場地水土環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價探析

易少鳳

（福建永福工程顧問有限公司　福建　福州　350026）

場地水土環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價探析

易少鳳

（福建永福工程顧問有限公司福建福州350026）

本文通過對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理的分析，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所在有氧環(huán)境及水含量不同分三種環(huán)境，勘察期間可對三種環(huán)境的一種或幾種分別進(jìn)行勘察并評價其腐蝕性。通過這種勘察方式，可更科學(xué)合理地建議基礎(chǔ)型式的選用，減少不必要的損失。

土壤；地下水；腐蝕性；評價

1　引言

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001，2009版）[1]水和土腐蝕性評價中取消了之前的地下水對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價，保留并更改了土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)。修訂說明解釋道“鋼結(jié)構(gòu)在土中腐蝕問題非常復(fù)雜，涉及因素很多，腐蝕途徑多樣，任務(wù)需要時宜專門論證或研究”。但規(guī)范并未規(guī)定如何論證與研究。實(shí)際工作中經(jīng)常碰到諸如鋼樁、預(yù)制管樁中的鋼接頭[2]等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施出現(xiàn)在基礎(chǔ)工程中。給從事巖土工程勘察工作的工程師造成困惑。本文從鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的機(jī)理出發(fā)，討論土壤（含地下水）對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性判斷的方法。

2　腐蝕機(jī)理

鋼鐵的生成源于鐵礦石與碳、氧的吸熱反應(yīng)[3]，簡單描繪方程式如式（1）：

該反應(yīng)的發(fā)生需要吸收大量的熱量，生成的最終產(chǎn)物鐵或鋼是不穩(wěn)定的，當(dāng)其暴露在潮濕及有氧環(huán)境中，鐵將趨向于回復(fù)原來的形態(tài)，發(fā)生一系列方程式，綜合如式（2）：

該過程為電化學(xué)腐蝕過程，其本質(zhì)是鐵在腐蝕介質(zhì)中通過電化學(xué)反應(yīng)被氧化成正的化學(xué)介狀態(tài)。其過程較復(fù)雜，但基本的電化學(xué)過程如式（3），經(jīng)過該過程后生成Fe（OH）2，在經(jīng)過一系列反應(yīng)生成2Fe2O3·XH2O，脫水后形成氧化鐵。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]分析，電化學(xué)腐蝕電池的形成至少需要以下條件：

①在鋼結(jié)構(gòu)表面不同區(qū)域之間存在電位差；②鋼結(jié)構(gòu)表面接觸濕氣、水、酸雨、含鹽分霧、液等；④鋼結(jié)構(gòu)表面接觸氧氣。

另外，在弱酸性條件下，鐵與H+將發(fā)生置換反應(yīng)，稱析氫腐蝕，其反應(yīng)方程式為式（4）：

Fe2+再經(jīng)過一系列的反應(yīng)變成Fe3+，析出為氧化鐵，如果在此環(huán)境下，其腐蝕速率較快。

3　規(guī)范規(guī)定

當(dāng)前規(guī)范對腐蝕性判別部分，僅保留了土對鋼結(jié)構(gòu)判定標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)pH，氧化還原電位，視電阻率，極化電流密度與質(zhì)量損失五個因素判斷，取判斷成果的最高者作為判斷結(jié)果[1]。五個評價因子中，pH值的評價是判定析氫反應(yīng)發(fā)生的可能，其他四項(xiàng)反應(yīng)的是電化學(xué)腐蝕的條件及反應(yīng)速度。

規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)方法如下：pH與質(zhì)量損失為室內(nèi)試驗(yàn)，采用電位法或錐形玻璃電極法；氧化還原電位，極化電流密度，視電阻率及質(zhì)量損失均為原位試驗(yàn)方法，分別采用泊電極法，原位極化法，四極對稱法，管灌法。目前比較容易進(jìn)行的試驗(yàn)或測試是pH值與土壤電阻率測試，氧化還原電位，極化電流密度與質(zhì)量損失三個試驗(yàn)較少進(jìn)行。

國際上對土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的判斷，很多國家采用的是綜合指標(biāo)，文獻(xiàn)[6]列舉了20世紀(jì)90年代以前德國和美國的判別方法，是通過對各影響因素諸如土壤類型、土壤電阻率、土的含水量，pH值，土的酸堿度、硫化物、中性鹽、硫酸鹽、地下水情況、土壤的水平與垂直方向的均勻性，氧化還原電位等指標(biāo)綜合打分，計(jì)算總分，根據(jù)總分按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合判斷。該方法考慮較全面，但是不同土壤的理化因素作用大小可能差別很大，不同土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定需要大量的試驗(yàn)，其打分標(biāo)準(zhǔn)也未必都合理，在我國目前階段尚不成熟。

