預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的多重防腐蝕措施

何慶坤　邢士波　李同華

1.引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是一種將高強(qiáng)度鋼絲的抗拉，鋼板的抗?jié)B，混凝土的抗壓，結(jié)合到一起的一種復(fù)合管材，是在1983年由法國(guó)的邦納公司研制的。它不僅具有鋼筋混凝土的耐腐蝕性特點(diǎn)及對(duì)水質(zhì)污染小的特點(diǎn)，而且具有鋼管的抗?jié)B及高強(qiáng)度的特點(diǎn)。是一種被廣泛應(yīng)用的高品質(zhì)輸水管材。我們國(guó)家于20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)、生產(chǎn)該種管材。被廣泛應(yīng)用于跨區(qū)域輸水，市政給排水、電力系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)具有代表性的大型調(diào)水工程有：遼寧大伙房調(diào)水工程、萬家寨取水工程、南水北調(diào)工程等。目前PCCP根據(jù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行劃分，主要分為：內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。

2.PCCP的腐蝕

PCCP作為輸水管道，其功能及材質(zhì)的特性決定了其長(zhǎng)期處于地下，與地下水、土壤、微生物等介質(zhì)長(zhǎng)期接觸。其發(fā)生的腐蝕因其長(zhǎng)期隱蔽于地下而不易被人們察覺，其腐蝕具有腐蝕速度較慢、一旦腐蝕破壞后果嚴(yán)重的特點(diǎn)。PCCP的腐蝕主要分為兩種類型的腐蝕，一種是混凝土的腐蝕破壞，另一種是金屬的腐蝕破壞。混凝土是一種具有多空隙的結(jié)構(gòu)，當(dāng)水、CO2等介質(zhì)跑到這些空隙中時(shí)，就會(huì)與混凝土中所含有的Ca（OH）2進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生體積更大的CaCO3從而膨脹產(chǎn)生裂紋，此外鹽堿土壤中含有大量的Mg2+離子，當(dāng)Mg2+在一定條件下可與Ca（OH）2發(fā)生發(fā)應(yīng)生成無凝膠能力的Mg（OH）2，也會(huì)造成混凝土的腐蝕破壞。PCCP產(chǎn)生破壞的最主要原因是其中金屬材料的腐蝕破壞，包括預(yù)應(yīng)力鋼絲的腐蝕、鋼筒的腐蝕、及承插口的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是造成金屬腐蝕的主要原因，包括宏電池腐蝕和微電池腐蝕。宏電池腐蝕是由于管線較長(zhǎng)，不同區(qū)域土壤性質(zhì)不一，長(zhǎng)區(qū)域范圍內(nèi)存在較大的電位差，從而形成宏腐蝕電池，腐蝕原理如下：

PCCP管表面埋地土壤環(huán)境是腐蝕微電池強(qiáng)弱的主要影響因素。Cl-離子是造成金屬出現(xiàn)腐蝕的最主要原因之一，正常情況下，鋼筒及鋼絲表面有一層致密的氧化膜，此氧化膜阻止了腐蝕的進(jìn)行，當(dāng)Cl-離子透過PCCP外層的混凝土層接觸到金屬時(shí)，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會(huì)與未腐蝕的部分形成腐蝕電池，從而加速了腐蝕的進(jìn)行，造成管材的破壞。

3.PCCP防腐蝕的多重措施

PCCP作為一種混凝土、鋼絲、鋼筒等材質(zhì)組成的復(fù)合型管材，鋼絲對(duì)混凝進(jìn)行了強(qiáng)化，混凝土對(duì)鋼絲進(jìn)行了包覆，減少了鋼絲鋼筒與腐蝕介質(zhì)的接觸，其結(jié)構(gòu)類型本身就是一種防腐蝕的設(shè)計(jì)。但是由于PCCP管的設(shè)計(jì)年限一般都超過50年，如果只靠鋼筋混凝土本身很難達(dá)到設(shè)計(jì)年限50年以上的要求而不產(chǎn)生破壞。針對(duì)PCCP特點(diǎn)，對(duì)PCCP針對(duì)性的采取了以下防腐蝕措施。

