閻富杰

（鄭州污水凈化有限公司，河南 鄭州450000）

0 引 言

我國(guó)早期建設(shè)的市政混凝土污水輸送管道主要利用混凝土本身的防腐特性，設(shè)計(jì)合理的混凝土保護(hù)厚度及合理的混凝土抗?jié)B指標(biāo)，其中大多數(shù)管道沒有采用額外的防腐措施。但從已建的市政混凝土污水輸送管道來看，導(dǎo)致混凝土管道失效或臨近失效的一個(gè)重要的原因是管道內(nèi)部混凝土及鋼筋受到了嚴(yán)重的腐蝕（見圖1）。

圖1 某工程箱涵頂部及側(cè)壁腐蝕情況之實(shí)景

目前，確認(rèn)的鋼筋混凝土防腐有效的附加措施包括：鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋、陰極保護(hù)和鋼筋混凝土表面防護(hù)。其中，混凝土表面防護(hù)是最簡(jiǎn)單有效的措施。這種措施不僅能夠應(yīng)用于新建管道工程，也可以應(yīng)用于現(xiàn)有管道的修復(fù)工程。市政混凝土污水輸送管道的防腐涂層及防腐面層的開發(fā)成為研究的重點(diǎn)。

1 腐蝕機(jī)理

污水管道所處的環(huán)境，主要是污水管道內(nèi)部雨水、內(nèi)部污水、外部地下水及外部土壤對(duì)管道內(nèi)外的物理、化學(xué)及生物腐蝕，還包括載荷、溫度、爆炸、震動(dòng)、沖擊、沉降、地震、沖刷等的機(jī)械作用。市政混凝土污水輸送管道的腐蝕與其他混凝土建構(gòu)筑物的腐蝕相比有一個(gè)顯著的不同是，管道內(nèi)部會(huì)受到雨污水及污泥中微生物對(duì)混凝土的長(zhǎng)期腐蝕作用。

1.1 微生物作用

微生物作用對(duì)管道的腐蝕過程是自然界硫循環(huán)的一部分，該過程稱為生物硫酸腐蝕。污水在管道輸送過程中，污水中懸浮物逐漸堆積在管道底部形成污泥。污泥中的SO42-被硫酸鹽還原菌還原，生物化學(xué)反應(yīng)生成硫化氫。反應(yīng)中釋放出來的H2S氣體聚集到管道上部未填充水的空間與混凝土接觸。接著H2S又由于硫氧化菌的生物化學(xué)反應(yīng)生成硫酸。在硫酸的長(zhǎng)期腐蝕作用下，混凝土內(nèi)部鋼筋由于去鈍化而被破壞。而且硫酸鹽還原菌的存在會(huì)造成混凝土內(nèi)部pH值的下降，形成惡性循環(huán)。pH值越低，硫氧化菌的繁衍速度越快，甚至在pH值為1的環(huán)境中還能進(jìn)行繁殖。圖2為腐蝕機(jī)理示意圖[1]。

已建市政混凝土污水輸送管道的腐蝕情況，管道內(nèi)壁腐蝕呈以下特點(diǎn)：

（1）管道水氣分界面處及水位變化頻繁處比其他區(qū)域腐蝕更為嚴(yán)重。

（2）在相同的環(huán)境下，管道底部通常要比頂部、側(cè)壁腐蝕輕些，這是由于底部常年被污泥覆蓋，所處狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，所以腐蝕發(fā)展較慢[2]。

圖2 腐蝕機(jī)理示意圖

（3）水質(zhì)變化較大或水質(zhì)較差的管道比水質(zhì)較穩(wěn)定或水質(zhì)較好的管道腐蝕嚴(yán)重。

1.2 其他腐蝕作用

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在其他環(huán)境受到腐蝕的機(jī)理一樣，市政混凝土污水輸送管道同樣會(huì)受到管道內(nèi)部雨污水、外部地下水及土壤環(huán)境下的硫酸鹽腐蝕、氯離子腐蝕、酸性介質(zhì)腐蝕、碳化作用等。

污水中的硫酸鹽滲透進(jìn)混凝土的孔隙中，會(huì)與混凝土中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硫酸鹽與混凝土生成的產(chǎn)物遇水生成結(jié)晶，結(jié)晶物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致體積膨脹，從而在混凝土內(nèi)部形成膨脹應(yīng)力。一旦混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力超過混凝土粗細(xì)骨料與膠凝物的粘結(jié)力后就會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂現(xiàn)象，進(jìn)而形成由內(nèi)到外的剝蝕。污水中的SO42-與混凝土中Ca（OH）2形成CaSO4。另一方面，污水中的SO42-還會(huì)與混凝土中的水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫鋁酸鈣。硫鋁酸鈣含有31個(gè)結(jié)晶水，體積膨脹劇烈，約為原水化鋁酸鈣體積的2.5倍[3]。隨著硫酸鹽腐蝕作用的進(jìn)行，混凝土由于膨脹應(yīng)力，內(nèi)部顆粒間孔隙越來越多且間距越來越大，內(nèi)部的滲透性也隨之增大，因此污水中硫酸鹽或其他腐蝕物質(zhì)的入侵混凝土更加容易并且劇烈，從而形成惡性循環(huán)，加快了混凝土及混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。

