過硫酸鹽氧化修復(fù)后土壤對建筑物的腐蝕性分析

袁平凡

(1.上海市巖土工程檢測中心，上海 200072;2.自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200072)

0 引言

過硫酸鹽氧化法具有氧化反應(yīng)溫和、氧化效果好、修復(fù)周期短、氧化劑性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物污染土壤的修復(fù)[1-6]。一般情況下，土壤污染地塊修復(fù)后需要轉(zhuǎn)入開發(fā)建設(shè)階段。對于類似地塊，人們往往關(guān)心人體的健康風(fēng)險(xiǎn)是否在可接受范圍內(nèi)，而很少關(guān)注修復(fù)后的土壤對建筑物穩(wěn)定性影響是否發(fā)生了明顯的改變。采用過硫酸鹽修復(fù)時(shí)，需要在土壤中添加較大量的過硫酸鈉、氧化鈣、硫酸亞鐵等化學(xué)藥劑，這些藥劑的加入，可能會(huì)增大土壤對混凝土、鋼筋混凝土、以及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性。邱宗新[7]、程祖鋒[8]等探討了水介質(zhì)對建筑材料的腐蝕性，顧寶和[9]、徐筠波[10]等評價(jià)了水、土等2種介質(zhì)對建筑材料的腐蝕性，但很少有人談到污染土壤的腐蝕性問題。許麗萍[11]等雖然談到了污染土壤的綜合評價(jià)，但也沒有分析修復(fù)后污染土壤的腐蝕性問題。董聰慧[12]等從理論上分析了過硫酸鹽氧化法修復(fù)污染土壤后對建筑物的腐蝕性的變化，但沒有通過實(shí)際案例作進(jìn)一步的探討。本文以上海某多環(huán)芳烴類污染地塊為例，研究了該地塊采用過硫酸鹽高級氧化修復(fù)前后土壤中相關(guān)組分的含量變化，分析了修復(fù)前后土壤對建筑物腐蝕性的影響。

1 過硫酸鹽氧化修復(fù)技術(shù)介紹

1.1 過硫酸鹽的氧化修復(fù)機(jī)理

1.2 藥劑比例

添加合適的氧化劑用量至關(guān)重要，氧化劑用量過低，降解效率就達(dá)不到要求，量過高則會(huì)增加應(yīng)用成本，并可能造成環(huán)境殘留。根據(jù)修復(fù)工程實(shí)踐，修復(fù)藥劑的投加比例大多為過硫酸鈉氧化劑1.0%～5.0%，活化藥劑0.1%～2.0%(如硫酸亞鐵、氧化鈣等)。

1.3 主要產(chǎn)物分析

2 土壤對建筑物的腐蝕性

2.1 混凝土的腐蝕性機(jī)理

按照混凝土的腐蝕機(jī)制，場地土壤對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕主要包括分解類腐蝕、結(jié)晶類腐蝕和結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕3類[14-15]。如土壤中的銨鹽、鎂鹽與混凝土毛細(xì)孔中游離的Ca(OH)2反應(yīng)后，生成易溶鹽，被溶解或被水帶走，屬于分解類腐蝕；硫酸鹽進(jìn)入到混凝土后，與混凝土中游離的CaO作用形成石膏結(jié)晶(CaSO4·2H2O)，新生成所占的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的體積，導(dǎo)致體積膨脹，使水泥石開裂破壞，屬于結(jié)晶類腐蝕；硫酸鎂對混凝土即有分解類腐蝕，又有結(jié)晶類腐蝕，屬于結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕。

2.2 鋼筋混凝土中鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性機(jī)理

金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，氯離子是金屬材料的主要腐蝕劑。氯離子到達(dá)混凝土鋼筋或鋼結(jié)構(gòu)表面，吸附于局部鈍化膜上，產(chǎn)生表面點(diǎn)位銹蝕，開成鈍化電池，氯離子將促進(jìn)腐蝕電池，卻不會(huì)被消耗，降低陰陽極之間的歐姆電阻，加速電化學(xué)腐蝕過程，因此，氯鹽是威脅建筑物耐久性最危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)。

