市政混凝土污水輸送管道內部腐蝕及防腐的研究

閻富杰

（鄭州污水凈化有限公司，河南 鄭州450000）

0 引 言

我國早期建設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，設計合理的混凝土保護厚度及合理的混凝土抗?jié)B指標，其中大多數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，導致混凝土管道失效或臨近失效的一個重要的原因是管道內部混凝土及鋼筋受到了嚴重的腐蝕（見圖1）。

圖1 某工程箱涵頂部及側壁腐蝕情況之實景

目前，確認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、陰極保護和鋼筋混凝土表面防護。其中，混凝土表面防護是最簡單有效的措施。這種措施不僅能夠應用于新建管道工程，也可以應用于現有管道的修復工程。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。

1 腐蝕機理

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

1.1 微生物作用

微生物作用對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，生物化學反應生成硫化氫。反應中釋放出來的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反應生成硫酸。在硫酸的長期腐蝕作用下，混凝土內部鋼筋由于去鈍化而被破壞。而且硫酸鹽還原菌的存在會造成混凝土內部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)境中還能進行繁殖。圖2為腐蝕機理示意圖[1]。

已建市政混凝土污水輸送管道的腐蝕情況，管道內壁腐蝕呈以下特點：

（1）管道水氣分界面處及水位變化頻繁處比其他區(qū)域腐蝕更為嚴重。

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

圖2 腐蝕機理示意圖

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

1.2 其他腐蝕作用

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

污水中的硫酸鹽滲透進混凝土的孔隙中，會與混凝土中的某些成分發(fā)生化學反應。硫酸鹽與混凝土生成的產物遇水生成結晶，結晶物質會導致體積膨脹，從而在混凝土內部形成膨脹應力。一旦混凝土內部產生的膨脹應力超過混凝土粗細骨料與膠凝物的粘結力后就會導致混凝土開裂現象，進而形成由內到外的剝蝕。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-還會與混凝土中的水化鋁酸鈣發(fā)生化學反應，生成硫鋁酸鈣。硫鋁酸鈣含有31個結晶水，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行，混凝土由于膨脹應力，內部顆粒間孔隙越來越多且間距越來越大，內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部鋼筋的銹蝕。

污水中的氯離子自由擴散進入混凝土內部，運動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，反應后的鈍化膜逐層脫落，直到最終出現缺口，此處裸露出來的金屬就是一個活化的陽極，其他未脫落的區(qū)域為陰極，形成大陰極-小陽極的化學電池，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腐蝕坑。

污水中的酸性介質會造成混凝土內部組成成分的堿性喪失，使得砂漿層粉化脫落。其機理是由于酸性介質會使混凝土中大量的Ca（OH）2被其中和，導致內部石灰堿度大幅降低，進一步使得混凝土中水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣的分解。最終酸性介質破壞了混凝土中的膠凝體，使得管道力學性能降低。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隨管道水流流失，從而使混凝土產生弱酸腐蝕。導致酸性介質更容易與鋼筋接觸，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力，混凝土進一步開裂剝落。另外污水中的酸性介質還會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，使混凝土的強度降低。

管道中的二氧化碳通過孔隙進入到混凝土內部與氫氧化鈣等堿性物質反應，導致混凝土堿性下降。新澆筑的混凝土內部是呈堿性的，堿性環(huán)境能夠保護混凝土不受損壞。而且鋼筋混凝土中鋼筋在堿性環(huán)境內和少量氧氣下，由于初始的電化學作用，會迅速生成一層致密的鈍化膜，保護鋼筋不受到腐蝕。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的原理是降低污水腐蝕離子的滲透速率，達到隔絕或減輕污水腐蝕物質對混凝土的作用。某些內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。根據混凝土管道內防腐層的材料，混凝土管道內防腐層可以分為三大類：有機涂料類、防腐砂漿類及防腐內襯類。

2.1 有機涂料類

根據不用的有機材料，有機涂料類包括環(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、有機硅樹脂涂料、玻璃鱗片涂料等，其中應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。

聚氨酯涂料應用在市政混凝土污水輸送管道中具有以下優(yōu)點：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合性能，兩者之間的粘結性能得到大幅度的提高。眾所周知，水泥漿體與粗細骨料之間的界面是砂漿中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦砂漿內部受到應力作用，極容易在該薄弱環(huán)節(jié)產生裂紋。如果在砂漿中摻入聚合物改性，則水泥砂漿在凝結過程中，聚合物就會在水泥漿體與細骨料之間干燥成膜，使兩者之間的結合更加密實。加強水泥漿體與細骨料的結合得到的直接表現為：提高了水泥砂漿抗拉強度，改善了延伸性，從而減少了干縮裂縫的形成[4]。無機防腐砂漿是以無機防腐膠凝材料為主的預干混砂漿材料，工地現場加水混合后，通過機械泵送、噴涂到待保護結構表面（見圖3）。一方面防腐砂漿可以減少污水腐蝕物質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的作用，截斷硫酸產生來源。

圖3 防腐砂漿施工之實景

防腐砂漿類防腐的優(yōu)點是基層處理簡單，施工方便；有足夠的施工厚度，容易保證施工質量；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 防腐內襯類

內襯類防腐設計可以采用內襯PE、內襯HDPE、內襯玻璃鋼、內襯PVC等材料，內襯材料的防腐性能決定了整個混凝土管道的防腐性能。內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性，還具有高伸縮性。內襯類防腐與管材一體預制成型，通過特殊的錨釘機械式地嵌入混凝上管內壁，不易脫落（見圖4）。防腐內襯類的機理是：首先，內襯材料隔絕了污水腐蝕物質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，也減少了微生物對內壁的腐蝕作用。但是在現場施工中，可能會對管內壁防腐片材造成損傷，需采用相應的措施進行成品保護。

圖4 內襯HDPE混凝土管道及特殊錨釘設計之圖示

2.4 混凝土管道內防腐層的選用

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

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

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

（3）根據管道雨污水中顆粒物含量，確定需要的耐磨性能；

（4）根據管道的埋深及接口形式，確定需要的粘結強度；

（5）根據水質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。

明確所需要的防腐材料性能后，可以根據有機涂料類、防腐砂漿類及防腐內襯類防腐材料的性能對比，確認選用的防腐材料類別（見表1）。

表1 三類防腐材料對比表

3 結 論

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

（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，都會形成惡性循環(huán)，使得腐蝕循環(huán)過程越來越快，越來越嚴重。在實際中，這幾種腐蝕是同時存在的，腐蝕物質疊加腐蝕的機理還需進一步研究。

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