南通某沿海地区盐渍土分布特征及其腐蚀特性研究＊

2014-11-16周忠勤叶景艳董军林

海洋开发与管理 2014年4期

周忠勤，叶景艳，董军林，葛云

（1．江苏省海安县国土资源局南通 226600；2．有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院南京 210007）

南通沿海海域处于江苏岸外的南黄海辐射沙脊群，地质上为扬子准地台的苏北－南黄海凹陷带，是在扬子凹陷带一整套古生代地层基底上。由于长江、黄河两大河流在入海处长年堆积和侵蚀，形成了大片的淤泥质海岸。这里地势平坦，潜水位高，受海水影响而地下水矿化度高，年蒸发量大于降水量2～3倍，土壤易于积盐，而形成了大面积的盐碱荒地，即为盐渍土［1］。盐渍土在水分和温度的作用下，土中的盐类会发生相态和数量的变化，使土壤具有不稳定的结构特性［2］，同时土壤中盐溶液对钢筋混凝土基础和其他地下设施中的钢筋或钢材产生腐蚀。国内外由于长期忽视盐渍土对钢筋混凝土结构耐久性的影响，研究相对滞后，付出了巨大的代价。美国标准局（NBS）1975 年的调查表明，美国全年各种因腐蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%［3］。日本海沿岸大约有21．4%的钢筋混凝土结构损失是由于钢筋锈蚀引起。英国为解决海洋环境下混凝土建筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费近20万英镑［4］。

南通拥有海岸线210km，全市海岸带面积1．3万km2，沿海滩涂面积21 万hm2，每年新增滩涂面积近700hm2，是我国沿海地区土地资源最丰富的地区之一。南通凭借非常有利的区位条件，在整个江苏沿海开发上占据着 “排头兵”的位置。出于上述原因，笔者选取了南通洋口地区，通过两个钻孔的取样，对洋口30 m以浅的土壤中盐渍土进行了检测和比对，对该区域的盐渍土空间分布、类型和对建筑混凝土、钢筋的腐蚀性影响进行了研究，对后期工程建设维护中可能产生的影响进行综合评价。

1 样品采集及分析

1．1 样品采集

本研究所采集钻孔土样的密度按照《岩土工程勘察规范（GB 50021－2001）》要求进行，以0～5 m 每半米取样、5～10 m 每米取样、10m 之后每2m 取样，考虑到对工程建设主要的影响范围，采集了30m 以内的柱状样品。

1．2 样品测试

样品采集好后，在最短时间内分批次送往测试，以保证样品的新鲜度。土壤样品经过烘干、研磨和过筛等前处理之后，分别称取100g以1∶5的土水比例进行溶解、浸提、抽虑过后上机进行测试；预处理完毕后，测试土壤浸提液pH 值、土壤八大离子含量（钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、氯离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子、碳酸根离子）。

2 评价依据及方法

2．1 盐渍土分类标准

前人研究发现，不同成分类型的盐渍土，其工程特性及对工程危害差别较大。如：①以碳酸盐类为主要成分的盐渍土，会与水泥材料中的碱起化学反应，降低混凝土中的碱度，导致钢筋锈蚀破坏；②以氯盐为主要成分的盐渍土，溶解度较大，具有明显的吸湿性，受水浸时会形成洞穴甚至坍塌，极易引起混凝土建筑中钢筋蚀锈，被誉为是导致沿海工程混凝土结构破坏的主要原因；③硫酸盐类为主要成分的盐渍土，会与混凝土成分发生化学作用，形成含水结晶体，体积增大，引起胀裂破坏，影响建筑的耐久性。其中，氯盐引起的沿海工程建设破坏最为常见，被誉为是导致沿海工程混凝土结构破坏的主要原因［5］。

此次分类参照《公路路基设计规范（JTGD30－2004）》规范进行，按盐的性质分类和按含盐量（盐度）分别进行（表1和表2）。

表1 盐渍土按含盐性质分类

表2 盐渍土按含盐量分类

2．2 对混凝土构件腐蚀性评价标准

根据《岩土工程勘察规范（GB50021－2001）》中水土腐蚀性评价要求，研究区土壤对混凝土机结构的腐蚀性评价标准见表3，研究区环境类型为Ⅱ类，弱透水层。

表3 土壤对混凝土结构的腐蚀性评价标准

2．3 对建筑钢筋的腐蚀性评价标准

根据《岩土工程勘察规范（GB50021－2001）》中水土腐蚀性评价要求，土对建筑钢筋的腐蚀性评价标准见表4。研究区水体属于长期浸水，土壤类型属于A 类型砂土、稍湿的粉土。

表4 土对建筑钢筋的腐蚀性评价标准

3 地区盐渍土类型、盐度空间分布

3．1 研究区盐渍土类型

测试结果表明，南通洋口区域量钻孔的30m 范围内的盐渍土类型都为典型的氯盐渍土，CCl－／CSO42－平均值在17～35之间。洋口区域两个钻孔CCl－／C－SO42数值范围平均值分别是22．3和33．5。