2.3 腐蝕性的危害

在工程建設(shè)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是世界上最龐大的建筑材料，它的耐久性、可靠性和安全性關(guān)系到建筑物及人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。建筑物的腐蝕性評價(jià)一直都是巖土工程勘察的重要內(nèi)容之一[14]。其耐久性的影響因素很多，環(huán)境中地下水及土的腐蝕因素被認(rèn)為是主要乃至第一位的影響因素。

3 土壤對建筑物腐蝕性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在工程地質(zhì)勘察中，環(huán)境水土對建筑物的腐蝕性評價(jià)是巖土工程勘察報(bào)告的主要內(nèi)容之一。結(jié)合場地的自然地理和水文地質(zhì)條件，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001(2009版))[16]及上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》(DG/TJ 08-37—2012)[17]，對工程場地的土壤進(jìn)行采樣和分析，并作出合理的評價(jià)。

3.2 評價(jià)方法

3.2.1 土壤對混凝土的腐蝕性評價(jià)

受環(huán)境類型影響，土壤對混凝結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)應(yīng)符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.1中的要求，對土壤的腐蝕評價(jià)，應(yīng)將表中數(shù)值乘以1.5的系數(shù)，單位以mg/kg表示。土壤pH對混凝結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)應(yīng)符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.2中的pH的要求。腐蝕等級中，只出現(xiàn)弱腐蝕時(shí)，應(yīng)綜合評價(jià)為弱腐蝕；無強(qiáng)腐蝕，最高為中等腐蝕時(shí)，應(yīng)綜合評價(jià)為中腐蝕；有一個(gè)或一個(gè)以上為強(qiáng)腐蝕，應(yīng)綜合評價(jià)為強(qiáng)腐蝕。

3.2.2 土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價(jià)

土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價(jià)應(yīng)符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.4中的要求。

3.2.3 土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)

土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)應(yīng)符合GB50021—2001(2009版)中表12.2.5中的要求。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

以上海某多環(huán)芳烴土壤污染修復(fù)工程為例，該工程所在區(qū)域?qū)儆跒I海平原區(qū)(Ⅱ區(qū))[18]。地塊環(huán)境初步調(diào)查期間，采用系統(tǒng)布點(diǎn)法兼顧專業(yè)判斷法在地塊內(nèi)布設(shè)了21個(gè)土壤監(jiān)測點(diǎn)，地下水監(jiān)測點(diǎn)11個(gè)，地塊界外設(shè)置1個(gè)土壤/地下水對照點(diǎn)。淺部地層以細(xì)顆粒組成的黏性土、粉性土為主，具水平層理，粘性土中一般夾有薄層粉砂。地下水類型主要為淺層的潛水和下部砂性土地層中的承壓含水層。地塊淺層地下水水位高程在3.34～3.66m范圍內(nèi)，地下水位埋深一般在0.78～1.24m。地下水流向呈現(xiàn)由東南向西北流動(dòng)的趨勢。根據(jù)初步調(diào)查時(shí)測得的水位高程數(shù)據(jù)來模擬地塊所在區(qū)域地下水的流向(圖1)。

1—地下水與土壤監(jiān)測點(diǎn)；2—土壤監(jiān)測點(diǎn)；3—場地邊界；4—地下水水位等值線(m)；5—地下水流向圖1 項(xiàng)目地塊地下水流向示意圖

該工程場地歷史上有集裝箱有限公司和包裝材料廠，場地調(diào)查結(jié)果為苯并(a)芘含量1.21mg/kg，超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]中第一類用地篩選值，采用異位高級氧化修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，采用的修復(fù)技術(shù)方案為：先用挖掘機(jī)按照藥土比(以干土計(jì)，下同)為0.5%左右的生石灰添加到待處理的土壤中并初混一次，便于篩分和土壤破碎。然后再按照藥土比添加1%氧化藥劑過硫酸鈉和0.5×10-6添加激活劑七水硫酸亞鐵，用篩分破碎斗進(jìn)一步將其混勻，同時(shí)在混均的過程中不斷向其中噴漆自來水，使土壤含水率保持在25%～30%左右。經(jīng)養(yǎng)護(hù)反應(yīng)、自檢、土壤修復(fù)效果評估合格后，將修復(fù)后土壤回填至原基坑。

