盐都区水土腐蚀性评价及原因分析

盐都区水土腐蚀性评价及原因分析作者：石云妮罗军尧杨太强王昆
来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2023年第06期
摘要：水土的腐蚀性试验研究是建筑基础和地下工程中一项重要内容，浅层地下水和土壤对工程的腐蚀性及对工程结构设计的影响倍受关注。

本文通过对试样进行化学分析获得的腐蚀性数据对盐都区环境水、地下水和土壤的腐蚀性进行了评价；在各土层的物理性质指标的数据基础上，分析了土壤低电阻率的原因。

结果显示，研究区内水对工程材料仅具有微弱腐蚀性，地基土对钢结构具有强腐蚀性；含水率增加，土壤颗粒紧密程度升高，Cl-、SO2-4等化学成分增多，均会导致电阻率降低，使得土壤对钢结构的腐蚀性增强；含水率高的软土对钢结构普遍具有较强的腐蚀性。

上述研究结果可以为工程材料提高耐久性、延长使用寿命及该地区的工程建设提供借鉴。

关键词：软土；腐蚀性；原因分析；电阻率
中图分类号：TU411
文献标志码：A
地下环境是一个复杂的物质体系，由多种性质不同的介质组成。

地下水和土壤的腐蚀作用主要反应在它们对混凝土与金属材料和设备的破坏上，腐蚀成分破坏混凝土，危害构筑物的稳定性，进而影响混凝土结构的耐久性与工程寿命［1-2］。

为此，许多学者对水土的腐蚀性进行了研究与分析。

柳富田等对曹妃甸滨海区的地下水腐蚀性数据进行了统计分析，得出其对混凝土结构、钢结构的腐蚀性自北向南逐渐加重的规律［3］；欧阳广钱等以赵石畔煤矿为
例，分析并评价了建井穿越的含水地層的腐蚀性，对井壁混凝土防腐蚀进行了设计［4］；夏雨波等研究发现水文地球化学反应-迁移-分异过程、包气带淋滤作用与全新世淤泥质粉质黏土吸附作用，是形成雄安新区高水土腐蚀性地区的地质条件［5］；另外，沿海的天津［6］、山东［7］等地及内陆地区［8-9］也有学者开展了建筑结构的腐蚀机理、腐蚀测试与评价、腐蚀防治等方面的研究。

现有的研究工作主要集中在腐蚀测试与评价、腐蚀防治或地区水土腐蚀性区域划分方面，而对水土腐蚀性的成因研究较少。

由于所处环境不同，导致不同地区存在着差异很大的水土性质，最终表现为各个地区差异较大的水土腐蚀性。

因此，本文对盐城市盐都区特殊性软土的水土腐蚀性进行评价并分析其成因条件，为工程材料提高耐久性、延长使用寿命及该地区的工程建设提供借鉴。

1 工程地质背景
1.1 地形地貌
研究区地处里下河浅洼平原区，第四纪以来地壳运动以沉积为主，第四纪地层分布广、厚度大，形成广阔的浅洼平原地貌单元。

浅部为全新世河湖相灰黄色-灰色可-软塑黏性土夹粉土，广泛分布滨海相、泻湖相灰色淤泥质土。

中部广泛分布全新世滨海浅海相灰色粉土、粉砂（稍-中密，夹粉质黏土）；局部有河湖相灰-青灰色黏性土（软塑）。

深部广泛分布更新世河湖相灰绿色-灰黄色黏性土（硬-可塑），灰黄色、灰色粉质黏土（可塑）夹粉土；滨海浅海相灰色粉土夹粉质黏土，灰色-灰黄色粉土、粉细砂（中密）；黏性土与砂性土多次交互出现。

