預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管砂漿保護(hù)層防腐性能研究

□卞智遠(yuǎn)

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局）

1 概述

與所有埋地型管材相同，PCCP 需要埋設(shè)在地面以下，PCCP管道的腐蝕與管體周圍土壤的類別、土壤中含鹽腐蝕性介質(zhì)的種類和數(shù)量、以及侵蝕介質(zhì)與保護(hù)層水泥砂漿材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的形式與特征休戚相關(guān)，不同的地層巖性對(duì)PCCP的腐蝕性存在著較大差異。按照中國(guó)學(xué)者馬孝軒的分類，中國(guó)土壤可分成中堿性土壤、酸性土壤、內(nèi)陸鹽土及濱海鹽土四大類。

1.1 中堿性土壤

主要分布在中國(guó)中原、華北、東北等地區(qū)，土壤的pH值在7.00～8.50，SO4 離子含量占土壤重量的0.05×10-1%～0.45×10-1%，Cl 離子含量占土壤的重量的0.02×10-1%～0.12×10-1%，Mg離子含量占土壤重量的0.01×10-1%～0.02×10-1%。該類土壤對(duì)PCCP 的腐蝕甚微，屬弱腐蝕，少量為中等腐蝕。除極少數(shù)地區(qū)土壤的腐蝕介質(zhì)濃度超過(guò)"閥值"需作附加防腐措施外，如果管材質(zhì)量（尤其是保護(hù)層質(zhì)量）符合國(guó)標(biāo)要求、管線設(shè)計(jì)正確、施工科學(xué)，絕大多數(shù)情況，埋設(shè)在中堿性土壤中的PCCP管道無(wú)須作任何附加防腐措施即可滿足安全使用50 a的要求。

1.2 酸性土壤

分布在中國(guó)南方各省的磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤等均屬酸性土壤類別。土壤的PH 值在4.00～6.50，SO4離子含量占土壤重量的0.08×10-1%～0.22×10-1%，Cl 離子含量占土壤重量的12%左右。該類土壤對(duì)PCCP 的腐蝕主要為分解性腐蝕，在廣東東部（如深圳、惠州地區(qū)），由于地下強(qiáng)透水層發(fā)達(dá)，有利于地下水的流通，也有利于腐蝕產(chǎn)物的生成和流失，對(duì)埋地混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕就會(huì)同時(shí)有溶出性和分解性兩類腐蝕，都屬中等腐蝕。然而由于PCCP管材保護(hù)層的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度很高，且單位水泥用量也高，Ca 離子的含量高，Ca（OH）2不易溶出，因此，發(fā)生溶出性與分解性腐蝕的可能很小，可以不予考慮。

1.3 內(nèi)陸鹽土

新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙等地區(qū)的土壤類別屬內(nèi)陸鹽土，土壤剖面的中、下部形成明顯的鹽積層，在鹽積層中易溶鹽含量超過(guò)50%～60%，土壤的PH 值在8.00～9.50 之間，SO4離子的含量最高可達(dá)土壤重量的1.43%，Cl 離子的含量高達(dá)0.82%，Mg離子的含量可達(dá)0.62%。此類土壤對(duì)PCCP保護(hù)層水泥砂漿會(huì)產(chǎn)生極嚴(yán)重的膨脹性腐蝕破壞，屬?gòu)?qiáng)腐蝕或極強(qiáng)腐蝕性。

1.4 濱海鹽土

沿海地區(qū)，如：天津地區(qū)、浙江舟山等沿海地區(qū)、江蘇連云港、鹽城沿海地區(qū)等地的土壤屬濱海鹽土。其土壤中的腐蝕因子主要為氯化物和硫酸鹽，還含有大量的碳酸鹽和鎂鹽。該類土壤的PH值在7.50～8.50之間，Cl離子的含量占土壤重量一般在2.62%左右，SO4離子一般約0.28%，屬?gòu)?qiáng)腐蝕或極強(qiáng)腐蝕性。

濱海鹽土對(duì)埋地PCCP管道的腐蝕主要是氯鹽對(duì)PCCP中預(yù)應(yīng)力鋼絲的銹蝕和硫酸鹽對(duì)保護(hù)層水泥砂漿的膨脹性破壞。由于氯離子的濃度比硫酸鹽的濃度高，一方面會(huì)快速破壞鋼絲表面的鈍化膜，另一方面還會(huì)對(duì)硫酸鹽的腐蝕具有一定的抑制作用，因此，主要的腐蝕因子是土壤中的氯離子，鑒此，埋設(shè)在此類土壤中的PCCP管道必須施加以陰極保護(hù)為主、外涂層為輔的附加防腐措施，才能確保管道的長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

