１海洋工程地質(zhì)特性
海洋淺層土質(zhì)主要由全新世犙ｍ４海相沉積淤泥及淤泥質(zhì)土組成。從淺層軟土的分布規(guī)律來看，杭州灣南岸表層覆蓋有６～８ｍ厚的亞砂土層，其下為厚達(dá)４０ｍ左右淤泥和淤泥質(zhì)黏土，基本物理力學(xué)性質(zhì)為含水率ω約４７％，重度γ約１７ｋＮ／ｍ３，孔隙比犲約１．３３，液性指數(shù)犐Ｌ約１．１４，壓縮系數(shù)犪約０．６４ＭＰａ－１，壓縮模量犈Ｓ約４ＭＰａ，內(nèi)摩擦角φ約３．９°，黏聚力犮值約２７ｋＰａ［３］。而寧波象山港公路大橋施工區(qū)域的海底表層則以海洋相沉積的灰色、灰黃淤泥及淤泥質(zhì)土為主，壓縮性高，強(qiáng)度低，地基承載力特征值犳ａ一般在４０～６０ｋＰａ，且靈敏度相當(dāng)高，犛ｔ達(dá)５～８，土層豎向滲透系數(shù)犽ｖ相當(dāng)小，總厚度為３０ｍ左右（表１）。舟山金塘漁港碼頭之圍海工程，為淤泥質(zhì)黏土。實(shí)測土樣取樣深度８～１０ｍ。ｐＨ值、Ｃｌ－和ＳＯ２－４含量是根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（ＪＴＧＥ４０－２００７）測定，ｐＨ值采用酸度計，Ｃｌ－和ＳＯ２－４分別采用硝酸銀滴定法和質(zhì)量法，增加的硫酸鹽還原菌測試項目參照《工業(yè)循環(huán)冷卻水中菌藻的測定方法》（ＧＢ／Ｔ１４６４３．５－２００９）之ＭＰＮ法。測試結(jié)果表明（表２），海相淤泥質(zhì)黏土層除了鹽堿成分較高外，還有值得充分重視的硫酸鹽還原菌個數(shù)。因此氯鹽、硫酸鹽含量及厭氧的硫酸鹽還原菌對地基基礎(chǔ)的腐蝕性值得重視。不過，不同土樣檢測（試管陽性結(jié)果與ＳＲＢ計數(shù)）顯示，硫酸鹽還原菌并非普遍存在（表３）。
２海洋淤泥質(zhì)土對結(jié)構(gòu)鋼材的腐蝕
海底沉積物腐蝕性評價指標(biāo)，一般認(rèn)為主要有土體類別、視電阻率、ｐＨ值、氧化還原電位犈ｈ、極化電流密度、質(zhì)量損失、Ｆｅ３＋／Ｆｅ２＋、有機(jī)質(zhì)等，而Ｃｌ－和ＳＯ２－４含量以及厭氧的硫化物和硫酸鹽還原菌指標(biāo)則是影響鋼材腐蝕主要因素。
２.１腐蝕電池的作用過程
陽極金屬Ｍｅ被氧化腐蝕溶解，以陽離子形式遷移到溶液（電解液）中，同時把當(dāng)量的電子留在金屬上（式１）；電子ｅ通過金屬本身從陽極遷移到陰極；溶液中的陽離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)，溶液中的陰離子從陰極區(qū)遷移到陽極區(qū)；從陽極遷移到陰極電子ｅ被陰極去極化劑Ｄ吸收并發(fā)生還原反應(yīng)（化學(xué)價降低）（式２）。［狀ｅ·Ｍｅｎ＋］（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）→［Ｍｅｎ＋］·Ｈ２Ｏ（ａｑ）＋［狀ｅ］（Ｍ）（１）Ｄ＋［狀ｅ］（Ｍ）→［Ｄ·狀ｅ］（２）顯然，當(dāng)陽極區(qū)的金屬離子濃度過高積累，那么陽極電位將正移而產(chǎn)生活化極化，除此之外，產(chǎn)生陽極極化還可能是金屬離子擴(kuò)散不暢的濃差極化，以及鈍化膜產(chǎn)生的電阻極化。類似地，如果陰極區(qū)與電子結(jié)合的速度跟不上，可使陰極電位負(fù)移而產(chǎn)生陰極活化極化，同時陰極附近參與反應(yīng)的物質(zhì)或反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散緩慢，將產(chǎn)生陰極濃差極化。