建筑物雨水管結垢堵塞機制研究

張 嵩，張育才，李 衛(wèi)，劉雪娥，朱 波，陳子祥

(昆明冶金高等?？茖W校 a.建筑工程學院;b.黨委(校長)辦公室，云南 昆明 650033)

安寧市某高校建成投入使用以后，多棟建筑物出現(xiàn)屋頂雨水管結垢現(xiàn)象，如圖1所示。結垢較嚴重的一棟建筑物數(shù)根雨水管幾乎全部堵死，有的雨水管下部堵塞后水從管道接頭等部位溢出，在墻面上形成大面積白色污漬。后勤部門多次組織清掏，嘗試多種處理方法，耗費大量人力物力，未找到有效處理辦法，部分雨水管因堵塞物無法清除而不得不更換。為弄清其結垢原因，課題組對結垢較嚴重的一棟建筑物開展了一系列調查和實驗。

1 管內結垢物化學成分分析

課題組初步分析認為可能是水中Ca(OH)2等成分質量濃度較高形成CaCO3結垢。取管內結垢物，用振動制樣機磨細，分別參照水泥行業(yè)石灰石中CaO質量濃度的測定方法[1]和X射線熒光分析法測定其成分，結果如表1所示。

化學分析和X射線熒光分析結果吻合，結果顯示結垢物中CaO質量濃度超過52%，換算為CaCO3質量濃度約94%。

結垢物X射線衍射分析(XRD)如圖2所示，顯示其結晶形態(tài)為方解石，沒有出現(xiàn)其它CaCO3晶型(球霰石或文石)的特征峰。表明雨水管內結垢物是以方解石結晶態(tài)存在的。

表1 結垢物化學成分 Tab.1 Chemical constituents of fouling %

圖2 結垢物XRD圖Fig.2 XRD diagram of fouling

2 雨水pH值

為弄清結垢是否與雨水水質有關，對比了昆明市區(qū)和建筑物所處安寧校區(qū)雨水水質情況。盡可能選擇昆明和安寧同時下雨的時段收集雨水樣品，測定雨水pH值，結果如表2所示 。

表2 降雨水質情況Tab.2 Rainfall water quality

安寧校區(qū)雨水最低pH值比昆明市區(qū)更低，最高pH值則比昆明市區(qū)更高，可能與安寧校區(qū)周邊工業(yè)污染有關，雨水總體偏酸性，安寧校區(qū)與昆明市區(qū)雨水水質并無明顯差別。

3 現(xiàn)場勘察與實驗

降雨停止轉晴45 h現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，屋頂鋪有瓷磚的2個區(qū)域有小面積積水，積水面積各約5 m2，大部分區(qū)域表面干燥，部分區(qū)域磚縫處有明顯結垢，結垢物鏟除后有水冒出，如圖3所示。表明瓷磚下有存水，可能該處處于低凹位置，且陽光照射溫度升高，水有一定壓力，剛移開結垢物時水呈涌出狀。

結垢最嚴重的一根雨水管入口孔壁處不斷有水滲出。分別吸取瓷磚下滲出水和雨水管入口孔壁滲出水分析，瓷磚下滲出水CaO濃度高達581 mg/L，pH值為12.5，雨水管入口孔壁滲出水CaO濃度為57 mg/L，pH值為11.4，證明水中含Ca(OH)2，結垢是由于水中Ca(OH)2質量濃度過高造成的。水樣靜置一定時間，容器底部出現(xiàn)Ca(OH)2結晶，如圖4所示。為進一步了解滲出水流量和濃度變化，課題組在排水管出口處對滲出水流量和Ca(OH)2質量濃度進行了連續(xù)監(jiān)測。

測量滲出水流量和留樣分析時，每天固定同一時段測量。為消除雨水表面徑流的影響，選擇晴天進行滲出水流量測量和留樣分析，連續(xù)降雨不作測量，陣雨天氣時，雨停至少4 h以上再測量和取樣。