PCCP管接觸有腐蝕性的環(huán)境條件時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行防腐保護(hù)，以增加其耐久性。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）防腐的目的是防止管內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼絲與管材外表層受腐蝕因子的侵蝕破壞，導(dǎo)致管材失效，而影響管線的正常運(yùn)行。作為PCCP結(jié)構(gòu)的一部分，管材的水泥砂漿保護(hù)層對(duì)PCCP的防腐起著重要的作用。

2 砂漿保護(hù)層的性質(zhì)

水泥砂漿保護(hù)層是PCCP管材結(jié)構(gòu)的重要組成部份，它具有一定的厚度和較高的強(qiáng)度，除了通過(guò)聯(lián)合變形承擔(dān)一定的內(nèi)、外壓荷載外，還起到防止因外力造成預(yù)應(yīng)力鋼絲損傷的物理防護(hù)作用。一般情況下，水泥砂漿中孔溶液的高堿性（PH值＞12.50），在鋼絲表面形成鈍化膜，使得腐蝕侵蝕降低到可以忽略的程度，只要鈍化層持續(xù)存在，鋼絲的銹蝕就不會(huì)發(fā)生，從而起到防腐的效果。

對(duì)PCCP而言，空氣、土壤、地下水等環(huán)境中的酸性氣體或液體侵入保護(hù)層水泥砂漿，與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使水泥砂漿中的pH值下降的過(guò)程稱為保護(hù)層水泥砂漿的中性化過(guò)程，其中，由于大氣中有一定含量的CO2，因此，碳化是長(zhǎng)期露天堆放的PCCP中預(yù)應(yīng)力鋼絲脫鈍銹蝕的前提條件，從而會(huì)影響PCCP結(jié)構(gòu)的耐久性。

PCCP 管道周邊的土壤、地下水中的游離Cl 離子通過(guò)滲入、擴(kuò)散的方式進(jìn)入保護(hù)層水泥砂漿，并在鋼絲表面的砂漿孔溶液中積累到一定的濃度后，即便在堿度較高、PH 值＞11.50時(shí)，因Cl離子的半徑小、活性大，有很強(qiáng)的穿透鈍化膜的能力，并在鈍化膜內(nèi)層形成易溶的FeCl2，使鈍化膜局部溶解，形成坑蝕。當(dāng)此類坑蝕較為普遍發(fā)生并擴(kuò)大、合并就會(huì)發(fā)生大面積銹蝕。

此外，PCCP管道周邊土壤、地下水中的硫酸鹽離子則會(huì)和保護(hù)層水泥砂漿的某些水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性的產(chǎn)物（如鈣礬石、石膏等），造成保護(hù)層開(kāi)裂、剝落、破壞，直接破壞了鋼絲表面鈍化膜的生成條件，致使鋼絲大面積銹蝕。

3 提高保護(hù)措施

3.1 保護(hù)層厚度

砂漿保護(hù)層厚度至關(guān)重要，從《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》GB/T19685不同版本中對(duì)其厚度變化調(diào)整中即可看出，PCCP預(yù)應(yīng)力鋼絲外水泥砂漿保護(hù)層的最小厚度由2005版的20 mm提高到25 mm。鋼絲外的水泥砂漿保護(hù)層厚度越大，O2的濃度梯度越小，在同等CL-離子侵入濃度下，銹蝕速度越慢。試驗(yàn)表明：保護(hù)層厚度（c）與鋼絲直徑（d）的比值c/d 越大，保護(hù)層的銹蝕抗裂率越大，抗裂的時(shí)間越長(zhǎng)。c/d值從原有的3.66～4.00提高到4.16～5.00，抗裂腐蝕率則從2.00%提高到3.00%，提高了33%。

3.2 水泥的品種和單位水泥用量

GB/T19685與AWWAC301都要求保護(hù)層水泥砂漿采用與成型混凝土管芯相同品種的硅酸鹽水泥，不能采用不同品種的水泥。如采用不同品種的硅酸鹽水泥分別作為管芯混凝土和水泥砂漿用水泥，則會(huì)形成電位差，從而加速PCCP 中薄鋼板與預(yù)應(yīng)力鋼絲表面的脫鈍，加快它們的銹蝕。