污水中的氯離子自由擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部，運(yùn)動(dòng)到鋼筋表面就可以吸附在鋼筋表面上。由于氯離子具有較高的活性，可以與鋼筋的鈍化膜發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的鈍化膜逐層脫落，直到最終出現(xiàn)缺口，此處裸露出來的金屬就是一個(gè)活化的陽極，其他未脫落的區(qū)域?yàn)殛帢O，形成大陰極-小陽極的化學(xué)電池，陽極區(qū)的腐蝕電流很大，腐蝕速度很快，使得鈍化膜缺陷處形成一個(gè)腐蝕坑。

污水中的酸性介質(zhì)會(huì)造成混凝土內(nèi)部組成成分的堿性喪失，使得砂漿層粉化脫落。其機(jī)理是由于酸性介質(zhì)會(huì)使混凝土中大量的Ca（OH）2被其中和，導(dǎo)致內(nèi)部石灰堿度大幅降低，進(jìn)一步使得混凝土中水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣的分解。最終酸性介質(zhì)破壞了混凝土中的膠凝體，使得管道力學(xué)性能降低。污水污泥中微生物生成的H2S氣體與混凝土中Ca（OH）2生成易溶解的硫氫酸鈣會(huì)隨管道水流流失，從而使混凝土產(chǎn)生弱酸腐蝕。導(dǎo)致酸性介質(zhì)更容易與鋼筋接觸，鋼筋表面鈍化膜遭到破壞鋼筋生銹，鋼筋生銹后體積膨脹使得混凝土受膨脹應(yīng)力，混凝土進(jìn)一步開裂剝落。另外污水中的酸性介質(zhì)還會(huì)加速分解混凝土中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，破壞混凝土的凝膠體，使混凝土的強(qiáng)度降低。

管道中的二氧化碳通過孔隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部與氫氧化鈣等堿性物質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土堿性下降。新澆筑的混凝土內(nèi)部是呈堿性的，堿性環(huán)境能夠保護(hù)混凝土不受損壞。而且鋼筋混凝土中鋼筋在堿性環(huán)境內(nèi)和少量氧氣下，由于初始的電化學(xué)作用，會(huì)迅速生成一層致密的鈍化膜，保護(hù)鋼筋不受到腐蝕。但如果混凝土發(fā)生碳化，堿性下降，PH值降低，會(huì)讓鈍化膜的溶解速度大于生成速度，造成鈍化膜的破壞。鋼筋的鈍化膜一旦受到破壞，鋼筋極易被銹蝕。

2 混凝土管道內(nèi)防腐層

市政混凝土污水輸送管道中混凝土表面涂層和防腐面層防護(hù)的原理是降低污水腐蝕離子的滲透速率，達(dá)到隔絕或減輕污水腐蝕物質(zhì)對(duì)混凝土的作用。某些內(nèi)防腐層還可以減少微生物附著和抑制微生物的繁殖，減少微生物的腐蝕作用。根據(jù)混凝土管道內(nèi)防腐層的材料，混凝土管道內(nèi)防腐層可以分為三大類：有機(jī)涂料類、防腐砂漿類及防腐內(nèi)襯類。

2.1 有機(jī)涂料類

根據(jù)不用的有機(jī)材料，有機(jī)涂料類包括環(huán)氧涂料、聚氨酯涂料、聚脲彈性體涂料、丙烯酸乳膠漆、氟樹脂涂料、有機(jī)硅樹脂涂料、玻璃鱗片涂料等，其中應(yīng)用在市政混凝土污水輸送管道防腐材料最常見是聚氨酯涂料。

聚氨酯涂料應(yīng)用在市政混凝土污水輸送管道中具有以下優(yōu)點(diǎn)：聚氨酯涂料具有低透水性和低透氣性，以及優(yōu)異的耐腐蝕性；通過調(diào)節(jié)混合比例，可以將涂層制成剛性涂層或柔性涂層；還可與各種樹脂混合或改性制備各種聚氨酯防腐涂料；可以在低溫潮濕的環(huán)境下固化。其具有良好的機(jī)械性能，良好的水解穩(wěn)定性，抗生物污損性和耐溫性。