4.2 檢測指標(biāo)及方法

4.3 檢測結(jié)果

對修復(fù)前后土壤樣品各測定6次，結(jié)果表明，修復(fù)后土壤中鈣鹽、硫酸鹽、總礦化度等有較大的增加量，但遠(yuǎn)小于理論增加值(表1)。將修復(fù)后土壤中鈣鹽和硫酸鹽的含量換算成測定土壤易溶鹽用提取液中鈣鹽和硫酸鹽的濃度，分別為0.0016mol/L和0.0043mol/L，兩者乘積為6.9×10-6，與硫酸鈣的溶度積常數(shù)[21]Ksp=9.1×10-6十分接近，從鈣鹽、硫酸鹽的理論添加量來說，這兩種離子的加入摩爾量是很接近的，修復(fù)后，形成了硫酸鈣沉淀，因此測得的修復(fù)后土壤中易溶性鈣鹽、易溶性硫酸鹽的含量遠(yuǎn)小于理論加入量。

表1 檢測結(jié)果

4.4 土壤對建筑材料的腐蝕性評價(jià)

4.4.1 土壤對混凝土的腐蝕性評價(jià)

對照標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)前土壤中各類指標(biāo)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級均為“微”，修復(fù)后硫酸鹽的腐蝕性為“中”(標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類環(huán)境時(shí))或“弱”(標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ，Ⅲ類環(huán)境時(shí))，綜合評價(jià)為“中等腐蝕性”或“弱腐蝕性”，說明修復(fù)活動(dòng)對土壤的腐蝕性有一定影響(表2)。

表2 土壤對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)表

4.4.2 對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性

該工程場地修復(fù)土壤以黏性土為主，可塑，局部含較濕粉土。在修復(fù)過程中，沒有添加氯化物之類的含氯的藥劑，修復(fù)前后土壤中氯離子含量沒有顯著變化。因此，對于因氯離子引起的土壤對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性，修復(fù)前后沒有變化，均為“微”腐蝕性。

4.4.3 土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性

由于修復(fù)過程中加入了中強(qiáng)堿氧化鈣，而過硫酸鈉在化學(xué)反應(yīng)過程中會(huì)消耗堿，堿的加入量不足時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸。另一方面，由于氧化劑過硫酸鈉的加入，會(huì)使土壤的氧化還原環(huán)境產(chǎn)生變化，實(shí)測結(jié)果也反映了這種情況，而土壤pH和氧化還原電位是對鋼結(jié)構(gòu)建筑有腐蝕影響的指標(biāo)。根據(jù)檢測結(jié)果，修復(fù)前后土壤pH對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性均為“微”；修復(fù)前土壤氧化還原電位對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價(jià)為“微”，修復(fù)后評價(jià)為“中”，結(jié)果見表3所示。

表3 土壤對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)表

5 結(jié)論

(1)當(dāng)采用過硫酸鈉(1%)-氧化鈣(0.5%)-硫酸亞鐵(0.5×10-3)體系修復(fù)有機(jī)物污染的土壤時(shí)，修復(fù)后土壤對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性均較修復(fù)前有所加重，其中對混凝土的腐蝕性等級從原來的“微”變成了“弱”或“中”，對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級從原來的“微”變成了“中”。

(2)建議實(shí)施過過硫酸鹽氧化修復(fù)污染土壤的地塊，在污染土壤修復(fù)效果評估或土地再開發(fā)前的工程勘察中，重視對土壤腐蝕性的評價(jià)問題，布設(shè)監(jiān)測位置時(shí)應(yīng)考慮土壤污染修復(fù)區(qū)域，以便制定正確的防腐措施和建筑施工方案。