过硫酸盐氧化修复后土壤对建筑物的腐蚀性分析

2021-08-17袁平凡

山东国土资源 2021年8期

袁平凡

(1.上海市岩土工程检测中心，上海 200072;2.自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心，上海 200072)

0 引言

过硫酸盐氧化法具有氧化反应温和、氧化效果好、修复周期短、氧化剂性质稳定等优点，被广泛应用于有机物污染土壤的修复[1-6]。一般情况下，土壤污染地块修复后需要转入开发建设阶段。对于类似地块，人们往往关心人体的健康风险是否在可接受范围内，而很少关注修复后的土壤对建筑物稳定性影响是否发生了明显的改变。采用过硫酸盐修复时，需要在土壤中添加较大量的过硫酸钠、氧化钙、硫酸亚铁等化学药剂，这些药剂的加入，可能会增大土壤对混凝土、钢筋混凝土、以及钢结构的腐蚀性。邱宗新[7]、程祖锋[8]等探讨了水介质对建筑材料的腐蚀性，顾宝和[9]、徐筠波[10]等评价了水、土等2种介质对建筑材料的腐蚀性，但很少有人谈到污染土壤的腐蚀性问题。许丽萍[11]等虽然谈到了污染土壤的综合评价，但也没有分析修复后污染土壤的腐蚀性问题。董聪慧[12]等从理论上分析了过硫酸盐氧化法修复污染土壤后对建筑物的腐蚀性的变化，但没有通过实际案例作进一步的探讨。本文以上海某多环芳烃类污染地块为例，研究了该地块采用过硫酸盐高级氧化修复前后土壤中相关组分的含量变化，分析了修复前后土壤对建筑物腐蚀性的影响。

1 过硫酸盐氧化修复技术介绍

1.1 过硫酸盐的氧化修复机理

1.2 药剂比例

添加合适的氧化剂用量至关重要，氧化剂用量过低，降解效率就达不到要求，量过高则会增加应用成本，并可能造成环境残留。根据修复工程实践，修复药剂的投加比例大多为过硫酸钠氧化剂1.0%～5.0%，活化药剂0.1%～2.0%(如硫酸亚铁、氧化钙等)。

1.3 主要产物分析

2 土壤对建筑物的腐蚀性

2.1 混凝土的腐蚀性机理

按照混凝土的腐蚀机制，场地土壤对混凝土结构的腐蚀主要包括分解类腐蚀、结晶类腐蚀和结晶分解复合类腐蚀3类[14-15]。如土壤中的铵盐、镁盐与混凝土毛细孔中游离的Ca(OH)2反应后，生成易溶盐，被溶解或被水带走，属于分解类腐蚀；硫酸盐进入到混凝土后，与混凝土中游离的CaO作用形成石膏结晶(CaSO4·2H2O)，新生成所占的体积远远大于的体积，导致体积膨胀，使水泥石开裂破坏，属于结晶类腐蚀；硫酸镁对混凝土即有分解类腐蚀，又有结晶类腐蚀，属于结晶分解复合类腐蚀。

2.2 钢筋混凝土中钢筋、钢结构的腐蚀性机理

金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，氯离子是金属材料的主要腐蚀剂。氯离子到达混凝土钢筋或钢结构表面，吸附于局部钝化膜上，产生表面点位锈蚀，开成钝化电池，氯离子将促进腐蚀电池，却不会被消耗，降低阴阳极之间的欧姆电阻，加速电化学腐蚀过程，因此，氯盐是威胁建筑物耐久性最危险的化学物质。

2.3 腐蚀性的危害

在工程建设中，钢筋混凝土结构是世界上最庞大的建筑材料，它的耐久性、可靠性和安全性关系到建筑物及人类的生命财产安全。建筑物的腐蚀性评价一直都是岩土工程勘察的重要内容之一[14]。其耐久性的影响因素很多，环境中地下水及土的腐蚀因素被认为是主要乃至第一位的影响因素。

3 土壤对建筑物腐蚀性评价标准

3.1 评价标准

在工程地质勘察中，环境水土对建筑物的腐蚀性评价是岩土工程勘察报告的主要内容之一。结合场地的自然地理和水文地质条件，依据国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001(2009版))[16]及上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》(DG/TJ 08-37—2012)[17]，对工程场地的土壤进行采样和分析，并作出合理的评价。

