温州地区浅层软水腐蚀性评价研究

2021-04-13齐雷

地质灾害与环境保护 2021年1期

齐雷

(温州市交通规划设计研究院，温州 325000)

软水在我国长江以南湿热多雨、地面水系发育、河流纵横交错、水网密布、径流短、排泄快的红土地区广泛存在[1]。温州位于浙江东南部，属亚热带季风气候区，地势从西南向东北呈梯形倾斜，地貌单元多样，地下浅层软水分布较广泛。

我国岩土规范将低矿化度软水定义为矿化度低于0.1 g/l的天然水，并且给出了腐蚀性评价方法(以下简称“规范法”)[2]。然而，仅按照规范法简单查表判定得到的结果，经常与本地区工程结构的腐蚀情况和防腐蚀经验出入很大。

以往的文献重点关注地下水腐蚀机理、腐蚀试验、腐蚀性评价及少量腐蚀调查研究。例如王铠等研究了地下水腐蚀机理及对腐蚀类型进行分类，提出了综合评价方法[1]；陈纲对不同腐蚀介质浓度下混凝土质量、强度的变化规律进行了试验研究[3]；王铠调查研究了我国低碱度软水分布、腐蚀特征概况及腐蚀性评价[4]；胡明玉等对江西省混凝土水库大坝溶出性侵蚀进行了调查研究[5]；顾宝和等提出应理性评价水对建筑材料的腐蚀性[6]。从以上研究可以看出，对于浅层软水腐蚀性研究较少，其中区域性研究更是鲜有报道。因此，查明温州地区浅层软水化学特征，准确进行腐蚀性评价，开展区域性研究具有实际意义。

1 浅层软水化学特征

由于地下水具有垂直分层特征，浅层与深层地下水水化学特征大为不同[7]，且一般工程建设均在浅层地下水埋深范围内，故本文研究对象仅为浅层地下软水。收集温州地区浅层地下水219个水样化学分析成果，根据西部中低山区(海拔>500 m)、中部低山丘陵盆地区(海拔50～500 m)、东部平原滩涂区(海拔<50 m)、沿海岛屿区(海拔<200 m)4个地貌分区，分别统计软水水样占总水样数的百分比(表1)，发现区内浅层软水分布特征如下：①浅层软水在全区范围内分布较广泛，各地貌区均有分布，但占比情况有显著差异，占比范围16.7%～79.2%；②按地貌分区排序，浅层软水占比情况为：西部中低山区>中部低山丘陵盆地区>东部平原滩涂区>沿海岛屿区；③西部中低山区和中部低山丘陵盆地区的软水分布比例高，分布广泛，具有普遍性；④东部平原滩涂区软水分布比例偏低，分布分散，无规律，主要考虑受平原区内河海水潮汐作用和城镇工业污染影响；⑤沿海岛屿区软水分布比例低，仅零星分布，主要考虑受海洋性气候及海岛地表水系不发育的水文特征影响(图1)。

表1 浅层软水分布特征

图1 温州地区采样点分布示意图

2 腐蚀机理和腐蚀环境

软水腐蚀为分解类溶出型腐蚀。从已有研究看，对水泥石中钙离子的迁移动力、微观溶出机理还不十分清楚[8-10]。但是普遍认同的溶出型腐蚀的机理是：水泥石毛细孔中游离石灰质溶出，石灰碱度降低，当碱度小于水化产物的极限碱度，其中的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物将进一步溶解，形成腐蚀。腐蚀过程中，混凝土中水化产物溶解，使得混凝土结构松散，强度降低。此外，Ca(OH)2在低碱度软水环境下溶出到表面，与空气中CO2反应生成CaCO3，在混凝土表面产生析钙现象(图2)。

腐蚀性评价不仅要弄清腐蚀机理，还需判断腐蚀性强弱。腐蚀性强弱直接取决于介质浓度，但在自然界中，浓度是可变的，对于软水溶出型腐蚀尤是如此。软水化学活性强，极易在地面径流或岩、土层中渗流过程中矿化。因此，必须着重考虑腐蚀环境,腐蚀环境可分为外环境和内环境。外环境包括水质变化、气候湿度、湿度变化、土层透水性强弱、水头压力等，内环境包括混凝土组成、配合比和施工质量、养护时间等[7]。在工程建设前期进行腐蚀性评价时均假设混凝土水泥品质与施工质量合格，故只须考虑外环境影响。

