新疆北部地区盐渍土的腐蚀机理及防治措施
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新疆北部地区盐渍土的腐蚀机理及防治措施*张洪萍1,杨晓华2(1.中北大学土木工程系,山西太原030051; 2.长安大学公路学院,陕西西安710064)摘 要:通过对北疆地区盐渍土的基本特征分析,探讨了影响盐渍土路基及构筑物病害的因素,主要是气候、地形地貌和水文条件;易溶盐试验结果表明,本地区盐主要以氯(亚氯)盐渍土和中硫酸(亚)盐渍土为主。
总结出了两种盐对建筑物及路基的腐蚀和破坏机理,并针对不同的病害机理归纳出了目前两种盐在防治方面所采取的主要措施,并就相应的措施进行了一定的评价,指出目前防治措施多是经验的总结,还需从理论方面做进一步的深入研究。
关键词:盐渍土;路基;构筑物;腐蚀破坏机理;防治措施中图分类号:TU448 文献标识码:A 文章编号:1004 5716(2010)11 0009 04青海、新疆、甘肃、宁夏、陕西和内蒙,是我国盐渍土分布面积最广最多的地域。
新疆盐渍土主要发育在河流冲积平原上。
在地势低平地区分布有盐碱荒漠土;沿天山南北两侧冲积扇边缘的泉水带分布的是盐化草甸土、盐化和沼泽荒漠土;天山以南盆地的洼地和塔里木河两岸分布的是盐化草甸土。
在上述盐土分布区内也有碱土分布。
盐土盐分较为复杂,以硫酸盐和氯化物为主。
天山以北伊犁盆地的盐土以氯化物硫酸盐为主;天山以南和东部地区的盐土分别以硫酸盐和氯化物为主;各盆地洪积扇边缘的盐土以硫酸盐为主;南疆的盐土主要含有碳酸盐[1]。
1 盐渍土的形成环境及其分布特征1.1 盐渍土的形成环境在西北地区的不同地域,盐渍土的形成特点也有所差异。
西北地区盐渍土形成的共性主要是:(1)气候比较干燥,年降雨量小于蒸发量。
克榆高速公路所在区位于亚欧大陆中部,天山北麓,准噶尔盆地南部,古尔班通古特沙漠南缘,属典型的大陆性干旱半干旱气候,降雨稀少,蒸发强烈,蒸发量为降雨量的5~10倍以上,是我国最干旱的地区。
这类气候因子为土壤可溶性盐分的积累创造了先决条件。
(2)地下水位较高,矿化度高,有充分的盐分来源。
工作区属于呼图壁河塔西河、玛纳斯河等流域冲洪积平原区。
地貌单元为准噶尔盆地和古尔班通古特沙漠两大地貌单元。
山区降水和冰雪融水约有35%~45%入渗地下,并与地表径流一起流入盆内补给地下水。
盆地低洼地区成为地表、地下径流的汇水聚盐区。
从盆地周边至盆内中部土壤含盐量、含盐土层厚度和地下水溶解固体量均渐次增高,这种规律性在新疆的塔里木盆地、准噶尔盆地尤为明显。
盆地内部形成大陆盐化潜水和广布的盐渍土以及盐湖。
(3)有充足的地下水来源,毛细作用能达到地表或接近地表,有被蒸发作用影响的可能。
地表水河流为玛纳斯河,流入盆地后,河床变浅,水流流速较快,矿化度较低,属于内陆型河流,河水含盐量有逐步加大的趋势,但工作区气候干旱,蒸发量远大于降雨量,发育的灌溉系统加速了地表及地下盐分的转移与聚集速度。
据工程地质测绘和现场调查,每年春秋季公路两旁常有不同程度的积水,基本为不流水,矿化度高,为强微盐水[1]。
全线勘探深度范围内地下水属于潜水,在K115~ K204+500段,地下水埋深为1.0~2.5m,含水层厚度大于5m,水量丰富,水位变化幅度大,约0.3~1.5m,总之,上述诸因素的交叉和综合作用是盐渍土形成和广泛发育的原因。
