城市污水處理廠混凝土結(jié)構(gòu)防腐要點(diǎn)與設(shè)計(jì)實(shí)例

曹志杰，徐 震，徐春蕾

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

通過(guò)對(duì)一些使用了約10~30a的污水處理構(gòu)筑物、管道、箱涵、水池等的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)使用一定年限的污水管渠及污水處理構(gòu)筑物均存在較為嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。污水處理廠內(nèi)，前處理構(gòu)筑物腐蝕最嚴(yán)重，比如：污水提升泵、格柵間、沉砂池、生物曝氣池，許多部位的鋼筋已被銹蝕得面目全非，出現(xiàn)大面積疏松、多孔現(xiàn)象。其大部分構(gòu)筑物必須進(jìn)行檢修、加固后才能使用；還有一些構(gòu)筑物必須重建，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限50a的要求[1]。圖1為某污水廠使用二十年左右的箱涵頂板腐蝕情況之實(shí)景。

圖1 某污水廠使用二十年左右的箱涵頂板腐蝕情況之實(shí)景

1 腐蝕機(jī)理分析

污水環(huán)境下混凝土的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重,且腐蝕產(chǎn)生于一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程[2]。一方面污水中含有大量的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及極易于微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它們將對(duì)混凝土產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)作用；另一方面,溫度、濕度、液體流速、干濕交替及時(shí)間等環(huán)境變量，以及混凝土應(yīng)力狀態(tài)將使上述作用加劇。

從調(diào)查數(shù)據(jù)看，水池氣、水分界面處或水位變化頻繁處比一般區(qū)域腐蝕嚴(yán)重。由于水池液位經(jīng)常變化，故水池池壁強(qiáng)腐蝕區(qū)域常呈水平線性分布，同一墻面往往有多條強(qiáng)腐蝕帶。而進(jìn)水池、調(diào)節(jié)池等，由于流態(tài)、汽水變化頻繁，往往出現(xiàn)大面積腐蝕，尤以頂板、側(cè)墻腐蝕更為嚴(yán)重。密閉水池頂板下的空腔區(qū)域長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，且易于積聚污水生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的硫化氫等氣體，所以頂板及以下池壁混凝土腐蝕發(fā)展速度最為快速。

2 腐蝕等級(jí)確定

2.1 現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》從GB50010—2002版開(kāi)始，增加了耐久性方面的內(nèi)容?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）中規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限和環(huán)境類別進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。根據(jù)該規(guī)范規(guī)定，排水箱涵所處的環(huán)境類別應(yīng)為二b類，對(duì)應(yīng)于干濕交替環(huán)境及水位頻繁變動(dòng)環(huán)境。顯然該規(guī)范主要針對(duì)大氣及地下水環(huán)境，未能反映出硫循環(huán)造成的腐蝕破壞作用。

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50476—2008）中規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別及作用等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)該規(guī)范污水廠構(gòu)筑物的環(huán)境作用等級(jí)可定義為I-C、V-C、V-D或V-E。I-C是指在正常大氣環(huán)境下，在反復(fù)的干濕交替作用表層混凝土碳化引發(fā)的內(nèi)部鋼筋銹蝕，不適用于污水環(huán)境。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的污水水質(zhì)分析，pH處于6.56~7.52，硫酸鹽為72~139mg/L，按照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，水中硫酸根離子等濃度尚未達(dá)到V-D和V-E的環(huán)境作用等級(jí)。

《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50069—2002）中3.0.4條，明確規(guī)定“貯水或水處理構(gòu)筑物、地下構(gòu)筑物的混凝土，當(dāng)滿足抗?jié)B要求時(shí)，一般可不做其他抗?jié)B、防腐處理”。因此，在早期的設(shè)計(jì)中，排水構(gòu)筑物不做特殊的防腐處理，而近些年則一般考慮采用涂料防腐。

《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50046—2008）根據(jù)各種介質(zhì)對(duì)建筑材料長(zhǎng)期作用下的腐蝕性，分為強(qiáng)腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕和微腐蝕4個(gè)等級(jí)[4]，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的污水水質(zhì)分析，進(jìn)入污水處理廠構(gòu)筑物的腐蝕性介質(zhì)濃度較低，可界定為微腐蝕等級(jí)，但這與調(diào)查所得的實(shí)際腐蝕情況不符。

2.2 腐蝕等級(jí)選取建議

《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50046—2008）列舉了常見(jiàn)介質(zhì)的腐蝕性等級(jí)，但城市污水成份比較復(fù)雜，規(guī)范沒(méi)有明確的腐蝕性等級(jí)。污水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用主要來(lái)自于其生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（硫化氫和硫酸），直接以污水介質(zhì)的成份判斷其腐蝕性等級(jí)會(huì)導(dǎo)致防腐能力不足。而且不同的作用環(huán)境和部位，污水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性也不同（如密閉區(qū)域的頂板腐蝕性明顯比敞開(kāi)水池要強(qiáng)得多）。所以城市污水的腐蝕等級(jí)必須根據(jù)污水濃度、作用部位、密閉條件等因素綜合確定。根據(jù)對(duì)多個(gè)既有的污水處理廠構(gòu)筑物腐蝕情況調(diào)研，各構(gòu)筑物腐蝕程度歸納如表1所列。

