鄲市區(qū)氣候類型屬于干燥度指數(shù)小于1.5的濕潤區(qū),區(qū)內(nèi)淺基礎(chǔ)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(jù)文獻(xiàn)[9]附錄G的規(guī)定,它們屬于弱透水層,綜上所述,可確定邯鄲市區(qū)的場(chǎng)地環(huán)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(qū)。但根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)[10],邯鄲市的凍土深度小于0.6m,在絕大多數(shù)場(chǎng)地小于地下水的埋深,故按不凍區(qū)(段)來考慮。市區(qū)內(nèi)的建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按具有干濕交替作用考慮[11]。

3.2 地下水對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕性研究與評(píng)價(jià)

(1)對(duì)混凝土的腐蝕性研究與評(píng)價(jià)

據(jù)分析,市區(qū)內(nèi)地下水對(duì)混凝土的腐蝕類型齊全,結(jié)晶類、分解類與結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕都有。結(jié)晶類腐蝕樣本 127件,占總樣本數(shù)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(shù)的28.5%和3.6%。分解類腐蝕為碳酸型,強(qiáng)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(shù)的5. 6%和1.5%。復(fù)合類腐蝕樣本為一強(qiáng)一弱共兩件。上述分析表明,區(qū)內(nèi)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有一定的腐蝕作用,且以結(jié)晶類腐蝕為主。

(2)對(duì)鋼筋的腐蝕性研究與評(píng)價(jià)

依據(jù)文獻(xiàn)[9],以Cl-+0.25SO42-為評(píng)價(jià)因子,同時(shí)考慮干濕交替特征,對(duì)地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。區(qū)內(nèi)地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)的58.9%與11.4%,無強(qiáng)腐蝕樣本。上述分析說明研究區(qū)內(nèi)地下水樣對(duì)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(duì)393個(gè)水樣的化學(xué)分析資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來評(píng)價(jià)邯鄲市區(qū)地下水對(duì)鋼筋混凝土基礎(chǔ)的腐蝕性時(shí),均考慮了土層滲透性的影響。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),得地下水腐蝕性評(píng)價(jià)有關(guān)因子特征值統(tǒng)計(jì)一覽表,見表4。表中包括13項(xiàng)腐蝕性評(píng)價(jià)因子的樣本數(shù)(n)、最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、平均值(Xav)、標(biāo)準(zhǔn)差(s)、變異系數(shù)(d)。據(jù)表4,評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)除了pH值一項(xiàng),其他各項(xiàng)都較高。尤其是S、Mg2+總礦化度、侵蝕性CO2與Cl-的變異系數(shù)分別高達(dá)1.05、0.99、10.23、5.14與1.91,這說明區(qū)內(nèi)地下水的離子成分分布極不均勻,顯然是受到過嚴(yán)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(píng)價(jià)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(shù)Tab.5 Sub-samples of S

表5 S各含量分段樣本數(shù)Tab.5 Sub-samples of S

SO42-含量/(mg?L-1) 樣本數(shù) 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(fā)現(xiàn)邯鄲市區(qū)地下水的Mg2+離子含量水平較低,其對(duì)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(fù)合類腐蝕,所以有必要對(duì)Mg2+離子的平面分布特征加以分析。研究區(qū)的Mg2+離子主要分布在西污水廠與滏陽化工集團(tuán)一帶,極值在西污水廠附近。分布趨勢(shì)與S基本一致,說明研究區(qū)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(shù),如表6所示。由表可見,區(qū)內(nèi)地下水地下水侵蝕性CO2含量高于15mg/L(對(duì)于強(qiáng)透水地層)與高于30mg/L(對(duì)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(qū)的較主要腐蝕因子之一。盡管侵蝕性CO2為0的百分比達(dá)到了90.3%。研究區(qū)內(nèi)的侵蝕性CO2主要呈點(diǎn)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(dòng)及有機(jī)質(zhì)有關(guān),局部地段是因生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)所致。

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

4.4 Cl-分布特征

由于Cl-和Cl-+0.25S都是評(píng)價(jià)水土對(duì)鋼筋腐蝕性的因子,只不過是當(dāng)介質(zhì)中同時(shí)存在Cl-離子和S離子時(shí)要用Cl-+0.25S而不是用Cl-離子的濃度。因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)地下水同時(shí)存在這兩種離子成分,所以用于評(píng)價(jià)的是Cl-+ 0.25SO。SO離子的分布特征前面已經(jīng)敘述了,這里只分析Cl-離子在研究區(qū)的分布特征。

整理得地下水Cl-離子各含量段的樣本數(shù),如表7所示。由表可見,區(qū)內(nèi)地下水Cl-離子含量高于100 mg/L的樣本達(dá)到了70.2%,這說明Cl-離子是研究區(qū)內(nèi)鋼筋的主要腐蝕因子之一。研究區(qū)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(qū)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(tuán)、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(shù)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(qū)主要分布在邯鄲市區(qū)的化工企業(yè)附近。根據(jù)分析,可將影響地下水腐蝕性的因素歸納為以下幾個(gè)方面：

(1)污染源分布是腐蝕性分布的關(guān)鍵因素。

(2)地形地勢(shì)通過制約腐蝕物的運(yùn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活目的對(duì)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(jié)論

(1)邯鄲市區(qū)內(nèi)地下水對(duì)鋼筋混凝土基礎(chǔ)存在結(jié)晶類中、弱腐蝕。

(2)地下水主要腐蝕區(qū)分布在邯鄲市區(qū)重點(diǎn)化工企業(yè)附近。

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

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

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[9]GB50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10]程祖鋒.建筑基礎(chǔ)腐蝕性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)研究[D].長春：吉林大學(xué),2006.