1.2 盐渍土的分布特点从表1试验用土的取土深度中发现,本地区土中的易溶盐在纵向上主要集中在土层上部的范围内(0.1~ 0.5m),具有明显的表聚性,这是由于新疆地区处干旱地区,降雨量少而蒸发量大,路基底部的盐分在冬季降温时受温度梯度作用向路基顶部迁移;而本地区春秋两*收稿日期:2010 02 19基金项目:国家西部交通建设科技项目(200331879750)。
第一作者简介:张洪萍(1973 ),女(汉族),山东德州人,硕士,讲师,现从事特殊土的性状及工程应用的科研和教学工作。
季不明显,春季气温回升较快,盐分回落较慢,并在夏季受到高温的蒸腾作用影响,水分蒸发而盐分逐步积累在路基上层,甚至积聚在路面结构中,从而形成盐分垂直方向明显的表聚性,并以表层0~0.5m为甚[2]。
表1 散状土的取点处及深度取样点取样深度(m)取样量(kg)土样描述K174+300左35m0.15~0.50250K174+900左40m0.15~0.50250 K175+100左30m0.15~0.50250表层松软,粉土,土黄色,潮湿K175+800左35m0.15~0.50250K176+500左60m0.15~0.50250从表2易溶盐含量分析试验及表3的含盐类型中得知,该地区的盐渍土为弱盐渍土-中盐渍土,类型以氯(亚氯)盐渍土和中硫酸(亚)盐渍土为主。
在含盐的地下水或毛细水的迁移和受蒸发的过程中,因不同类型盐的溶解度不同,所以在盐渍土达到饱和盐分是以不同的次序先后析出,并呈现一定的规律性。
如碳酸钙因溶解度小最先析出,故埋藏较深;其次是硫酸钙,而硫酸钠只有在冬天温度较低时结晶析出,呈现季节性;硫酸镁和氯化钠的溶解度大,所以只有在特别干旱时,在强烈的地表蒸发下,浅层土中才有盐结晶析出。
同样易溶的氯化钠和氯化镁,因其有很强的吸湿性,所以只有在炽热的酷暑中,空气特别干燥时,才能从饱和的盐溶液中析出,但当空气的湿度增高时,就很快转变为溶液。
总之,盐渍土在纵向上的规律性是氯盐在地面附近的浅层处,其下是硫酸盐,碳酸盐在较深的土中(从表3中得知本地区的含量很少,可以不作为研究对象)[3]。
表2 盐渍土易溶盐含量分析表土样号取土深度(m)易溶盐含量百分比(%)易溶盐总量(%)CO2-3HCO-3Cl-SO2-4Ca2+M g2+K174+3000.15~0.500.320.0340.0290.4080.2300.0300.004 K174+9000.15~0.50 2.500.0170.0070.5170.1900.3300.220 K175+1000.15~0.50 2.030.0080.0400.4280.7400.3160.039 K175+8000.15~0.50 2.930.0270.0130.2400.5880.4300.180 K176+5000.15~0.50 4.270.0230.0070.574 1.0080.4090.074表3 盐渍土按含盐性质分类土样号Cl-/SO2-4盐渍土名称K162+3000.62弱亚硫酸盐K170+500 1.59弱亚氯盐K171+5000.58中亚硫酸盐K174+300 1.77弱亚氯盐K174+900 2.72弱亚氯盐K175+1000.58中亚硫酸盐K175+8000.41中亚硫酸盐K176+5000.57中亚硫酸盐K K177+3000.34弱亚硫酸盐K180+2100.60中亚硫酸盐2 盐渍土对公路及构筑物的危害盐渍土作为一种不同于一般土的特殊土,当在工程上被作为路基基底和填料时,表现出诸多的特殊性。
一是土中含有盐,尤其是易溶盐,它使土具有明显的腐蚀性,对建筑物基础和地下设施,构成一种较严酷的腐蚀环境,影响其耐久性和安全性。
盐渍土含盐量多,所以呈现不同的腐蚀特性和腐蚀等级。