1.2 气象条件
研究区位于盐城市盐都区，具有明显的季风气候特点，四季分明。

年均降雨量为900～1 066 mm，多年平均降水中7月降水量明显高于其他月份，12月降水量处于全年最低水平。

年内降水分配总体不平衡，有明显的季节差异，年内夏季降水占全年总降水量的54%，冬季仅占8%。

年均气温为15.4 ℃，日均最高气温33 ℃，日均最低气温-1 ℃，无霜期218 d。

1.3 水文地质条件
研究区地下水在勘察深度范围内主要为分布于松散沉积物中的孔隙潜水，其次为承压水。

本文研究的土层范围为前四层（层号为1、2、3、3A），土层中赋存潜水，承压水存于第（5）—（8）、（10）土层中，故承压水的影响可不予考虑。

潜水补给来源主要为大气降水，其次是地表水体，排泄方式主要为自然蒸发和侧向径流。

地下水潜水初见水位标高在0.95～1.03 m之间，稳定水位标高在1.05～1.13 m之间（埋深约为2 m）。

据区域水文地质资料，研究区潜水历史最高水位为▽+1.90 m，历史最低地下水位为▽+0.38 m，近3～5年内最高水位约为▽+1.88 m，地下水变化年幅度在1.20 m左右（本文一律采用1985国家高程基准）。

2 试验方案
2.1 水、土对混凝土结构的腐蚀性测试
水对混凝土结构腐蚀性的测试项目包括：pH值、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、侵蚀性CO2、游离CO2、NH+4、OH-、总矿化度；土对混凝土结构腐蚀性的测试项目包括：pH值、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3的易溶盐（土水比
1 ∶5）分析。

分析方法方面，Ca2+、Mg2+、SO2-4采用EDTA容量法；K+和Na+采用火焰光度法；NH+4采用纳氏试剂法；HCO-3、CO2-3、OH-采用酸碱滴定法；Cl-采用摩尔法；侵蚀性CO2采用盖耶尔法；pH值的测定采用电位法（水）和锥形玻璃电极法（土）。

徐清扬［10］详细介绍了上述指标的室内试验操作方法。

在研究区内，孔隙潜水、环境水均设置了3个取样点；易溶盐的测试样共有15个，3个取样位置，每个位置有5个不同的取样深度（深度范围为0.7～10.0 m），以确保数据的可靠性。

2.2 土对钢结构的腐蚀性测试
土对钢结构腐蚀性的测试项目为视电阻率。

在研究区内设置了6个测试点（D1至D6），最大测试深度为6.2 m；测试期间及测试前三天均为晴天，地表干燥。

测试采用四极法（温纳法）进行测试；测试时，将电极等间距均布（设电极间距为a），埋入土中（设电极埋入土中深度为h，测试时应注意使h小于0.05a）；连接好测试线后，设置仪器进入土壤电阻率测试模式，在仪器中输入电极间距后开始测试，仪器根据公式P=2πaR 计算土壤电阻率（R为电极间土壤的电阻），仪器（ETCR3000B土壤电阻率测试仪）读数即为土壤电阻率值。

测试结果为地表至a深度处的电阻率，通过改变两相邻电极的间距可改变测试深度。

最后采用WYS高级电法解释软件进行了电阻率反演拟合计算，从而求得研究埋深范围内各土壤层的视电阻率值。

各测点电阻率结果见表1。

3 腐蚀性评价
根据勘察资料，研究埋深范围内设计的土层均为Q4湖相沉积地层。

地基土层自上而下简述如下：
1层素填土：杂色，稍湿，松散，主要成分为粉质黏土，含较多碎砖、石子、砼块等建筑垃圾，土质不均匀；
2层粉质黏土：黄褐色，饱和，可塑，夹少量黏质粉土团块，见少量鲕状铁锰结核，土质较均匀；
3层淤泥质粉质黏土：灰色，饱和，流塑，夹少量粉砂团块或薄层（单层厚2～5 mm），土质较均匀；
3A层黏质粉土：灰色，很湿，稍密，夹较多淤泥质粉质黏土薄层（单层厚5～8 mm），见云母碎屑，土质不均匀。

研究区周围无污染源，区内水、土未受污染，依据《岩土工程勘察规范》
（DGJ32/TJ208—2016）［11］第16.4.7条，结合场地条件、地质条件及工程概况等情况，本研究区地下水及地基土环境类型详见表2。

另外，研究土层为粉土和黏性土，依据上述规范研究土层均为弱透水层，确定其地层渗透性的环境条件为B。

根据水质分析检测和易溶盐检测结果，结合《岩土工程勘察规范》（DGJ32/TJ208—2016）［11］，研究区孔隙潜水、环境水对工程材料腐蚀性评价结果见表3，地基土对工程材料腐蚀性评价结果见表4。

