銀川市城區(qū)淺層地下水對建筑材料的腐蝕性評價(jià)

田碩豐，趙銀鑫，吳文忠，張曉東，吉衛(wèi)波

（寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021）

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下水對地下工程的影響也日漸突出。銀川市作為中國西北地區(qū)重要的中心城市，2020 年常住人口229.31 萬人，城鎮(zhèn)化率79.05%，人們對地下建筑物的依賴度逐漸增強(qiáng)，地下水對地下工程的影響也越來越受到重視。在巖土勘察中，工程人員必須查明地下水的分布特征，并有針對性地測試地下水相關(guān)的化學(xué)成分，全面了解其對建筑材料的腐蝕性，以便提出安全合理的應(yīng)對措施[1-2]。目前，國外的研究主要集中在混凝土外部保護(hù)等防腐措施及混凝土耐久性評估方面。H.E.Hashem 等[3]以苯并吡喃類化合物作為緩蝕劑，在侵蝕性酸溶液中對鋼腐蝕進(jìn)行了試驗(yàn)和理論評估。D.Hasson 等[4]研究了CaCO3膜控制淡化水腐蝕的動力學(xué)途徑。A.Goyal 等[5]對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼陰極保護(hù)專用導(dǎo)電涂料的性能進(jìn)行了評估。M.Harilal 等[6]對加入納米顆粒和緩蝕劑的粉煤灰混凝土進(jìn)行了氯離子誘導(dǎo)腐蝕試驗(yàn)，得出該混凝土是一種很有應(yīng)用前景的三元摻合料混凝土，該混凝土能夠在侵蝕性氯離子環(huán)境中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)長期無腐蝕的效果。H.Yang 等[7]提出層狀雙氫氧化物（LDHs）具有很強(qiáng)的離子交換性能，能廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土防腐領(lǐng)域。國內(nèi)的研究在建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理、測試與評價(jià)方面較多，在腐蝕的防治方面相對國外略少一些。陳綱[8]對不同濃度腐蝕介質(zhì)下混凝土質(zhì)量、強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王鎧[9]調(diào)查研究了我國低堿度軟水分布地區(qū)，提出了其水質(zhì)特性和腐蝕特性。李清明等[10]針對SO42-和Cl-腐蝕性評價(jià)差異較大的情況，給出了干濕交替作用及其強(qiáng)度的定義，提出了一種統(tǒng)一水土腐蝕性評價(jià)指標(biāo)及其分級的建議方案。國家針對建筑材料的腐蝕性評價(jià)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009 年版）[11]、《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50046—2018）[12]等。

目前國內(nèi)外對地下水腐蝕性的相關(guān)調(diào)查評價(jià)，多集中于具體工程，缺少區(qū)域性的綜合評價(jià)成果[13]。銀川市也未進(jìn)行過區(qū)域性的地下水腐蝕性綜合評價(jià)[14-15]，而且所建多數(shù)工程的地下水腐蝕性評價(jià)為微—弱腐蝕性。本次工作依托銀川城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，按照規(guī)范要求，對銀川市進(jìn)行區(qū)域綜合性淺層地下水（1～10 m）的腐蝕性評價(jià)，總結(jié)了其分布規(guī)律及特征，為今后銀川城區(qū)規(guī)劃和工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性氣候，具有降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、氣候干燥和日照充足的特點(diǎn)。研究區(qū)淺層地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，含水層巖性以細(xì)砂、中砂、粉細(xì)砂為主，西部局部地區(qū)含粗砂及砂礫石，包氣帶巖性以砂黏土、黏砂土為主。淺層地下水補(bǔ)給來源主要包括灌溉水回滲補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給、洪水散失補(bǔ)給以及大氣降水入滲補(bǔ)給。地下水徑流總體受自然因素（包括地形、地層巖性、地表水系）和人為因素綜合影響，研究區(qū)淺層地下水總體由西向東徑流，徑流條件較差。地下水排泄方式主要包括蒸發(fā)排泄、排水溝排泄、人工開采、側(cè)向徑流排泄和局部地區(qū)向黃河排泄。淺層地下水水位埋深大多大于3 m，局部地區(qū)水位埋深小于3 m。地下水礦化度多在1～3 g/L，水質(zhì)較差。

2 樣品采集測試

在充分收集利用研究區(qū)水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組在研究區(qū)城區(qū)繞城范圍內(nèi)，分散均勻采集水樣62 件，其中YS 編號30 件為水井水樣，采樣深度為1～3 m，Yg 編號為工程地質(zhì)鉆孔水樣，采樣深度為3～10 m。采用塑料瓶密封裝水樣并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室檢測。

3 評價(jià)方法及環(huán)境類型判定

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009 年版），淺層地下水對混凝土、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為：受環(huán)境類型影響的腐蝕性評價(jià)，受地層滲透性影響的腐蝕性評價(jià)。其中，受環(huán)境類型影響，水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試項(xiàng)目包括：Mg2+、SO42-、NH4+、OH-、總礦化度；受地層滲透性影響，水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試項(xiàng)目包括：HCO3-、pH 值、侵蝕性CO2；水對鋼筋的腐蝕性試驗(yàn)項(xiàng)目包括：Cl-。一般試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的試驗(yàn)方法見表1。