3．2 研究区盐度空间分布

将所测钻孔柱状土样中易溶盐百分比含量相加即得到土壤盐度指标。各钻孔盐度含量随深度变化（图1）。

洋口01孔盐度范围为0．18%～1．54%，平均值为0．7%，超过1%达到中盐渍土级别的样品较少，只在1 m、10 m、15 m 出现，在浅表层区域，岩心盐度值随深度增加稍有增加。洋口02孔盐度范围为0．36%～2．18%，平均值为1．1%，岩心2～3m、6～17m 出现峰值，达中盐渍土范围，20m 以深深度盐度呈下降趋势。

根据《公路路基设计规范》的分类标准，研究区30m 以内土壤属于典型的弱盐渍土－中盐渍土，以弱盐渍土为主。洋口区域两钻孔在表层、10～20m 之间均出现峰值，达中盐渍土范围值，这两个层位推测可能受到海水入侵引起的地表和浅层地下水盐度升高。

图1 钻孔各指标含量随深度变化剖面图

4 土壤对工程建设腐蚀性评价

4．1 盐渍土对混凝土腐蚀性评价

混凝土在盐渍土中会遭到化学侵蚀和破坏，土壤对混凝土腐蚀性评价测试指标主要包括硫酸盐含量（SO2－4）、镁盐含量（Mg2＋）、pH 值。

4．1．1 镁盐含量（Mg2＋）腐蚀性评价

钻孔镁盐含量随深度变化（图1）。洋口区域两个钻孔镁盐含量均小于300mg／kg，远低于腐蚀标准中1500mg／kg的弱腐蚀界限。近地表含量较低，高值主要集中在钻孔中部10m 深度的位置，此后含量随深度变小，这与盐度变化曲线类似。腐蚀等级为微腐蚀。

4．1．2 硫酸盐含量（SO2－4）腐蚀性评价

钻孔硫酸盐含量随深度变化（图1）。洋口区域钻孔硫酸盐含量在0～1 000mg／kg之间变化。洋口区域01孔硫酸盐含量波动值比较大，大于450 mg／kg呈现弱腐蚀层位出现在表层（1m）、中部（15～18 m）、底部（27～30m）位置，其他深度腐蚀等级为微腐蚀。02 孔SO42－含量相对来说较平稳，20 m 之前为弱腐蚀，在20m 后含量降低，为微腐蚀。

4．1．3 pH 值腐蚀性评价

钻孔pH 值随深度变化。如图1 所示钻孔30m 以浅区域柱状土样中pH 值均大于6．5，指示腐蚀等级为微腐蚀（表5）。

表5 钻孔pH 值变化

综上所述，洋口地区土壤样品各指标均指示该地区对混凝土的腐蚀等级为弱～微腐蚀，腐蚀等级均较弱。

4．2 盐渍土对钢筋的腐蚀性评价

盐渍土中对建筑钢筋具有重要腐蚀作用的就是氯盐。水泥水化后在钢筋表面会产生一层致密的钝化膜，对钢筋有很强的保护能力，但只有在高碱环境中才是稳定的。氯盐进入混凝土中并达到钢筋表面，会使该处的pH 值迅速降低，从而破坏钝化膜。Cl－对钢筋表面的钝化破坏开始只发生在局部，当这个局部与周围未被破坏的钝化膜产生电极作用形成 “腐蚀电池”时，就会对钢筋表面产生坑蚀的结果，这种结果会迅速发展下去；氯盐还会对钢筋产生去极化作用，最后使钢筋表面发生锈化作用。同时，混凝土中氯盐的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程［6－7］。

此次研究所测得各钻孔氯盐的含量变化如图1所示：洋口区域两个钻孔氯盐含量波动比较大，但可看出在10m 左右范围内，两钻孔氯盐含量均在此出现峰值，达到氯盐强腐蚀等级，其余氯盐含量范围值在750～7 500mg／kg之间，确定该地区受到氯盐的中等腐蚀。

4．3 腐蚀性评价小结

洋口地区30 m 内土壤为典型的氯盐渍土，氯盐是研究区最主要的腐蚀因子，氯盐的含量大部分均在750～7 500mg／kg变化，个别样点甚至超过7 500mg／kg，可以确定该地区主要受到氯盐的中等－强腐蚀。而镁盐、硫酸盐和pH 值所指示的对混凝土构件的腐蚀性综合显示为微～弱腐蚀。综合对比洋口地区盐度、镁盐含量、硫酸盐含量和氯盐含量曲线，发现在表层、8～15m 深范围之间均出现明显峰值，综合腐蚀性较强，推测可能受到海水入侵引起的地表和浅层地下水盐度升高，这两个层位在今后的规划和建设中应当引起重视，尤其是氯盐所引起的钢筋腐蚀。