2.2 防腐砂漿類

在水泥砂漿中加入聚合物乳液改性砂漿之后，改善了水泥漿體之間的界面結(jié)合性能，兩者之間的粘結(jié)性能得到大幅度的提高。眾所周知，水泥漿體與粗細(xì)骨料之間的界面是砂漿中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦砂漿內(nèi)部受到應(yīng)力作用，極容易在該薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生裂紋。如果在砂漿中摻入聚合物改性，則水泥砂漿在凝結(jié)過程中，聚合物就會(huì)在水泥漿體與細(xì)骨料之間干燥成膜，使兩者之間的結(jié)合更加密實(shí)。加強(qiáng)水泥漿體與細(xì)骨料的結(jié)合得到的直接表現(xiàn)為：提高了水泥砂漿抗拉強(qiáng)度，改善了延伸性，從而減少了干縮裂縫的形成[4]。無機(jī)防腐砂漿是以無機(jī)防腐膠凝材料為主的預(yù)干混砂漿材料，工地現(xiàn)場(chǎng)加水混合后，通過機(jī)械泵送、噴涂到待保護(hù)結(jié)構(gòu)表面（見圖3）。一方面防腐砂漿可以減少污水腐蝕物質(zhì)與混凝土的直接接觸，從而提高管道的防腐性能得到提高。另一方面鋁酸鹽水泥具有抑制硫化菌生長(zhǎng)的作用，截?cái)嗔蛩岙a(chǎn)生來源。

圖3 防腐砂漿施工之實(shí)景

防腐砂漿類防腐的優(yōu)點(diǎn)是基層處理簡(jiǎn)單，施工方便；有足夠的施工厚度，容易保證施工質(zhì)量；并且防腐砂漿環(huán)保、無毒無味、施工環(huán)境安全健康。但是防腐砂漿延伸率較低，接口需要特殊處理；而且無機(jī)防腐砂漿表面粗糙，水頭損失較大且容易堆積污泥。

2.3 防腐內(nèi)襯類

內(nèi)襯類防腐設(shè)計(jì)可以采用內(nèi)襯PE、內(nèi)襯HDPE、內(nèi)襯玻璃鋼、內(nèi)襯PVC等材料，內(nèi)襯材料的防腐性能決定了整個(gè)混凝土管道的防腐性能。內(nèi)襯防腐材料通常具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，與混凝土管道有一定的粘結(jié)性，還具有高伸縮性。內(nèi)襯類防腐與管材一體預(yù)制成型，通過特殊的錨釘機(jī)械式地嵌入混凝上管內(nèi)壁，不易脫落（見圖4）。防腐內(nèi)襯類的機(jī)理是：首先，內(nèi)襯材料隔絕了污水腐蝕物質(zhì)與混凝土管道的直接接觸，有效地隔阻腐蝕液體滲透到鋼筋混凝土管中的鋼筋；其次，內(nèi)襯材料的低粗糙度，降低了管道中淤泥的堆積，也減少了微生物對(duì)內(nèi)壁的腐蝕作用。但是在現(xiàn)場(chǎng)施工中，可能會(huì)對(duì)管內(nèi)壁防腐片材造成損傷，需采用相應(yīng)的措施進(jìn)行成品保護(hù)。

圖4 內(nèi)襯HDPE混凝土管道及特殊錨釘設(shè)計(jì)之圖示

2.4 混凝土管道內(nèi)防腐層的選用

在選用混凝土管道內(nèi)防腐層類別時(shí)，首先根據(jù)污水管道工程自身的工程特點(diǎn)，考慮以下因素：

（1）根據(jù)管道的重要程度與運(yùn)營(yíng)期間檢修便利條件，確定需要的防腐年限及防腐性能；

（2）根據(jù)管道內(nèi)部環(huán)境封閉情況，確定需要的防腐材料VOC（可揮發(fā)有機(jī)物含量）及在潮濕環(huán)境下施工的特性；

（3）根據(jù)管道雨污水中顆粒物含量，確定需要的耐磨性能；

（4）根據(jù)管道的埋深及接口形式，確定需要的粘結(jié)強(qiáng)度；

（5）根據(jù)水質(zhì)情況及污泥堆積情況，確定需要的防腐涂料表面水阻與糙率系數(shù)。

明確所需要的防腐材料性能后，可以根據(jù)有機(jī)涂料類、防腐砂漿類及防腐內(nèi)襯類防腐材料的性能對(duì)比，確認(rèn)選用的防腐材料類別（見表1）。

表1 三類防腐材料對(duì)比表

3 結(jié) 論

（1）市政混凝土污水輸送管道的腐蝕與其他混凝土建構(gòu)筑物的腐蝕相比有一個(gè)顯著的不同是，污水輸送管道內(nèi)部腐蝕主要因素是受到雨污水及污泥中的微生物在長(zhǎng)期下對(duì)混凝土的腐蝕作用。

（2）從管道腐蝕的微生物作用、硫酸鹽腐蝕、氯離子腐蝕、酸性介質(zhì)腐蝕、碳化作用等腐蝕過程中可以看出，一旦管道腐蝕形成，都會(huì)形成惡性循環(huán)，使得腐蝕循環(huán)過程越來越快，越來越嚴(yán)重。在實(shí)際中，這幾種腐蝕是同時(shí)存在的，腐蝕物質(zhì)疊加腐蝕的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

（3）混凝土表面涂層和防腐面層防護(hù)的原理是降低污水腐蝕離子的滲透速率，達(dá)到隔絕或減輕污水腐蝕物質(zhì)對(duì)混凝土的作用，提高形成腐蝕惡性循環(huán)的閾值。