主要分为两大类,一是化学腐蚀,即土中的盐与建筑材料发生反应而引起的破坏作用,此类盐多是以氯(亚氯)盐渍土。
这种盐结晶时体积不发生变化,因此对路基路面不会产生大的盐胀病害;二是物理结晶性腐蚀(又称为盐胀),即具有一定矿化度环境水,在毛细作用下,从潮湿一端进入墙体,由暴露在大气中的另一端蒸发,墙体孔隙中的溶液浓缩后结晶膨胀造成的建筑材料破坏。
本地区主要是以氯(亚氯)盐渍土和中硫酸(亚)盐渍土为主,两种盐对钢筋混凝土及路基的腐蚀破坏原理不同,氯(亚氯)盐渍土以化学腐蚀为主,而硫酸盐盐渍土则以物理结晶性腐蚀(盐胀)为主。
2.1 氯盐的腐蚀破坏作用本地区盐渍土中的氯盐大以NaCl为主,此外还有KCl、CaCl2、M gCl2、NH4C1等,全为易溶盐,溶解度很高,在水溶液中离解为Na+、Cl-。
Cl-对金属有强烈的腐蚀作用。
对钢筋混凝土而言,Cl-主要是渗透到混凝土中对其内钢筋产生腐蚀,钢筋锈蚀发展可使混凝土开裂、脱落,致使结构破坏。
C1-进入混凝土中引起钢筋锈蚀存在一个临界值!。
通常认为,进入混凝土中Cl-达到0.3~0.6kg/m3混凝土时,钢筋便开始生锈,当达到1.0kg/m3混凝土时,钢筋锈蚀程度可将混凝土层胀裂。
Cl-进入混凝土中速度除与混凝土质量有关外,主要取决于环境中Cl-的浓度。
在强盐渍土中,钢筋混凝土结构物(包括电线杆、预应力混凝土管等)可在2~5年内出现钢筋腐蚀破坏。
实践证明,在以氯盐为主的盐渍土地区,钢筋混凝土结构破坏的主导原因是Cl-引起的钢筋锈蚀。
在一定条件下,氯盐也能损害混凝土。
如在干湿交替的条件下,氯盐产生结晶腐蚀;在温度变化时,氯盐能产生晶变膨胀,即在低于-0.15∀时,NaCl将以NaCl #2H2O形式存在,自身膨胀30%,如果是在混凝土孔隙中,则能损伤混凝土的强度。
据悉,在受冻融循环作用时,含氯盐的混凝土易受破坏。
不过氯盐对混凝土的这种破坏形式较前一种对钢筋的腐蚀次之[4 5]。
2.2 硫酸盐的腐蚀破坏作用硫酸盐的腐蚀破坏作用,有别于氯盐,其主要破坏对象是混凝土本身。
虽然硫酸盐也对钢筋有腐蚀作用,但同等量的危害能力仅相当于氯盐的1/4。
硫酸盐与混凝土中的水泥水化物起化学反应,从而引起混凝土的微观或宏观破坏。
目前我国以硫酸盐为主的盐渍土地区,经常发生类似破坏,除建筑物外,还常见于混凝土道路、桥梁、机场等[5]。
此外,硫酸盐渗入混凝土中,在干湿交替的条件下,发生结晶(吸水)也能引起体积膨胀,称作结晶侵蚀。
当温度变化时,硫酸盐发生晶变,伴之以体积膨胀。
对于路基的破坏,主要是因为硫酸盐的性质是在结晶时会结合一定数量的水分子,体积增大,脱水时体积缩小,这个过程的反复作用,就会破坏土体结构,导致发生冻胀、盐胀、翻浆等病害,降低路面的稳定性。
3 盐渍土地区防护措施3.1 以氯盐为主的防护措施[5]由于以氯盐为主的盐渍土地区主要是Cl-引起的钢筋锈蚀,所以在对建筑材料进行防护时主要考虑它的化学腐蚀。
主要方法有:(1)最大限度地提高混凝土的密实性,如增加水泥用量,减少水灰比,加减水剂、密实剂等。
(2)钢筋阻锈剂。
(3)混凝土外涂层。
(4)其他特殊措施。
采用特种钢筋(如环氧涂层钢筋)、阴极保护等,因价格高,实施难度大,目前国内很少采用。
3.2 以硫酸盐为主的防护措施3.2.1 对混凝土的防护措施(1)最大限度地提高混凝土的密实性。
(2)采用抗硫酸盐水泥。
应该指出,抗硫酸盐水泥只能在一定程度上起作用(如SO2-4<6000mg/L视抗硫酸盐品种而定),较严酷的含硫酸盐盐渍土中,单靠此仍达不到耐久的目的,且抗硫酸盐水泥的其他性能不及普通水泥,价格也偏高。
