唐山市曹妃甸区地下水的腐蚀性检测及危害

刘富海

（中铁十六局集团置业投资有限公司，北京 100018）

0 引言

钢筋混凝土结构的耐久性决定了结构物的“健康”和“寿命”，然而地下水中的氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀都将导致混凝土结构承载力下降、耐久性失效。国内外统计资料表明：因耐久性问题造成的直接、间接经济损失十分惊人，一些发达国家和地区都有过惨痛教训［1］。尤其是受地下水硫酸盐及潮湿环境影响的地下钢筋混凝土结构，更易出现腐蚀现象，从而降低混凝土的 pH 值、破坏碱性环境、引起钢筋锈蚀［2］，导致结构的耐久性降低、工程总体造价增加［3］。因此，根据工程实际情况，通过现场检测精确评价地下水的腐蚀性，有助于及时制定行之有效防腐蚀措施，保障地下钢筋混凝土结构的承载力和耐久性。

本文以唐山市曹妃甸区地下水为研究对象，通过制定针对性测试方案，在开展该地区地下水腐蚀性检测的同时就地下水腐蚀性危害进行探讨，研究成果可为唐山市曹妃甸区地下钢筋混凝土结构制定防腐蚀措施提供实测数据及理论支持。

1 工程概况

唐山市作为国际化沿海城市，东北亚地区经济合作窗口城市，规划以主城区为核心，统筹曹妃甸区、丰润区等多区域空间资源，其中重点推进曹妃甸区承接平台建设，打造发展战略支点。曹妃甸区位于河北省东北部、唐山市南端，地处环渤海、环京津交汇地带，南临渤海，北依唐山，西望津京，东靠京唐港，是京津冀协同发展的战略核心区。规划至 2020 年，该区按照港城联动、区域统筹滚动发展的原则，创建“一城两区、组团聚合”的总体空间结构，高层建筑、城市轨道交通等相关配套基础设施将相继展开。为保障上述拟建基础设施，尤其是拟建地下结构的耐久性，需对唐山市曹妃甸片区地下水的腐蚀性进行调查取样，以便在设计、施工及运营环节及时采取合理有效的防腐蚀措施，保证结构的承载力和耐久性。

2 地下水腐蚀性检测

2.1 检测方式

1）检测依据。GB 50021－2001《岩土工程勘察规范》（2009 版）［4］。

2）检测项目。针对混凝土结构的腐蚀性检测项目包括：硫酸盐含量 SO42-、镁盐含量 Mg2+、铵盐含量 NH4+、苛性碱含量 OH-、总矿化度、pH 值、侵蚀性 CO2以及 HCO3-；针对混凝土结构中钢筋的腐蚀性检测项目包括：长期浸水环境下的 Cl-含量和干湿交替环境下的 Cl-含量。

3）检测方法。各检测项目所采用的检测方法如表 1 所示。

2.2 测试结果

根据唐山市曹妃甸区水质分析检测数据，结合GB 50021－2001《岩土工程勘察规范》（2009 版）中对地下水腐蚀性评价标准，本文开展了曹妃甸区地下水对混凝土及钢筋的腐蚀性评价（见表 2），检测结果如下。

表1 各检测项目对应检测方法

1）唐山市曹妃甸区地下水中的硫酸盐含量 SO42-为2 950～2 961 mg/L，达到 GB 50021－2001《岩土工程勘察规范》（2009 版）中混凝土结构中等腐蚀性标准（1 500～3 000 mg/L）的上限值，属于中等腐蚀性且接近强腐蚀性。

2）对混凝土结构而言，地下水的镁盐含量 Mg2+（2 210.50～2 188.63 mg/L）、总矿化度（39 018.72～38 181.73 mg/L）均在规范规定的弱腐蚀标准范围内，属于对混凝土结构的弱腐蚀性；其余指标铵盐含量 NH4+、苛性碱含量 OH-、pH 值、侵蚀性 CO2以及 HCO3- 均为微腐蚀性。