對于海洋淤泥質(zhì)土而言，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕可能的陽極去極化反應(yīng)是穿透力極強(qiáng)的Ｃｌ－對鋼鐵鈍化膜破壞的電阻去極化（式３）；可能的陰極區(qū)極化反應(yīng)氫離子和氧分子的陰極還原反應(yīng)（式４和式５）。Ｆｅ３＋（ｓ）＋３Ｃｌ－（ａｑ）→ＦｅＣｌ３（ｓ）（３）２Ｈ＋（ａｑ）＋２ｅ（Ｍ）→Ｈ２（ｇ）（４）Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ２Ｏ（ｌ）＋４ｅ（Ｍ）→４ＯＨ－（ａｑ）（５）因?yàn)闅潆姌O的標(biāo)準(zhǔn)電極電位犈Ｈ＝－０．４１４Ｖ，發(fā)生析氫腐蝕的必要條件是該金屬電極電位必須低于這個值，因此對于鋼鐵而言一般只在酸性介質(zhì)中才發(fā)生析氫腐蝕，這在無工業(yè)污染的海洋淤泥質(zhì)土中不可能。比較而言，在中性溶液中氧的還原電位為＋０．８０５Ｖ，因此吸氧腐蝕應(yīng)該是更為重要和具有可能性（式５至式８）。２Ｆｅ（ｓ）＋Ｏ２（ｇ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）＝２Ｆｅ（ＯＨ）２（ｓ）（６）４Ｆｅ（ＯＨ）２（ｓ）＋Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ２Ｏ（ｌ）＝４Ｆｅ（ＯＨ）３（ｓ）（７）２Ｆｅ（ＯＨ）３（ｓ）＝Ｆｅ２Ｏ３·ｘＨ２Ｏ＋（３－ｘ）Ｈ２Ｏ（ｌ）（８）雖然，海水中氧氣溶解充分，特別是２０ｍ深的范圍內(nèi)幾乎含氧飽和，但海泥區(qū)是貧氧的，因此可以推斷海洋淤泥質(zhì)土中的鋼結(jié)構(gòu)的吸氧腐蝕會止于陰極極化作用，即使有繼續(xù)也將是極其緩慢的。
２.２淤泥質(zhì)土中硫酸鹽還原菌的腐蝕
文獻(xiàn)顯示［４］，鋼結(jié)構(gòu)在海底淤泥質(zhì)土中遭受生物腐蝕，地下金屬的損壞因生物腐蝕引起的約占８０％，其中最主要的是硫酸鹽還原菌（ＳｕｌｆａｔｅＲｅｄｕｃｉｎｇＢａｃｔｅｒｉａ，ＳＲＢ）引起的腐蝕。其腐蝕機(jī)理是：ＳＲＢ在生長和繁殖中，可將ＳＯ４２－還原成Ｈ２Ｓ（ＳＲＢ引起的陰極去極化），而Ｈ２Ｓ具有強(qiáng)腐蝕性，它與Ｆｅ及Ｆｅ２＋生成ＦｅＳ。隨著ＳＲＢ數(shù)量增多，Ｈ２Ｓ含量上升，由ＦｅＳ轉(zhuǎn)化為ＦｅＳ１－ｘ，既而又轉(zhuǎn)化為Ｆｅ１－ｘＳ。硫化物Ｆｅ１－ｘＳ結(jié)構(gòu)疏松，容易脫落。所以ＳＲＢ既有陰極去極化作用，又具有陽極去極化作用，加速了鋼材的腐蝕。４Ｆｅ＋ＳＯ４２－＋４Ｈ２Ｏ＝ＦｅＳ＋３Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ＯＨ－（９）微生物ＳＲＢ對鋼材腐蝕的電化學(xué)過程產(chǎn)生的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①直接影響金屬腐蝕的陽極和陰極反應(yīng)；②影響金屬所處腐蝕環(huán)境的狀況。代謝產(chǎn)生的無機(jī)酸、有機(jī)酸、硫化物等，增強(qiáng)了環(huán)境的腐蝕性，為金屬表面氧濃差局部腐蝕電池等微觀腐蝕電池的形成創(chuàng)造了條件；③影響金屬表面的狀況和性質(zhì)。如產(chǎn)生沉淀物，破壞金屬表面或金屬表面保護(hù)性的覆蓋層。因此，至少在理論上可以認(rèn)為，海底淤泥質(zhì)土中ＳＲＢ腐蝕評價是工程地質(zhì)勘察中不可或缺的項目，不應(yīng)該被忽略。為此，設(shè)計了下列試驗(yàn)，旨在探討貧氧條件下，在可能ＳＲＢ存在條件下的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕風(fēng)險。