當(dāng)PCCP 管道周圍地下水或土壤中有較高濃度的硫酸根離子時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)想到直接采用抗硫酸鹽水泥來(lái)防止硫酸鹽對(duì)保護(hù)層水泥砂漿的侵蝕。實(shí)踐證明，這種想法是錯(cuò)誤的。關(guān)于抗硫酸鹽水泥，專家認(rèn)為：抗硫酸鹽水泥只是硅酸鹽水泥的一個(gè)品種，仍屬于硅酸鹽水泥的體系，它不是廣義上的耐腐蝕水泥；作為水泥，它只對(duì)濃度不高的硫酸鈉有一定的耐腐蝕性，并不能耐其他硫酸鹽（如硫酸鎂、硫酸銨等）的腐蝕；由于硫酸鹽易產(chǎn)生結(jié)晶，因此不能用于地下水位不高、存在季節(jié)性干濕循環(huán)的地區(qū)（如中國(guó)北方、西北地區(qū)）；該水泥耐硫酸鹽的機(jī)理是通過(guò)降低水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的的含量，因此，水泥石中的堿度相對(duì)較低，不利于鋼絲表面鈍化膜的生成，且降低了鋁酸三鈣對(duì)Cl離子的吸泭量，與硅酸鹽水泥相比，對(duì)鋼絲的保護(hù)性能差。綜上所述，抗硫酸鹽水泥不適合用于制作保護(hù)層水泥砂漿，尤其不能用于有Cl離子的環(huán)境中。

GB/T19685及AWWAC301對(duì)保護(hù)層用水泥砂漿的配合比都作了如下的規(guī)定：按重量計(jì)，水泥；細(xì)骨料（砂）為1∶＜3（常用的為1∶2.50），折合單位水泥用量在575 kg/m3以上。

較高的單位水泥用量可大大提高鋼絲周圍的pH 值，從而保持鋼絲上鈍化膜的穩(wěn)定，還可降低Cl 離子破壞鈍化膜的可能。同時(shí)，高水泥用量也可通過(guò)減弱碳化速度而明顯的減緩對(duì)保護(hù)層水泥砂漿的碳化。

3.3 吸水率和抗壓強(qiáng)度

3.3.1 吸水率

GB/T19685 規(guī)定，水泥砂漿吸水率全部數(shù)據(jù)的平均值≤9%，最大值應(yīng)≤10%；AWWAC301規(guī)定吸水率試驗(yàn)的平均值應(yīng)≤9%，單塊試件的吸水率應(yīng)≤10%。

水泥砂漿（混凝土）的吸水率是檢驗(yàn)其開(kāi)放空隙率的指標(biāo)，降低其開(kāi)放空隙率，提高密實(shí)度是提高水泥砂漿（混凝土）電阻抗的重要措施。而水泥砂漿（混凝土）的電阻抗則是影響PCCP中預(yù)應(yīng)力鋼絲銹蝕的重要因素。無(wú)論在有無(wú)Cl 離子的情況下，鋼絲的銹蝕速度都與水泥砂漿（混凝土）的電阻抗成反比，即電阻抗越高，則鋼絲的銹蝕速度越慢。

3.3.2 抗壓強(qiáng)度

為確?？箟簭?qiáng)度，AWWAC301 對(duì)保護(hù)層的養(yǎng)護(hù)方式也作了規(guī)定：采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)采用與混凝土管芯相同的養(yǎng)護(hù)制度至少養(yǎng)護(hù)12 h；采用灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，間斷噴水保持保護(hù)層濕潤(rùn)至少4 d，而在最初24 h內(nèi)出現(xiàn)環(huán)境溫度＜10℃的期間，每出現(xiàn)1 h則總噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加1 h。

足夠高的抗壓強(qiáng)度，既可提高保護(hù)層的物理防護(hù)作用，也提高保護(hù)層抗御Cl離子、硫酸根離子侵入和減弱碳比能力。

4 結(jié)語(yǔ)

①PCCP的水泥砂漿保護(hù)層是PCCP管體結(jié)構(gòu)中的重要組成部份，除了在結(jié)構(gòu)上承受內(nèi)、外力的作用和對(duì)管體的物理防腐外，其孔隙水中的高堿度會(huì)在管體的預(yù)應(yīng)力鋼絲外形成一層鈍化膜，正是這層鈍化膜使PCCP具有很強(qiáng)的自防腐能力。②只要管線設(shè)計(jì)正確，管材制作（尤其是保護(hù)層的制作）符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)與規(guī)范的要求，施工科學(xué)，大多數(shù)情況下，埋地PCCP管線無(wú)需附加防腐措施，完全可以達(dá)到安全運(yùn)行的目的。③當(dāng)土壤中的腐傷因子含量達(dá)到或超過(guò)其“閥值”后，就必須對(duì)埋設(shè)在該土壤中的PCCP 管道實(shí)施另外的附加防腐措施。常用的附加措施有管體外的涂層和陰極保護(hù)，為防止土壤中硫酸鹽離子對(duì)保護(hù)層的膨脹性破壞，一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮管體外的涂層防腐，再輔以陰極保護(hù)。④中國(guó)地域遼闊，各地區(qū)土壤的理化性能有很大差異，實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際請(qǐng)況選擇管道的防腐措施。當(dāng)管線埋設(shè)在西北地區(qū)的內(nèi)陸鹽土與沿海地區(qū)的濱海鹽土?xí)r，尤其要慎重考慮其防腐措施，并作好防腐設(shè)計(jì)。