银川市城区浅层地下水对建筑材料的腐蚀性评价

田硕丰，赵银鑫，吴文忠，张晓东，吉卫波

（宁夏回族自治区地质调查院，宁夏银川 750021）

随着城市建设的高速发展，地下水对地下工程的影响也日渐突出。银川市作为中国西北地区重要的中心城市，2020 年常住人口229.31 万人，城镇化率79.05%，人们对地下建筑物的依赖度逐渐增强，地下水对地下工程的影响也越来越受到重视。在岩土勘察中，工程人员必须查明地下水的分布特征，并有针对性地测试地下水相关的化学成分，全面了解其对建筑材料的腐蚀性，以便提出安全合理的应对措施[1-2]。目前，国外的研究主要集中在混凝土外部保护等防腐措施及混凝土耐久性评估方面。H.E.Hashem 等[3]以苯并吡喃类化合物作为缓蚀剂，在侵蚀性酸溶液中对钢腐蚀进行了试验和理论评估。D.Hasson 等[4]研究了CaCO3膜控制淡化水腐蚀的动力学途径。A.Goyal 等[5]对钢筋混凝土结构钢阴极保护专用导电涂料的性能进行了评估。M.Harilal 等[6]对加入纳米颗粒和缓蚀剂的粉煤灰混凝土进行了氯离子诱导腐蚀试验，得出该混凝土是一种很有应用前景的三元掺合料混凝土，该混凝土能够在侵蚀性氯离子环境中实现结构长期无腐蚀的效果。H.Yang 等[7]提出层状双氢氧化物（LDHs）具有很强的离子交换性能，能广泛应用于钢筋混凝土防腐领域。国内的研究在建筑结构的腐蚀机理、测试与评价方面较多，在腐蚀的防治方面相对国外略少一些。陈纲[8]对不同浓度腐蚀介质下混凝土质量、强度的变化规律进行了试验研究。王铠[9]调查研究了我国低碱度软水分布地区，提出了其水质特性和腐蚀特性。李清明等[10]针对SO42-和Cl-腐蚀性评价差异较大的情况，给出了干湿交替作用及其强度的定义，提出了一种统一水土腐蚀性评价指标及其分级的建议方案。国家针对建筑材料的腐蚀性评价也制定了相应的标准和规范，如《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009 年版）[11]、《工业建筑防腐蚀设计标准》（GB/T 50046—2018）[12]等。

目前国内外对地下水腐蚀性的相关调查评价，多集中于具体工程，缺少区域性的综合评价成果[13]。银川市也未进行过区域性的地下水腐蚀性综合评价[14-15]，而且所建多数工程的地下水腐蚀性评价为微—弱腐蚀性。本次工作依托银川城市地质调查项目，按照规范要求，对银川市进行区域综合性浅层地下水（1～10 m）的腐蚀性评价，总结了其分布规律及特征，为今后银川城区规划和工程建设提供参考依据。

1 水文地质概况

研究区属于典型的中温带大陆性气候，具有降雨稀少、蒸发强烈、气候干燥和日照充足的特点。研究区浅层地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性以细砂、中砂、粉细砂为主，西部局部地区含粗砂及砂砾石，包气带岩性以砂黏土、黏砂土为主。浅层地下水补给来源主要包括灌溉水回渗补给、渠系渗漏补给、侧向径流补给、洪水散失补给以及大气降水入渗补给。地下水径流总体受自然因素（包括地形、地层岩性、地表水系）和人为因素综合影响，研究区浅层地下水总体由西向东径流，径流条件较差。地下水排泄方式主要包括蒸发排泄、排水沟排泄、人工开采、侧向径流排泄和局部地区向黄河排泄。浅层地下水水位埋深大多大于3 m，局部地区水位埋深小于3 m。地下水矿化度多在1～3 g/L，水质较差。

2 样品采集测试

在充分收集利用研究区水质资料的基础上，项目组在研究区城区绕城范围内，分散均匀采集水样62 件，其中YS 编号30 件为水井水样，采样深度为1～3 m，Yg 编号为工程地质钻孔水样，采样深度为3～10 m。采用塑料瓶密封装水样并及时送至实验室检测。

3 评价方法及环境类型判定

根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009 年版），浅层地下水对混凝土、钢结构腐蚀性评价标准分为：受环境类型影响的腐蚀性评价，受地层渗透性影响的腐蚀性评价。其中，受环境类型影响，水对混凝土结构的腐蚀性测试项目包括：Mg2+、SO42-、NH4+、OH-、总矿化度；受地层渗透性影响，水对混凝土结构的腐蚀性测试项目包括：HCO3-、pH 值、侵蚀性CO2；水对钢筋的腐蚀性试验项目包括：Cl-。一般试验项目对应的试验方法见表1。