水中Ca(OH)2濃度用水總硬度檢驗方法EDTA滴定法[2]測定。吸取水樣 25 mL 于錐形瓶中，加入三乙醇胺溶液3 mL，再加pH=10緩沖溶液(NH3-NH4Cl)5 mL及少量K指示劑，搖勻，用EDTA滴定至溶液由酒紅色變?yōu)榧兯{色，由消耗的EDTA溶液體積計算Ca(OH)2質量濃度。

圖3 瓷磚下滲出水Fig.3 Seeping water under ceramic tile

圖4 水樣靜置后出現(xiàn)Ca(OH)2結晶Fig.4 Ca(OH)2crystallization occurs after the water sample is stationary

4 結果分析

滲出水流量和Ca(OH)2質量濃度測定結果如表3所示。

表3 滲出水流量和Ca(OH)2質量濃度Tab.3 Exudate flow rate and Ca(OH)2 concentration

注：1022—1025小雨，1101—1103小雨

滲出水流量測量和留樣分析自9月中旬降雨減少后開始。當年6-8月雨量充沛，7、8月僅分別有5天和4天無降雨，8月下旬有多次大雨和暴雨。測量初期滲出水流量較大，滲出水量最高達313 mL/min，屋頂瓷磚下存水量驚人。隨時間延長，流量降低，待下一次降雨后流量又增大。由于前期的大量降雨，水中Ca(OH)2質量濃度較低。Ca(OH)2質量濃度變化與滲出水量變化趨勢大致相反，流量大時質量濃度較低，流量小時質量濃度較高,如圖5所示。

9月下旬～10月中旬均以多云天氣為主，偶有陣雨，但雨量小、持續(xù)時間短。10月下旬測定的滲出水Ca(OH)2質量濃度明顯增大，除11月初一輪降雨后濃度有所降低外，Ca(OH)2質量濃度基本在 400 mg/mL 以上。完全無降雨超過2周，仍不斷有水滲出，Ca(OH)2質量濃度基本穩(wěn)定在 440 mg/mL 左右，滲出水中的Ca(OH)2始終維持在一個高濃度狀態(tài)，并未因滲出水量增加而降低。通過長期觀察,降雨對滲出水流量的影響明顯滯后，降雨后滲出水量仍隨時間延長逐漸減少，雨停約一周后滲出水量才有所增加，再逐漸減小，也就是說在建筑屋面下方存在一個蓄水空間，降雨停止后蓄水空間蓄水量逐步飽和，然后因溫度、壓力變化慢慢滲出屋面。

滲出水中Ca(OH)2來自于混凝土中水泥的水化產(chǎn)物。水泥中硅酸鹽礦物水化生成水化硅酸鈣凝膠和Ca(OH)2。在硅酸鹽水泥各種水化產(chǎn)物中，Ca(OH)2溶解度最大[3]。溶出的Ca(OH)2不斷被水流帶走，使水泥石孔隙率增加，密實度與強度下降，一方面使水更易滲入；另一方面促使水泥其它水化產(chǎn)物的溶解和分解。

經(jīng)了解，該建筑屋面保溫層為泡沫混凝土，而泡沫混凝土孔隙率和孔徑遠大于普通混凝土，吸水率大。若無有效防水，雨水易通過毛細孔滲透和連通孔滲透，大量滲入到孔隙中。因此，該建筑物雨水管結垢堵塞是由于屋面防水失效，雨水滲入混凝土內部，Ca(OH)2不斷被水流溶出， Ca(OH)2質量濃度較高而在雨水管管壁上結晶析出，同時吸收空氣中的CO2形成CaCO3結垢所導致。

雨水管形成結垢后，目前的各種物理、化學方法均難以有效清除結垢物。只有修復屋面防水層，防止雨水滲入混凝土，才能根除結垢堵塞。

5 結 語

該建筑物雨水管內結垢物是以方解石結晶態(tài)存在的碳酸鈣。雨水管結垢堵塞是由于屋面防水層失效，雨水滲入混凝土內部，將Ca(OH)2溶出并與大氣中CO2結合，形成CaCO3結垢。修復防水層是防止結垢的根本解決方法。