３試驗(yàn)與結(jié)果分析
３.１原狀軟土中鋼筋腐蝕電位試驗(yàn)與分析
選�。斗N象山港公路大橋海底不同深度軟土土層作為實(shí)驗(yàn)對象（表４，取樣地點(diǎn)：ＳＺＫ２０－２）。試樣高度為３０ｃｍ，直徑為１０ｃｍ。選取直徑為１０ｍｍ的Ｑ２３５（ＨＰＢ２３５）光圓鋼筋作為實(shí)驗(yàn)鋼筋，選擇高耐蝕性不銹鋼作為參比電極。將實(shí)驗(yàn)鋼筋與參比電極置于淤泥質(zhì)土中（圖１和圖２），為防止參比電極自身電位不同導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)差異，將６組實(shí)驗(yàn)參比電極串聯(lián)。兩極電極進(jìn)入土中后，將導(dǎo)線孔用環(huán)氧樹脂密封。在埋置于淤泥質(zhì)土中的鋼筋與參比電極進(jìn)行短接之前，因自身電化學(xué)性能不同會有各自的腐蝕極化曲線，短接后通過高阻抗電位計，得到兩者之間的宏電池腐蝕電位。試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖３），從上述曲線分析，腐蝕電位隨土層深度不同變化較大。土樣１～３相對陰極極化電位有極化特征，土樣４～６無顯著極化特征。
３.２陽極極化試驗(yàn)與分析
陽極極化試驗(yàn)還是采用６種象山港公路大橋海底土樣，具體同４．１所述，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置及原理見圖４和圖５。試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖６），除了土樣１和土樣５，其他土樣明顯具有陽極極化特征。土樣氧化還原電位（ｓｏｉｌｒｅｄｏｘｐｏｔｅｎｔｉａｌ）是指土樣中的氧化態(tài)物質(zhì)和還原態(tài)物質(zhì)在氧化還原電極（本試驗(yàn)為硫酸銅電極）上達(dá)到平衡時的電極電位，是反映土樣氧化還原狀況的重要指標(biāo)土樣氧化還原電位的高低，取決于土樣液中氧化態(tài)和還原態(tài)物質(zhì)的相對濃度，氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，電位越低，氧化性越弱［５－６］。雖然腐蝕電位不能表征腐蝕速率，只有腐蝕電流密度才能評價材料的腐蝕速率，而且腐蝕電位與腐蝕速度沒有必然的聯(lián)系，不過腐蝕電位是個熱力學(xué)參數(shù)，能夠表征腐蝕趨勢。綜合上述兩個試驗(yàn)，土樣５的陰陽兩極均無極化產(chǎn)生，具備了產(chǎn)生腐蝕的必要條件。
４結(jié)論
（１）一般只在酸性介質(zhì)中鋼鐵才發(fā)生析氫腐蝕，而無工業(yè)污染的南海三沙海洋淤泥質(zhì)土中的鋼結(jié)構(gòu)不可能發(fā)生這種腐蝕。（２）由于軟土海泥區(qū)屬于貧氧環(huán)境，因此海洋淤泥質(zhì)土中的鋼結(jié)構(gòu)的吸氧腐蝕會止于陰極極化作用，即使有繼續(xù)腐蝕，在工程級別上也是可以忽略的。（３）海底軟土淤泥質(zhì)土中ＳＲＢ對于貧氧環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)（鋼管樁、混凝土管裝鋼接頭等）具有腐蝕風(fēng)險，因此ＳＲＢ腐蝕評價在三沙市海洋工程建設(shè)的地質(zhì)勘察中是不可或缺的，該檢測項目應(yīng)該列入國家標(biāo)準(zhǔn)。