水中pH、侵蚀性CO2、HCO-4对混凝土结构的腐蚀性评价还需采用十字法进行综合评价，评价结果为微腐蚀。

由表4可知，孔隙潜水、环境水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋在非长期浸水时具弱腐蚀性，在长期浸水时具微腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；研究区范围内地基土对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

4 原因分析
4.1 腐蚀机理
混凝土的腐蚀主要分为物理、化学和微生物腐蚀。

其中，物理腐蚀又包括浸蚀腐蚀和结晶腐蚀，浸蚀腐蚀即混凝土与环境介质长期接触时，混凝土中的可溶性成分溶解，致使孔隙率增大、混凝土结构破坏；在湿度较低或低温环境下，可溶性盐在混凝土孔隙和毛细孔内吸水结晶，不断的析出累积导致混凝土膨胀开裂而破坏称为结晶腐蚀（如碱-集料反应）。

化学腐蚀是指混凝土中的有效成分与腐蚀介质发生化学反应，生成容易溶解的新生成物，使混凝土有效成分不断流失；或者在毛细孔内生成大量钙盐，造成混凝土张裂破坏。

微生物腐蚀包括生物力学作用（如植物的根茎会破坏混凝土的密实度）和类似于上述的化学腐蚀（如硫化细菌）。

钢筋混凝土的腐蚀除了上述腐蚀机理外，还需要考虑钢筋的腐蚀。

混凝土微小孔隙中的孔溶液具有很高的pH值，在水、氧、氯离子等的共同作用下，钢筋会发生锈蚀。

锈蚀的钢筋体积膨胀为原先的2～4倍，使混凝土沿锈蚀的钢筋开裂，进而发生破坏。

钢结构的腐蚀主要有两种：化学腐蚀和电化学腐蚀，电化学腐蚀是钢结构腐蚀的主要形式。

在一定温度和湿度下，钢材直接与周围介质发生化学作用而产生的腐蚀称为化学腐蚀，多数为氧化反应，在钢结构表面形成疏松的氧化物；电化学腐蚀是钢材与周围环境中的电解质溶
液形成原电池而产生的锈蚀，在潮湿的环境中，钢材的Fe与H2O持续发生氧化还原反应，最终生成稳定且易剥落的Fe（OH）3。

4.2 土腐蚀性的主要影响因素
从腐蚀性评价的结果可以看出，对于不同的工程材料，腐蚀强度存在较大的差异。

其中，土对钢结构具有强腐蚀性的评价结果值得进一步探究。

决定土对钢结构腐蚀性评价结果的是视电阻率范围值，视电阻率值越小，则土壤对钢结构的腐蚀性越强。

由表1中的数据可知，在该研究区内，视电阻率值与电阻率值整体上呈正相关。

此外，研究区范围内，第3层为淤泥质粉质黏土，系高压缩性软土，具强度低以及触变性、流变性、高灵敏性等特点，为本次研究最软弱的土层单元，其孔隙比大于1，天然含水量大于液限，液性指数大于1，压缩系数大于0.5 MPa-1。

因此，接下来通过探究电阻率与土壤物理性质之间的关系来研究土腐蚀性的主要影响因素。

各土层的电阻率值与物理性质指标如图1所示，可以看出，电阻率值随着土层的加深呈下降趋势，即土对钢结构的腐蚀性在不斷加强；含水率和重度由于第3层是软土的原因，数据图形分别呈现出上凸和下凹状，但整体上分别呈上升和下降的趋势。

绝对干燥的土壤其电阻率接近无穷大，当含水量增加到15％时，电阻率会显著降低；土壤本身的颗粒越紧密，电阻率也会越低。

单方面用含水率或重度来解释图中电阻率下降的原因似乎存在矛盾。

其实不然，分析过程中还需要考虑土质的影响。

虽然含水率对黏性土的状态有很大的影响，但对于不同的土，即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态。