4　試驗(yàn)方法

以上幾個對場地土腐蝕性判別的試驗(yàn)方法，規(guī)范條文說明中提示參考林宗元主編的《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊》[7]，其步驟分述如下：

4.1氧化還原電位

測試目的：土中不同價態(tài)之間的反應(yīng)，如氧化態(tài)和還原態(tài)，同時在電極上建立的平衡電位稱為氧化還原電位（Eh），是評價土對鋼鐵細(xì)菌腐蝕的間接指標(biāo)；

測試要點(diǎn)：以飽和KCl甘汞電極為參比電極，如待測土中，以它為圓心，半徑約20～50cm的圓周上，取3～5等分，分別插入3～5支鉑電極為指示電極，平衡約1h后，按儀器說明書操作步驟和計(jì)算方法，依次測試土的氧化還原電位。取其平均值。

4.2視電阻率

測試目的：土的液體中含有電解質(zhì)，固體中含有帶電荷的膠體，在外加電場作用下，可以導(dǎo)電，土的電阻率與土的含水率，有機(jī)質(zhì)，土的類別影響較大，是土對鋼鐵腐蝕的綜合性指標(biāo)；

測試要點(diǎn)：用四支金屬電極對稱等距垂直插入土中，兩極之間距等于欲測土層上層面的深度a，電極插入土中深度為0.05a，采用儀器測出電阻值R，計(jì)算電阻率ρ=2πaR，測試儀器一般采用ZC-8型搖表。

4.3極化電流密度

測試目的：電流通過土層時引起電極電流下降、腐蝕減緩或終止的現(xiàn)象稱為極化作用，它是與土的物理的、化學(xué)的特性有關(guān)，是土對鋼鐵腐蝕的綜合性指標(biāo)；

測試要點(diǎn)：將兩支金屬面積相同的電極插入土中，按儀器操作步驟，給儀器逐步加大電流，即得出系列電位差，以電位差為縱坐標(biāo)，以電極面積除以電流，即極化電流密度為橫坐標(biāo)，繪制曲線，從曲線上查出電位差為500mV時的極化電流密度即該土的極化電流密度。

4.4質(zhì)量損失

測試目的：電流通過罐管及其間土所產(chǎn)生的質(zhì)量損失，是衡量土中鹽分對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的綜合性指標(biāo)之一。

測試要點(diǎn)：用埋地鋼結(jié)構(gòu)相同材料，支撐一定規(guī)格面積、質(zhì)量的鋼管，置于鐵皮罐中，與鐵皮罐絕緣，在罐管間填充待測土，并加蒸餾水使飽和，以管為正極，罐為負(fù)極，通直流電6V、24h，取出稱管質(zhì)量，計(jì)算其失重，即質(zhì)量損失。手冊與規(guī)范中并未規(guī)定罐管的尺寸大小質(zhì)量等。

其他常規(guī)試驗(yàn)如水、土的pH值，化學(xué)成分試驗(yàn)，其要點(diǎn)參考現(xiàn)行土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

5　腐蝕性判別

綜合分析，筆者認(rèn)為當(dāng)建筑場地存在地下鋼結(jié)構(gòu)時，因?yàn)椴煌h(huán)境影響腐蝕的因素略有不同，因此勘察時有必要分成不同環(huán)境情況進(jìn)行判別：①第一類環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)位于年最低地下水位以下，即長期浸水環(huán)境；②第二類環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)全斷面位于年最低地下水位以上，即干濕交替或干環(huán)境；④鋼結(jié)構(gòu)處在部分長期浸水，部分干濕交替的環(huán)境。

5.1鋼結(jié)構(gòu)全斷面長期浸水

常溫飽和空氣下，淡水[8]中氧氣的溶解度約9.2mg/L，淺部海水中氧氣的溶解度約5.58mg/L，碳鋼在淺部海水的腐蝕電流密度僅17.18μA/cm2[9]，由于溶解氧的含量極低，因此鋼結(jié)構(gòu)全斷面浸入水中后，電化學(xué)反應(yīng)速度相對來說降低較多，其影響因素主要是酸堿度及離子含量，因此，水對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性判別按2001版巖土工程勘察規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)即可。但水樣的采取必須采取鋼結(jié)構(gòu)所在位置的水樣。

