场地水土环境对钢结构腐蚀性评价探析

2015-10-31易少凤

建材与装饰 2015年19期

关键词：腐蚀性电流密度极化

易少凤

（福建永福工程顾问有限公司　福建　福州　350026）

场地水土环境对钢结构腐蚀性评价探析

易少凤

（福建永福工程顾问有限公司福建福州350026）

本文通过对钢结构腐蚀机理的分析，根据钢结构所在有氧环境及水含量不同分三种环境，勘察期间可对三种环境的一种或几种分别进行勘察并评价其腐蚀性。通过这种勘察方式，可更科学合理地建议基础型式的选用，减少不必要的损失。

土壤；地下水；腐蚀性；评价

1　引言

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001，2009版）[1]水和土腐蚀性评价中取消了之前的地下水对钢结构腐蚀性评价，保留并更改了土对钢结构腐蚀性评价标准。修订说明解释道“钢结构在土中腐蚀问题非常复杂，涉及因素很多，腐蚀途径多样，任务需要时宜专门论证或研究”。但规范并未规定如何论证与研究。实际工作中经常碰到诸如钢桩、预制管桩中的钢接头[2]等钢结构设施出现在基础工程中。给从事岩土工程勘察工作的工程师造成困惑。本文从钢结构腐蚀的机理出发，讨论土壤（含地下水）对钢结构腐蚀性判断的方法。

2　腐蚀机理

钢铁的生成源于铁矿石与碳、氧的吸热反应[3]，简单描绘方程式如式（1）：

该反应的发生需要吸收大量的热量，生成的最终产物铁或钢是不稳定的，当其暴露在潮湿及有氧环境中，铁将趋向于回复原来的形态，发生一系列方程式，综合如式（2）：

该过程为电化学腐蚀过程，其本质是铁在腐蚀介质中通过电化学反应被氧化成正的化学介状态。其过程较复杂，但基本的电化学过程如式（3），经过该过程后生成Fe（OH）2，在经过一系列反应生成2Fe2O3·XH2O，脱水后形成氧化铁。

根据文献[4]分析，电化学腐蚀电池的形成至少需要以下条件：

①在钢结构表面不同区域之间存在电位差；②钢结构表面接触湿气、水、酸雨、含盐分雾、液等；④钢结构表面接触氧气。

另外，在弱酸性条件下，铁与H+将发生置换反应，称析氢腐蚀，其反应方程式为式（4）：

Fe2+再经过一系列的反应变成Fe3+，析出为氧化铁，如果在此环境下，其腐蚀速率较快。

3　规范规定

当前规范对腐蚀性判别部分，仅保留了土对钢结构判定标准，依据pH，氧化还原电位，视电阻率，极化电流密度与质量损失五个因素判断，取判断成果的最高者作为判断结果[1]。五个评价因子中，pH值的评价是判定析氢反应发生的可能，其他四项反应的是电化学腐蚀的条件及反应速度。

规范规定的试验方法如下：pH与质量损失为室内试验，采用电位法或锥形玻璃电极法；氧化还原电位，极化电流密度，视电阻率及质量损失均为原位试验方法，分别采用泊电极法，原位极化法，四极对称法，管灌法。目前比较容易进行的试验或测试是pH值与土壤电阻率测试，氧化还原电位，极化电流密度与质量损失三个试验较少进行。

国际上对土对钢结构腐蚀性的判断，很多国家采用的是综合指标，文献[6]列举了20世纪90年代以前德国和美国的判别方法，是通过对各影响因素诸如土壤类型、土壤电阻率、土的含水量，pH值，土的酸碱度、硫化物、中性盐、硫酸盐、地下水情况、土壤的水平与垂直方向的均匀性，氧化还原电位等指标综合打分，计算总分，根据总分按标准进行综合判断。该方法考虑较全面，但是不同土壤的理化因素作用大小可能差别很大，不同土质标准的制定需要大量的试验，其打分标准也未必都合理，在我国目前阶段尚不成熟。

4　试验方法

以上几个对场地土腐蚀性判别的试验方法，规范条文说明中提示参考林宗元主编的《岩土工程试验监测手册》[7]，其步骤分述如下：

4.1氧化还原电位

测试目的：土中不同价态之间的反应，如氧化态和还原态，同时在电极上建立的平衡电位称为氧化还原电位（Eh），是评价土对钢铁细菌腐蚀的间接指标；

测试要点：以饱和KCl甘汞电极为参比电极，如待测土中，以它为圆心，半径约20～50cm的圆周上，取3～5等分，分别插入3～5支铂电极为指示电极，平衡约1h后，按仪器说明书操作步骤和计算方法，依次测试土的氧化还原电位。取其平均值。

4.2视电阻率

测试目的：土的液体中含有电解质，固体中含有带电荷的胶体，在外加电场作用下，可以导电，土的电阻率与土的含水率，有机质，土的类别影响较大，是土对钢铁腐蚀的综合性指标；

测试要点：用四支金属电极对称等距垂直插入土中，两极之间距等于欲测土层上层面的深度a，电极插入土中深度为0.05a，采用仪器测出电阻值R，计算电阻率ρ=2πaR，测试仪器一般采用ZC-8型摇表。