表1 腐蝕性試驗(yàn)方法

根據(jù)《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒2020》：銀川市2020 年平均降雨量為145.5 mm，年平均蒸發(fā)量為1 579 mm。銀川市海拔在1 010～1 150 m，干燥指數(shù)K 值大于1.5，屬于干旱區(qū)。銀川市含水層巖性以細(xì)砂、中砂、粉細(xì)砂層為主，屬強(qiáng)透水層，故根據(jù)場地環(huán)境地質(zhì)條件，綜合判定其場地環(huán)境類別為Ⅰ類。

4 腐蝕性評價(jià)結(jié)果

本次分析使用Excel 軟件對腐蝕性評價(jià)測試項(xiàng)目結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，見表2～表4。

表2 按環(huán)境類型水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)

表3 按地層滲透性水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)

表4 水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性評價(jià)

在腐蝕性等級中：腐蝕等級只出現(xiàn)弱腐蝕，無中等腐蝕或強(qiáng)腐蝕時(shí)，綜合評價(jià)為弱腐蝕；無強(qiáng)腐蝕，最高為中等腐蝕時(shí)，綜合評價(jià)為中等腐蝕；有1 個(gè)或1 個(gè)以上為強(qiáng)腐蝕，綜合評價(jià)為強(qiáng)腐蝕。由表2、表3中的數(shù)據(jù)可知，表3 中的腐蝕性評價(jià)均低于表2，故本文以表2、表4 中的腐蝕性評價(jià)數(shù)據(jù)作為綜合評價(jià)依據(jù)。

5 腐蝕性分布特征

由表2 可知：銀川市城區(qū)淺層地下水中Mg2+，NH4+，OH-和總礦化度的質(zhì)量濃度均小于微腐蝕等級對應(yīng)的規(guī)范值，腐蝕等級呈微腐蝕，故ρ（SO42-）可作為評價(jià)銀川市城區(qū)淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性綜合評價(jià)的依據(jù)；有干濕交替作用的腐蝕性評價(jià)結(jié)果均大于無干濕交替作用的腐蝕性評價(jià)結(jié)果，故綜合評價(jià)以干濕交替作用結(jié)果為主。淺層地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性評價(jià)，主要依據(jù)水中的ρ（Cl-）來判斷，因長期浸水作用均為微腐蝕性，故綜合評價(jià)以干濕交替作用為主。本次分析以ρ（SO42-），ρ（Cl-）為依據(jù)，利用ArcGIS 軟件中的克里金插值法繪制淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的綜合腐蝕性評價(jià)分區(qū)圖（圖1～圖2）。

圖1 水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性綜合評價(jià)分區(qū)圖

圖2 水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性綜合評價(jià)分區(qū)圖

由圖1 可知，淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的中、強(qiáng)腐蝕主要分布在銀川市中東部。強(qiáng)腐蝕分布于平伏橋村的鐵路以西、魏家橋村以東，面積1.51 km2，占比0.38%；中等腐蝕分布于蘆花村—平伏橋村—雙渠口村—磚渠村—銀豐村—新豐村—聯(lián)豐村一帶，魏家橋村和上前城村中部，以及德勝村東側(cè)，呈條帶狀南北向展布，面積145.62 km2，占比36.56%；弱腐蝕分布于銀川市東西側(cè)，面積為185.44 km2，占比46.57%；微腐蝕呈不規(guī)則狀零星展布，主要分布于銀川市西側(cè)繞城高速綠地旁、磚渠村東側(cè)—大新村西北側(cè)等，面積65.68 km2，占比16.49%。

由圖2 可知，淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕主要分布在銀川市中東部，中、微、弱腐蝕性位置與淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)中、微、弱腐蝕的位置近似。其中：中等腐蝕主要分布于蘆花村—平伏橋村—雙渠口村，呈南北向條帶狀展布，在聯(lián)豐村—新豐村、銀豐村、德勝村呈零星狀分布于銀川市北東側(cè)，分布面積占比23.65%；弱腐蝕分布最為廣泛，分布面積占比55.38%；微腐蝕呈不規(guī)則狀零星展布，分布于銀川市西北和西南角、磚渠村以東—大新村以西、上前城村。

6 結(jié)論

（1）在干濕交替作用下，銀川市城區(qū)淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價(jià)可劃分為：微、弱、中、強(qiáng)4 個(gè)級別。其中：強(qiáng)腐蝕分布于平伏橋村的鐵路以西、魏家橋村以東；中等腐蝕分布于蘆花村—平伏橋村—雙渠口村—磚渠村—銀豐村—新豐村—聯(lián)豐村、魏家橋村和上前城村中部、德勝村東側(cè)，呈條帶狀南北向展布，向東西兩側(cè)逐漸減弱。中、強(qiáng)腐蝕的面積占繞城內(nèi)總面積的1/3 以上。

（2）在長期浸水條件下，研究區(qū)淺層地下水普遍對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；在干濕交替作用下地下水對鋼筋混凝土中的鋼筋普遍具有微—中腐蝕性，同樣主要分布于銀川市城區(qū)蘆花村—平伏橋村—雙渠口村一帶，沿東西兩側(cè)逐漸減弱。