文獻(xiàn)[2]5.3.4條規(guī)定的當(dāng)?shù)叵滤畬︿摻Y(jié)構(gòu)具有腐蝕性時管樁接頭的要求，特別是具有中-強(qiáng)腐蝕性時不宜采用帶有鋼接頭的焊縫。很多在海邊工程因?yàn)檫@一條的規(guī)定限制了管樁的應(yīng)用。如果碰到此類情況，勘察期間地下水腐蝕性評價就較復(fù)雜。①管樁接頭一般在十幾米以下，海邊基本上在地下水位以下，在這個深度以上大部分都存在隔水層如淤泥質(zhì)土或粘性土。實(shí)際勘測期間必須將上部的地下水阻隔，采取擬采用樁頭的地方的地下水進(jìn)行分析。如果僅僅取淺部的地下水或者混合地下水，則很可能因?yàn)槭芎Ｋ绊懫鋵︿摻Y(jié)構(gòu)腐蝕性為中等以上。②在這個深度，若上部存在隔水層，阻隔了下部地下水的氧溶解路徑，理論上其氧含量極小，其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的條件不具備，只要pH值符合要求，不存在析氫腐蝕，則可以不考慮地下水對鋼結(jié)構(gòu)的中等以上腐蝕性。而目前的勘測手段雖然可以測定分層水位，但是無法通過測定水中的氧溶解量來判斷腐蝕性。因此，即使地下水中氯及硫酸根含量大于500mg/L，因?yàn)檠醯娜狈?，其腐蝕性也一樣有限。筆者認(rèn)為，規(guī)范規(guī)定的“地下水或場地土對鋼材有中等腐蝕性或強(qiáng)腐蝕性時，不應(yīng)使用有接頭的多節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁”的規(guī)定值得商榷，《工業(yè)防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50046-2008）[10]中對此的規(guī)定也僅僅是接頭宜位于非污染土層中，當(dāng)位于污染土中的樁接頭，接樁鋼零件涂刷防腐材料，并未完全排斥鋼接頭。

5.2鋼結(jié)構(gòu)全部位于年最高地下水位以上

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)全部位于年最高地下水位以上時，此時的環(huán)境為土壤及土壤中的毛細(xì)水，由于土的三相性，此時的氧分是充足的，電化學(xué)反應(yīng)的條件制約于水分的含量。德國和美國都是通過測定土的含水量來給腐蝕性等級加或減分的。一般來說，在濕潤地區(qū)，土中含水量一般較高，其電化學(xué)反應(yīng)一般較順利，腐蝕性會較強(qiáng)。此時通過采用規(guī)范規(guī)定的pH值、土壤電阻率、氧化還原電位、極化電流密度及質(zhì)量損失來判定，取單個結(jié)論中腐蝕性判別最強(qiáng)的結(jié)論為總的腐蝕性結(jié)論。

5.3鋼結(jié)構(gòu)部分或全部處在干濕交替環(huán)境

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處的地下環(huán)境為干濕交替時，或者部分位于地下水中，部分位于地下水位以上的土中時，此時電化學(xué)反應(yīng)的條件最齊全，腐蝕發(fā)生的可能性最大。因此，必須綜合地下水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性、場地土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性同時判斷，取其中最強(qiáng)的結(jié)論作為總結(jié)論。

需要說明的是，此種環(huán)境下，土壤電性參數(shù)的測量，如土壤電阻率，必須測量地下水位以上的土壤的電阻率值。否則因地下水的影響，電阻率將大大降低[11]，影響評價結(jié)果。

6　結(jié)束語

本文通過對鋼結(jié)構(gòu)兩種腐蝕機(jī)理的分析，根據(jù)不同環(huán)境下影響腐蝕性發(fā)生的因素不同，建議勘察人員進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的判別時分全斷面長期浸水，全斷面地下水位以上及半干半濕三種環(huán)境進(jìn)行判別。長期浸水時水樣的采取需在擬埋鋼結(jié)構(gòu)附近的地層采取。

[1]住建部.《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001，2009）.中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]福建省建設(shè)廳.《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（DBJ13-86-2007，J11017-2007）.福建省建設(shè)廳，2007，8.

[3]賈永.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理及影響因素初探.科學(xué)之友，2009，05.

[4]洪乃豐.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)技術(shù)及其發(fā)展.全國鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕與涂裝技術(shù)專題研討會論文集——鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)，2006.

[5]住建部.《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》（GB50568-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6]宋光鈴，等.土壤腐蝕性評價方法綜述.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1993.4.

[7]林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊.中國建筑工業(yè)出版社，2005，10.

[8]梁仲華，等.根據(jù)地下水中溶解氧的動態(tài)分析礦區(qū)水溫地質(zhì)條件.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1983，4.

[9]候健，等.深海環(huán)境因素對碳鋼腐蝕行為的影響.裝備環(huán)境工程，2008，12.

[10]住建部.《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50046-2008）.中國計(jì)劃出版社，2008.

[11]祝應(yīng)宏，等.電力勘察中土壤電阻率測試分析研究.工程勘察，2011，12.

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2015-4-20