此外，根据乌牛西岙灰库上游涵洞基础混凝土腐蚀调查，发现水流冲刷下腐蚀作用更强，可以认为水动力条件强弱也会影响腐蚀强度或速率(图3)。

表2 浅层软水腐蚀介质含量特征

图2 混凝土表面腐蚀析钙

图3 乌牛西岙灰库上游涵洞腐蚀析钙

3 腐蚀性评价

3.1 规范法腐蚀性评价

收集219个水样测试成果，按规范法进行腐蚀性评价(表3)。

表3 按地层渗透性软水对混凝土结构的腐蚀性评价(摘录国家规范表12.2)

按地层渗透性，对于直接临水或强透水层评价结果显示，总体上本地区浅层软水水样大部分均具有弱腐蚀性-中腐蚀性，只有少部分具有微腐蚀性。不同的地貌分区具体腐蚀性评价结果如下：西部中低山区和东部平原滩涂区浅层软水具有微-中腐蚀性，其中弱腐蚀性-中腐蚀性仍占显著优势；中部低山丘陵盆地区和沿海岛屿区浅层软水均具有弱-中腐蚀性(图4～7)。

图4 西部中低山区(n=61)与矿化度散点图

图5 中部低山丘陵盆地区(n=32)与矿化度散点图

图6 东部平原滩涂区(n=26)与矿化度散点图

图7 沿海岛屿区(n=2)与矿化度散点图

3.2 腐蚀性验证调查

对以上采取到浅层软水的取样点附近工程构筑物进行腐蚀性验证调查，共计调查29处混凝土构筑物，其中西部中低山区15处，中部低山丘陵盆地区8处，东部平原滩涂区4处，沿海岛屿区2处。本次调查工程构筑物多为直接临水，主要采用现场观察方法，仅少量工程构筑物进行了浅表开挖观察。腐蚀性验证调查简况见表4。

调查结果分析显示：①西部中低山区工程构筑物约占5/15处存在不同程度溶出型腐蚀，腐蚀程度弱，其中以水坝腐蚀更为严重，可能跟水坝修建年份早有关；②中部低山丘陵盆地区工程构筑物约占3/8处存在不同程度溶出型腐蚀，腐蚀程度弱，其中以水坝腐蚀为主；③东部平原滩涂区约占1/4处存在溶出型腐蚀，析钙严重，有钟乳状白色析出物，另有两处腐蚀特征具结晶腐蚀特征，腐蚀程度弱；④沿海岛屿区约占1/2处存在溶出型腐蚀，稍有白色析出物，另有1处腐蚀特征具结晶腐蚀特征，腐蚀程度弱。

3.3 本地区腐蚀性评价

首先根据腐蚀性验证调查结果，获得区内各地貌分区工程构筑物弱腐蚀占比(不存在中腐蚀性)。自西向东，各分区内工程构筑物约占5/15=33.3%、3/8=37.5%、1/4=25%、1/2=50%处存在不同程度溶出型弱腐蚀。

各地貌分区具体修正结果如下：

表4 腐蚀性验证调查简况

图8 西部中低山区(n=61)腐蚀性含量修正界限值

图9 中部低山丘陵盆地区(n=32)腐蚀性含量修正界限值

按表5腐蚀性评价标准，对原收集219个水样测试成果进行重新综合评价。可知，本地区浅层软水水样大部分均具有微腐蚀性，只有少部分具有弱腐蚀性，不存在中腐蚀性。其中西部中低山区和中部低山丘陵盆地区浅层软水具弱腐蚀性占比34.4%～37.5%，广泛分布；东部平原滩涂区弱腐蚀性占比23.1%，主要分布在山前冲积平原，海积平原及滩涂区不存在浅层软水腐蚀；沿海岛屿区弱腐蚀性占比50%，主要分布在海岛内山岭地带。