黏性土的天然状态可以用液性指数来判定。

图1中含水率接近的2层粉质黏土和3A层黏质粉土就处于不同的状态，分别为可塑和流动状态。

从图1中可以明显地看出，土壤的电阻率与其液性指数呈负相关关系。

这说明软土的电阻率值普遍很低，即其对钢结构而言具有较强的腐蚀性。

另外，由腐蚀性评价表可知，土中含有Cl-、SO2-4等化学成分，这也会导致电阻率显著下降，加强土壤的腐蚀性。

5 结论
通过对研究区内水土腐蚀性测试和试验结果分析，得出以下结论：
1）研究区范围内孔隙潜水、环境水对钢筋混凝土具微腐蚀性，仅在非长期浸水时对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；地基土对钢筋混凝土具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

应根据相关设计标椎要求采取相应防腐蚀措施。

2）土壤对钢结构的腐蚀强度反应到电阻率值的大小上，含水率越高，土颗粒越紧密，电阻率值越小，土壤对钢结构的腐蚀性则越强。

电阻率随着液性指数的增大而减小，即腐蚀强度
随液性指数的增大而增大。

此外，土壤中含有的Cl-、SO2-4等化学成分也加强了土壤的腐蚀性。

3）研究区范围内，第3淤泥质粉质黏土为特殊性土（软土），含水率高且和埋深不存在明显的线性关系，变化范围为37.9%～42.7%。

软土由于其特殊性，对钢结构普遍具有较强的腐蚀性。

另外，其压缩性大，重度小，灵敏度高且有一定的流变性与触变性的特点，使得后续工程建设中需按最不利工况进行稳定性及变形验算。

3 腐蚀性评价
根据勘察资料，研究埋深范围内设计的土层均为Q4湖相沉积地层。

地基土层自上而下简述如下：
1层素填土：杂色，稍湿，松散，主要成分为粉质黏土，含较多碎砖、石子、砼块等建筑垃圾，土质不均匀；
2层粉质黏土：黄褐色，饱和，可塑，夹少量黏质粉土团块，见少量鲕状铁锰结核，土质较均匀；
3层淤泥质粉质黏土：灰色，饱和，流塑，夹少量粉砂团块或薄层（单层厚2～5 mm），土质较均匀；
3A层黏质粉土：灰色，很湿，稍密，夹较多淤泥质粉质黏土薄层（单层厚5～8 mm），见云母碎屑，土质不均匀。

研究区周围无污染源，区内水、土未受污染，依据《岩土工程勘察规范》
（DGJ32/TJ208—2016）［11］第16.4.7条，结合场地条件、地质条件及工程概况等情况，本研究区地下水及地基土环境类型详见表2。

另外，研究土层为粉土和黏性土，依据上述规范研究土层均为弱透水层，确定其地层渗透性的环境条件为B。

根据水质分析检测和易溶盐检测结果，结合《岩土工程勘察规范》（DGJ32/TJ208—2016）［11］，研究区孔隙潜水、环境水对工程材料腐蚀性评价结果见表3，地基土对工程材料腐蚀性评价结果见表4。

水中pH、侵蚀性CO2、HCO-4对混凝土结构的腐蚀性评价还需采用十字法进行综合评价，评价结果为微腐蚀。

由表4可知，孔隙潜水、环境水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋在非长期浸水时具弱腐蚀性，在长期浸水时具微腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；研究区范围内地基土对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

4 原因分析
4.1 腐蚀机理
混凝土的腐蚀主要分为物理、化学和微生物腐蚀。

其中，物理腐蚀又包括浸蚀腐蚀和结晶腐蚀，浸蚀腐蚀即混凝土与环境介质长期接触时，混凝土中的可溶性成分溶解，致使孔隙率增大、混凝土结构破坏；在湿度较低或低温环境下，可溶性盐在混凝土孔隙和毛细孔内吸水结晶，不断的析出累积导致混凝土膨胀开裂而破坏称为结晶腐蚀（如碱-集料反应）。