（1）陰極保護(hù)。陰極保護(hù)是一種被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土防護(hù)的防腐蝕技術(shù)，于20世紀(jì)90年代中期被應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)，又被稱為陰極防護(hù)。其工作原理是向混凝土內(nèi)部的金屬（鋼筋、鋼筒等）施加陰極電流，在外加電流的作用下，金屬表面發(fā)生陰極極化，形成了一種鈍化狀態(tài)，從而抑制了腐蝕的發(fā)生。相關(guān)研究表明，對(duì)于造成金屬腐蝕的最要因素Cl-離子，陰極保護(hù)可以起到很好的抑制作用，陰極保護(hù)可以阻止Cl-離子向金屬表面的移動(dòng)，陰極保護(hù)并不是電流越大越好，過大點(diǎn)電流會(huì)會(huì)導(dǎo)致金屬特別是預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生氫脆，電流過小，則起不到很好的保護(hù)作用。因此在進(jìn)行陰極保護(hù)的過程中，要根據(jù)每段工程的實(shí)際情況，進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，選擇合適的陰極保護(hù)參數(shù)。（2）涂層保護(hù)。混凝土的多空隙結(jié)構(gòu)形式，不可避免的腐蝕介質(zhì)可以通過這些空隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，對(duì)里面的預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼筒造成腐蝕，產(chǎn)生腐蝕破壞。為了阻擋PCCP外部土壤中的腐蝕介質(zhì)進(jìn)入到PCCP內(nèi)部造成腐蝕。通常采用在混凝土外部的砂漿保護(hù)層上噴涂涂料，形成一個(gè)隔離層，阻止各種介質(zhì)進(jìn)入到混凝土中，避免混凝土的破壞和金屬的腐蝕。這就要求這種涂料具有較好的耐腐蝕性、耐水性、壽命長(zhǎng)久、附著力強(qiáng)等性能。常用的品種有：水溶性環(huán)氧、聚氨酯、環(huán)氧煤瀝青等。涂層一方面對(duì)管材進(jìn)行了保護(hù)，另一方面也對(duì)剛才存在的缺陷進(jìn)行了遮擋。（3）內(nèi)襯保護(hù)。Gerwick等人最早提出了通過混凝土管內(nèi)壁做PVC襯層的防腐方式，隨后，科研工作者提出了多種內(nèi)襯保護(hù)形式。其一是在混凝土管芯澆筑前，將帶有T型鍵或者菱形鍵的PVC片材通過預(yù)焊做成筒狀，然后套至PCCP澆筑內(nèi)模上，澆筑混凝土形成內(nèi)襯PVC襯層的管芯，從而通過此種管芯制作成具有很好內(nèi)防腐性能的內(nèi)襯PVC管。此種防腐蝕方式具有施工方式簡(jiǎn)易、原料相對(duì)低廉，抗?jié)B性好、材料穩(wěn)定諸多優(yōu)點(diǎn)。（4）承插口噴鍍鋅合金保護(hù)。根據(jù)原電池原理分析表明：Zn的電位為-0.763mV，F(xiàn)e的電位為-0.440mV，O的電位是1.4mV，因此電化學(xué)位差相對(duì)更大的鋅氧之間更容易形成原電池，因此當(dāng)在承插口表面噴涂鋅合金時(shí)，就會(huì)對(duì)鋼承插口形成很好的防腐蝕保護(hù)作用。此外，土壤環(huán)境中，鋅會(huì)與土壤中的碳酸鹽物質(zhì)反應(yīng)形成不溶性的碳酸鋅化合物，從而在金屬鋅表面形成一層致密養(yǎng)護(hù)膜，阻止腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。（5）其它防腐蝕措施。PCCP作為一種復(fù)合型管材，其結(jié)構(gòu)的多樣、安裝地土壤環(huán)境的多樣性導(dǎo)致了PCCP的腐蝕原因的多樣性，土壤環(huán)境的酸堿度、含水率、離子含量等多種因素都會(huì)對(duì)PCCP造成不同的腐蝕影響，這就需要針對(duì)不同的使用環(huán)境及安裝環(huán)境進(jìn)行PCCP的防腐蝕設(shè)計(jì)。其它的防腐蝕設(shè)計(jì)有在保護(hù)砂漿中添加鋼絲防銹劑，減緩鋼絲的修飾速度；采取措施改變管道外部的土壤環(huán)境；采用環(huán)氧樹脂涂層的方法進(jìn)行防腐等多種方式。

4.PCCP管防腐還存在的問題

對(duì)于埋地的PCCP，鋼材的防腐往往是人們關(guān)注的地方，而忽視了對(duì)混凝土腐蝕的考慮。金屬外表面的混凝土層使鋼絲、鋼筒與外部環(huán)境處于一種隔絕狀態(tài)，并且其堿性環(huán)境使金屬表面鈍化，更有效的保護(hù)金屬免受腐蝕。然而在一些特殊土壤環(huán)境中，混凝土也會(huì)發(fā)生侵蝕、粉解，特別是鋼絲外層的砂漿保護(hù)層，如若破壞，就會(huì)至使預(yù)應(yīng)力鋼絲裸露于環(huán)境之中，加速鋼絲的腐蝕，最終導(dǎo)致管體的破壞、失效。

總結(jié)

PCCP作為輸水管道在國(guó)內(nèi)已得到了廣泛的使用，在二十多年的使用過程中，不乏出現(xiàn)爆管的報(bào)道出現(xiàn)，如何確保其經(jīng)濟(jì)性又同時(shí)確保其安全性，成為了科研工作者不斷研究的方向，而做好管道的防腐保護(hù)就是確保其長(zhǎng)久性的關(guān)鍵所在。這就要求從業(yè)人員通過不斷的開發(fā)、改進(jìn)PCCP的防腐工藝、提高其產(chǎn)品性能，延長(zhǎng)使用壽命，PCCP必將為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)民生活水平提高做出更大貢獻(xiàn)。

（作者單位：山東龍泉管道工程股份有限公司）

作者簡(jiǎn)介

何慶坤，男，1988年生，漢族，碩士學(xué)歷，莒縣人，山東龍泉管道工程股份有限公司新材料工程技術(shù)研究院院長(zhǎng)助理。