表1 腐蚀性试验方法

根据《宁夏统计年鉴2020》：银川市2020 年平均降雨量为145.5 mm，年平均蒸发量为1 579 mm。银川市海拔在1 010～1 150 m，干燥指数K 值大于1.5，属于干旱区。银川市含水层岩性以细砂、中砂、粉细砂层为主，属强透水层，故根据场地环境地质条件，综合判定其场地环境类别为Ⅰ类。

4 腐蚀性评价结果

本次分析使用Excel 软件对腐蚀性评价测试项目结果进行了统计计算，见表2～表4。

表2 按环境类型水对混凝土结构的腐蚀性评价

表3 按地层渗透性水对混凝土结构的腐蚀性评价

表4 水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价

在腐蚀性等级中：腐蚀等级只出现弱腐蚀，无中等腐蚀或强腐蚀时，综合评价为弱腐蚀；无强腐蚀，最高为中等腐蚀时，综合评价为中等腐蚀；有1 个或1 个以上为强腐蚀，综合评价为强腐蚀。由表2、表3中的数据可知，表3 中的腐蚀性评价均低于表2，故本文以表2、表4 中的腐蚀性评价数据作为综合评价依据。

5 腐蚀性分布特征

由表2 可知：银川市城区浅层地下水中Mg2+，NH4+，OH-和总矿化度的质量浓度均小于微腐蚀等级对应的规范值，腐蚀等级呈微腐蚀，故ρ（SO42-）可作为评价银川市城区浅层地下水对混凝土结构腐蚀性综合评价的依据；有干湿交替作用的腐蚀性评价结果均大于无干湿交替作用的腐蚀性评价结果，故综合评价以干湿交替作用结果为主。浅层地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价，主要依据水中的ρ（Cl-）来判断，因长期浸水作用均为微腐蚀性，故综合评价以干湿交替作用为主。本次分析以ρ（SO42-），ρ（Cl-）为依据，利用ArcGIS 软件中的克里金插值法绘制浅层地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋的综合腐蚀性评价分区图（图1～图2）。

图1 水对混凝土结构的腐蚀性综合评价分区图

图2 水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性综合评价分区图

由图1 可知，浅层地下水对混凝土结构的中、强腐蚀主要分布在银川市中东部。强腐蚀分布于平伏桥村的铁路以西、魏家桥村以东，面积1.51 km2，占比0.38%；中等腐蚀分布于芦花村—平伏桥村—双渠口村—砖渠村—银丰村—新丰村—联丰村一带，魏家桥村和上前城村中部，以及德胜村东侧，呈条带状南北向展布，面积145.62 km2，占比36.56%；弱腐蚀分布于银川市东西侧，面积为185.44 km2，占比46.57%；微腐蚀呈不规则状零星展布，主要分布于银川市西侧绕城高速绿地旁、砖渠村东侧—大新村西北侧等，面积65.68 km2，占比16.49%。

由图2 可知，浅层地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀主要分布在银川市中东部，中、微、弱腐蚀性位置与浅层地下水对混凝土结构中、微、弱腐蚀的位置近似。其中：中等腐蚀主要分布于芦花村—平伏桥村—双渠口村，呈南北向条带状展布，在联丰村—新丰村、银丰村、德胜村呈零星状分布于银川市北东侧，分布面积占比23.65%；弱腐蚀分布最为广泛，分布面积占比55.38%；微腐蚀呈不规则状零星展布，分布于银川市西北和西南角、砖渠村以东—大新村以西、上前城村。

6 结论

（1）在干湿交替作用下，银川市城区浅层地下水对混凝土结构的腐蚀性评价可划分为：微、弱、中、强4 个级别。其中：强腐蚀分布于平伏桥村的铁路以西、魏家桥村以东；中等腐蚀分布于芦花村—平伏桥村—双渠口村—砖渠村—银丰村—新丰村—联丰村、魏家桥村和上前城村中部、德胜村东侧，呈条带状南北向展布，向东西两侧逐渐减弱。中、强腐蚀的面积占绕城内总面积的1/3 以上。

（2）在长期浸水条件下，研究区浅层地下水普遍对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；在干湿交替作用下地下水对钢筋混凝土中的钢筋普遍具有微—中腐蚀性，同样主要分布于银川市城区芦花村—平伏桥村—双渠口村一带，沿东西两侧逐渐减弱。