4.3极化电流密度

测试目的：电流通过土层时引起电极电流下降、腐蚀减缓或终止的现象称为极化作用，它是与土的物理的、化学的特性有关，是土对钢铁腐蚀的综合性指标；

测试要点：将两支金属面积相同的电极插入土中，按仪器操作步骤，给仪器逐步加大电流，即得出系列电位差，以电位差为纵坐标，以电极面积除以电流，即极化电流密度为横坐标，绘制曲线，从曲线上查出电位差为500mV时的极化电流密度即该土的极化电流密度。

4.4质量损失

测试目的：电流通过罐管及其间土所产生的质量损失，是衡量土中盐分对钢结构腐蚀的综合性指标之一。

测试要点：用埋地钢结构相同材料，支撑一定规格面积、质量的钢管，置于铁皮罐中，与铁皮罐绝缘，在罐管间填充待测土，并加蒸馏水使饱和，以管为正极，罐为负极，通直流电6V、24h，取出称管质量，计算其失重，即质量损失。手册与规范中并未规定罐管的尺寸大小质量等。

其他常规试验如水、土的pH值，化学成分试验，其要点参考现行土工试验方法标准。

5　腐蚀性判别

综合分析，笔者认为当建筑场地存在地下钢结构时，因为不同环境影响腐蚀的因素略有不同，因此勘察时有必要分成不同环境情况进行判别：①第一类环境，钢结构位于年最低地下水位以下，即长期浸水环境；②第二类环境，钢结构全断面位于年最低地下水位以上，即干湿交替或干环境；④钢结构处在部分长期浸水，部分干湿交替的环境。

5.1钢结构全断面长期浸水

常温饱和空气下，淡水[8]中氧气的溶解度约9.2mg/L，浅部海水中氧气的溶解度约5.58mg/L，碳钢在浅部海水的腐蚀电流密度仅17.18μA/cm2[9]，由于溶解氧的含量极低，因此钢结构全断面浸入水中后，电化学反应速度相对来说降低较多，其影响因素主要是酸碱度及离子含量，因此，水对钢结构腐蚀性判别按2001版岩土工程勘察规范标准即可。但水样的采取必须采取钢结构所在位置的水样。

文献[2]5.3.4条规定的当地下水对钢结构具有腐蚀性时管桩接头的要求，特别是具有中-强腐蚀性时不宜采用带有钢接头的焊缝。很多在海边工程因为这一条的规定限制了管桩的应用。如果碰到此类情况，勘察期间地下水腐蚀性评价就较复杂。①管桩接头一般在十几米以下，海边基本上在地下水位以下，在这个深度以上大部分都存在隔水层如淤泥质土或粘性土。实际勘测期间必须将上部的地下水阻隔，采取拟采用桩头的地方的地下水进行分析。如果仅仅取浅部的地下水或者混合地下水，则很可能因为受海水影响其对钢结构腐蚀性为中等以上。②在这个深度，若上部存在隔水层，阻隔了下部地下水的氧溶解路径，理论上其氧含量极小，其发生电化学反应的条件不具备，只要pH值符合要求，不存在析氢腐蚀，则可以不考虑地下水对钢结构的中等以上腐蚀性。而目前的勘测手段虽然可以测定分层水位，但是无法通过测定水中的氧溶解量来判断腐蚀性。因此，即使地下水中氯及硫酸根含量大于500mg/L，因为氧的缺乏，其腐蚀性也一样有限。笔者认为，规范规定的“地下水或场地土对钢材有中等腐蚀性或强腐蚀性时，不应使用有接头的多节预应力混凝土管桩”的规定值得商榷，《工业防腐设计规范》（GB50046-2008）[10]中对此的规定也仅仅是接头宜位于非污染土层中，当位于污染土中的桩接头，接桩钢零件涂刷防腐材料，并未完全排斥钢接头。

5.2钢结构全部位于年最高地下水位以上

当钢结构全部位于年最高地下水位以上时，此时的环境为土壤及土壤中的毛细水，由于土的三相性，此时的氧分是充足的，电化学反应的条件制约于水分的含量。德国和美国都是通过测定土的含水量来给腐蚀性等级加或减分的。一般来说，在湿润地区，土中含水量一般较高，其电化学反应一般较顺利，腐蚀性会较强。此时通过采用规范规定的pH值、土壤电阻率、氧化还原电位、极化电流密度及质量损失来判定，取单个结论中腐蚀性判别最强的结论为总的腐蚀性结论。

5.3钢结构部分或全部处在干湿交替环境

当钢结构所处的地下环境为干湿交替时，或者部分位于地下水中，部分位于地下水位以上的土中时，此时电化学反应的条件最齐全，腐蚀发生的可能性最大。因此，必须综合地下水对钢结构的腐蚀性、场地土对钢结构腐蚀性同时判断，取其中最强的结论作为总结论。

需要说明的是，此种环境下，土壤电性参数的测量，如土壤电阻率，必须测量地下水位以上的土壤的电阻率值。否则因地下水的影响，电阻率将大大降低[11]，影响评价结果。