3）对混凝土结构中的钢筋而言，本地区地下水中的 Cl-含量在长期浸水和干湿交替条件下均为21 447.85～21 801.75 mg/L，根据规范对 Cl-含量的标准，分别判定为弱腐蚀性和强腐蚀性。

表2 地下水腐蚀性评价表

综上所述：唐山市曹妃甸区地下水对混凝土结构及钢筋存在硫酸盐腐蚀和氯盐腐蚀危害，在工程设计、施工及运营过程应加以重视。

3 地下水腐蚀性危害

盐类对和混凝土结构的腐蚀作用主要表现为化学反应作用和物理结晶作用，如 Mg2+能和混凝土孔隙溶液中的 CA（OH）2反应，生成疏松而无胶凝性的 Mg（OH）2，降低混凝土的密实性和强度；SO42与混凝土中的水化铝酸钙反应生成硫铝酸钙，体积膨胀导致混凝土开裂［1］。本文针对唐山市曹妃甸区地下水的腐蚀性就硫酸盐腐蚀和氯盐腐蚀进一步开展腐蚀性危害探讨。

3.1 硫酸盐腐蚀危害

硫酸盐对混凝土结构的腐蚀是一个非常复杂的化学反应：SO42-由环境溶液通过表面接触渗透到混凝土中，与混凝土内部水化产物发生化学腐蚀反应，其破坏是两种化学反应的结果［5］。

一方面与混凝土中的水化铝酸钙起反应形成 CaSO4（即钙矾石）；另一方面与混凝土中的 Ca（OH）2结合形成硫酸钙（石膏）。上述两种反应都会造成混凝土结构体积膨胀，进而导致混凝土开裂、脱落。

此外，在干湿交替的情况下，地下水中的盐类将渗入混凝土内部，当超过饱和浓度时就会析出盐结晶而产生较大的压力进起引起混凝土结构承载力下降。

3.2 氯盐腐蚀危害

氯盐对钢筋的电化学锈蚀反应过程起到以下四种促进作用。

1）局部酸化作用。当地下水中的氯离子与其他阴离子同时被吸附时，由于氯离子往往会被优先吸附，于是钢筋钝化膜表面附近就出现氯离子浓度大于周围地下水中氯离子平均浓度的现象，即钢筋钝化膜被局部酸化，此时钢筋表面阳极电解液的 pH 值下降至 3.5 左右，而酸性环境将会加速钢筋锈蚀［6］；

2）形成腐蚀原电池。由于上述氯离子造成的局部酸化作用，这些部位的钢筋将发生锈蚀，进而露出铁基体。这部分已破坏的钝化膜与完好的钝化膜将构成“一端钝化、一端活化”的电位差，即形成腐蚀原电池。这种腐蚀原电池会大大加速钢筋的锈蚀［7］；

3）氯离子的催化剂作用。氯离子与腐蚀电池阳极的铁离子会生成 FeCl2，该物质会与地下水中的 OH-生成 Fe（OH）2沉淀，这种沉淀物会加速腐蚀电池作用。因此氯离子不仅会导致混凝土结构表面形成腐蚀原电池，还可加速电池作用；

4）降低混凝土自身电阻。离子通路是形成腐蚀原电池的必要条件，研究表明氯离子可降低混凝土自身存在的电阻，进而增强腐蚀原电池的离子通路，提高电池运转效率，加速钢筋锈蚀［8］。

4 结语

唐山市曹妃甸区地下水对混凝土结构存在硫酸盐中等腐蚀，对钢筋存在氯盐强腐蚀，会导致结构内部膨胀变形、混凝土开裂、钢筋锈蚀等问题。因此，在设计、施工等环节中应采取控制混凝土渗透性能、控制凝胶材料化学成分、混凝土涂料防护、高抗腐蚀钢筋等措施，以期达到提高工程建设品质和寿命，降低工程全寿命成本的效果。