3.2 评价方法

3.2.1 土壤对混凝土的腐蚀性评价

受环境类型影响，土壤对混凝结构的腐蚀性评价应符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.1中的要求，对土壤的腐蚀评价，应将表中数值乘以1.5的系数，单位以mg/kg表示。土壤pH对混凝结构的腐蚀性评价应符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.2中的pH的要求。腐蚀等级中，只出现弱腐蚀时，应综合评价为弱腐蚀；无强腐蚀，最高为中等腐蚀时，应综合评价为中腐蚀；有一个或一个以上为强腐蚀，应综合评价为强腐蚀。

3.2.2 土壤对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性评价

土壤对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性评价应符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.4中的要求。

3.2.3 土壤对钢结构的腐蚀性评价

土壤对钢结构的腐蚀性评价应符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.5中的要求。

4 工程实例

4.1 工程概况

以上海某多环芳烃土壤污染修复工程为例，该工程所在区域属于滨海平原区(Ⅱ区)[18]。地块环境初步调查期间，采用系统布点法兼顾专业判断法在地块内布设了21个土壤监测点，地下水监测点11个，地块界外设置1个土壤/地下水对照点。浅部地层以细颗粒组成的黏性土、粉性土为主，具水平层理，粘性土中一般夹有薄层粉砂。地下水类型主要为浅层的潜水和下部砂性土地层中的承压含水层。地块浅层地下水水位高程在3.34～3.66m范围内，地下水位埋深一般在0.78～1.24m。地下水流向呈现由东南向西北流动的趋势。根据初步调查时测得的水位高程数据来模拟地块所在区域地下水的流向(图1)。

1—地下水与土壤监测点；2—土壤监测点；3—场地边界；4—地下水水位等值线(m)；5—地下水流向图1 项目地块地下水流向示意图

该工程场地历史上有集装箱有限公司和包装材料厂，场地调查结果为苯并(a)芘含量1.21mg/kg，超过相关标准[19]中第一类用地筛选值，采用异位高级氧化修复技术进行修复，采用的修复技术方案为：先用挖掘机按照药土比(以干土计，下同)为0.5%左右的生石灰添加到待处理的土壤中并初混一次，便于筛分和土壤破碎。然后再按照药土比添加1%氧化药剂过硫酸钠和0.5×10-6添加激活剂七水硫酸亚铁，用筛分破碎斗进一步将其混匀，同时在混均的过程中不断向其中喷漆自来水，使土壤含水率保持在25%～30%左右。经养护反应、自检、土壤修复效果评估合格后，将修复后土壤回填至原基坑。

4.2 检测指标及方法

4.3 检测结果

对修复前后土壤样品各测定6次，结果表明，修复后土壤中钙盐、硫酸盐、总矿化度等有较大的增加量，但远小于理论增加值(表1)。将修复后土壤中钙盐和硫酸盐的含量换算成测定土壤易溶盐用提取液中钙盐和硫酸盐的浓度，分别为0.0016mol/L和0.0043mol/L，两者乘积为6.9×10-6，与硫酸钙的溶度积常数[21]Ksp=9.1×10-6十分接近，从钙盐、硫酸盐的理论添加量来说，这两种离子的加入摩尔量是很接近的，修复后，形成了硫酸钙沉淀，因此测得的修复后土壤中易溶性钙盐、易溶性硫酸盐的含量远小于理论加入量。

表1 检测结果

4.4 土壤对建筑材料的腐蚀性评价

4.4.1 土壤对混凝土的腐蚀性评价

对照标准，修复前土壤中各类指标对混凝土结构的腐蚀性等级均为“微”，修复后硫酸盐的腐蚀性为“中”(标准中的Ⅰ类环境时)或“弱”(标准中的Ⅱ，Ⅲ类环境时)，综合评价为“中等腐蚀性”或“弱腐蚀性”，说明修复活动对土壤的腐蚀性有一定影响(表2)。

表2 土壤对混凝土结构的腐蚀性评价表

4.4.2 对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性

该工程场地修复土壤以黏性土为主，可塑，局部含较湿粉土。在修复过程中，没有添加氯化物之类的含氯的药剂，修复前后土壤中氯离子含量没有显著变化。因此，对于因氯离子引起的土壤对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性，修复前后没有变化，均为“微”腐蚀性。

4.4.3 土壤对钢结构的腐蚀性

由于修复过程中加入了中强碱氧化钙，而过硫酸钠在化学反应过程中会消耗碱，碱的加入量不足时会产生酸。另一方面，由于氧化剂过硫酸钠的加入，会使土壤的氧化还原环境产生变化，实测结果也反映了这种情况，而土壤pH和氧化还原电位是对钢结构建筑有腐蚀影响的指标。根据检测结果，修复前后土壤pH对钢结构腐蚀性均为“微”；修复前土壤氧化还原电位对钢结构腐蚀性评价为“微”，修复后评价为“中”，结果见表3所示。