化学腐蚀是指混凝土中的有效成分与腐蚀介质发生化学反应，生成容易溶解的新生成物，使混凝土有效成分不断流失；或者在毛细孔内生成大量钙盐，造成混凝土张裂破坏。

微生物腐蚀包括生物力学作用（如植物的根茎会破坏混凝土的密实度）和类似于上述的化学腐蚀（如硫化细菌）。

钢筋混凝土的腐蚀除了上述腐蚀机理外，还需要考虑钢筋的腐蚀。

混凝土微小孔隙中的孔溶液具有很高的pH值，在水、氧、氯离子等的共同作用下，钢筋会发生锈蚀。

锈蚀的钢筋体积膨胀为原先的2～4倍，使混凝土沿锈蚀的钢筋开裂，进而发生破坏。

钢结构的腐蚀主要有两种：化学腐蚀和电化学腐蚀，电化学腐蚀是钢结构腐蚀的主要形式。

在一定温度和湿度下，钢材直接与周围介质发生化学作用而产生的腐蚀称为化学腐蚀，多数为氧化反应，在钢结构表面形成疏松的氧化物；电化学腐蚀是钢材与周围环境中的电解质溶液形成原电池而产生的锈蚀，在潮湿的环境中，钢材的Fe与H2O持续发生氧化还原反应，最终生成稳定且易剥落的Fe（OH）3。

4.2 土腐蚀性的主要影响因素
从腐蚀性评价的结果可以看出，对于不同的工程材料，腐蚀强度存在较大的差异。

其中，土对钢结构具有强腐蚀性的评价结果值得进一步探究。

决定土对钢结构腐蝕性评价结果的是视电阻率范围值，视电阻率值越小，则土壤对钢结构的腐蚀性越强。

由表1中的数据可知，在该研究区内，视电阻率值与电阻率值整体上呈正相关。

此外，研究区范围内，第3层为淤泥质粉质黏土，系高压缩性软土，具强度低以及触变性、流变性、高灵敏性等特点，为本次研究最软弱的土层单元，其孔隙比大于1，天然含水量大于液限，液性指数大于1，压缩系数大于0.5 MPa-1。

因此，接下来通过探究电阻率与土壤物理性质之间的关系来研究土腐蚀性的主要影响因素。

各土层的电阻率值与物理性质指标如图1所示，可以看出，电阻率值随着土层的加深呈下降趋势，即土对钢结构的腐蚀性在不断加强；含水率和重度由于第3层是软土的原因，数据图形分别呈现出上凸和下凹状，但整体上分别呈上升和下降的趋势。

绝对干燥的土壤其电阻率接近无穷大，当含水量增加到15％时，电阻率会显著降低；土壤本身的颗粒越紧密，电阻率也会越低。

单方面用含水率或重度来解释图中电阻率下降的原因似乎存在矛盾。

其实不然，分析过程中还需要考虑土质的影响。

虽然含水率对黏性土的状态有很大的影响，但对于不同的土，即使具有相同的含水率，也未必处于同样的状态。

黏性土的天
然状态可以用液性指数来判定。

图1中含水率接近的2层粉质黏土和3A层黏质粉土就处于不同的状态，分别为可塑和流动状态。

从图1中可以明显地看出，土壤的电阻率与其液性指数呈负相关关系。

这说明软土的电阻率值普遍很低，即其对钢结构而言具有较强的腐蚀性。

另外，由腐蚀性评价表可知，土中含有Cl-、SO2-4等化学成分，这也会导致电阻率显著下降，加强土壤的腐蚀性。

5 结论
通过对研究区内水土腐蚀性测试和试验结果分析，得出以下结论：
1）研究区范围内孔隙潜水、环境水对钢筋混凝土具微腐蚀性，仅在非长期浸水时对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；地基土对钢筋混凝土具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

应根据相关设计标椎要求采取相应防腐蚀措施。

2）土壤对钢结构的腐蚀强度反应到电阻率值的大小上，含水率越高，土颗粒越紧密，电阻率值越小，土壤对钢结构的腐蚀性则越强。

电阻率随着液性指数的增大而减小，即腐蚀强度随液性指数的增大而增大。

此外，土壤中含有的Cl-、SO2-4等化学成分也加强了土壤的腐蚀性。

3）研究区范围内，第3淤泥质粉质黏土为特殊性土（软土），含水率高且和埋深不存在明显的线性关系，变化范围为37.9%～42.7%。

软土由于其特殊性，对钢结构普遍具有较强的腐蚀性。

另外，其压缩性大，重度小，灵敏度高且有一定的流变性与触变性的特点，使得后续工程建设中需按最不利工况进行稳定性及变形验算。