表1 城市污水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕程度一覽表

腐蝕程度沒(méi)有定量的指標(biāo)，調(diào)研10~20a左右的污水處理廠，一般情況下：混凝土保護(hù)層被完全腐蝕脫落，鋼筋發(fā)生大面積暴露銹蝕，定為腐蝕程度為強(qiáng)；混凝土保護(hù)層厚度被明顯腐蝕，鋼筋個(gè)別點(diǎn)銹蝕，但不影響結(jié)構(gòu)，定為腐蝕程度為中等；混凝土保護(hù)層前表面被腐蝕，鋼筋無(wú)銹蝕，定為腐蝕程度為弱；混凝土和鋼筋未見(jiàn)明顯腐蝕，定為腐蝕程度為微。預(yù)測(cè)污水處理廠不同部位的腐蝕程度，要結(jié)合工藝流程、水流速度和密閉程度等因素綜合判斷，從而采取針對(duì)性的防護(hù)措施。

3 防腐設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)自防腐

污水廠構(gòu)筑物內(nèi)部污水環(huán)境一般按照二b類考慮（參照《給水排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求），設(shè)計(jì)使用年限為50a的混凝土結(jié)構(gòu)，最大水膠比為0.50，最低強(qiáng)度等級(jí)為C30，最大氯離子含量為0.15%，最大堿含量為3%。最外層鋼筋的保護(hù)層厚度，底板下層不小于40mm，底板上層和池壁不小于35mm，梁、柱不小于40mm。

3.2 防腐涂層

目前市場(chǎng)上防腐涂料種類繁多，污水處理廠構(gòu)筑物用的涂料主要有環(huán)氧和聚氨酯兩大類，瀝青類防腐涂料已逐漸被上述兩種涂料替代。環(huán)氧涂料對(duì)基層（特別是對(duì)鋼鐵基層）具有優(yōu)良的附著力，耐堿性好，也適合中等濃度以下的大多數(shù)酸性介質(zhì)。環(huán)氧涂層的耐候性較差，涂膜易粉化、失光，所以不宜用于敞口水池，也可以用聚氨酯面涂料罩面。聚氨酯類涂料的耐候性與型號(hào)有關(guān)，脂肪族的耐候性較好，而芳香族的耐候性較差。油性聚氨酯類防腐涂料對(duì)混凝土基面干燥度要求較高。

隨著人們對(duì)施工作業(yè)環(huán)境的要求提高和特殊場(chǎng)合下施工的要求，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些新型防腐涂料產(chǎn)品，如：環(huán)氧無(wú)溶劑防腐涂料、水性環(huán)氧或聚氨酯防腐涂料、濕面環(huán)氧防腐涂料等。無(wú)溶劑環(huán)氧涂料具有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，對(duì)基面含水量適應(yīng)性較強(qiáng)，揮發(fā)成分少，施工環(huán)境友好。濕面環(huán)氧防腐涂料可以在水下涂抹硬化，可以帶水施工，但是環(huán)氧類涂料耐候性較差，一般不宜在敞口水池上應(yīng)用。聚氨酯防腐涂料具有較好的彈性和粘結(jié)強(qiáng)度，表面光潔，但對(duì)基面含水量要求較高，一般建議用環(huán)氧類涂料做底漆。新型鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿可有效抵御硫化氫帶來(lái)的腐蝕，在環(huán)境和基層潮濕的情況下也可施工，可快速恢復(fù)通水（最快施工后2h），具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、噴涂速度快、無(wú)異味和揮發(fā)性物質(zhì)等特點(diǎn)。但其對(duì)基面處理有要求，造價(jià)相對(duì)較高。新型鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿使用年限較長(zhǎng)，國(guó)外污水工程案例中可以到達(dá)50a。

具體防腐涂層設(shè)計(jì)可參考《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C“防腐蝕涂層配套”相關(guān)章節(jié)。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，一般防腐涂層的使用年限為10~15a。從結(jié)構(gòu)防腐蝕的角度，建議今后的污水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮涂層達(dá)到使用年限后的檢測(cè)與維護(hù)問(wèn)題，盡可能提供停水或局部停水條件以定期地進(jìn)行結(jié)構(gòu)防腐維護(hù)工作。

3.3 防腐質(zhì)量控制

防腐工程質(zhì)量對(duì)污水處理廠的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，一方面應(yīng)加強(qiáng)涂層材料的見(jiàn)證取樣和性能檢測(cè)，大面積施工前進(jìn)行涂裝專項(xiàng)方案審批和涂裝工藝評(píng)估。另一方面，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)涂層驗(yàn)收，包括：涂裝材料、基層表面處理、涂層厚度、涂層附著力等。

4 某污水廠實(shí)例

某大型全地下污水處理廠主要水處理構(gòu)筑物有：調(diào)蓄池、粗格柵進(jìn)水泵、房細(xì)格柵曝氣沉砂池、AAO生物反應(yīng)池、二沉池、高效沉淀池、反硝化深床濾池、儲(chǔ)泥池等。

根據(jù)前文有關(guān)腐蝕等級(jí)確定和防腐涂層特點(diǎn)，防腐設(shè)計(jì)見(jiàn)表2所列。

表2 主要構(gòu)筑物防腐程度及防護(hù)做法一覽表

5 結(jié)論和建議

（1）城市污水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，其中以生物腐蝕為主，同時(shí)還有物理和化學(xué)的作用。

（2）現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城市污水腐蝕等級(jí)缺少針對(duì)性的規(guī)定，城市污水的腐蝕程度必須根據(jù)污水濃度、作用部位、密閉程度、流速和檢修條件等因素綜合確定。

（3）城市污水池的防腐蝕設(shè)計(jì)，首先應(yīng)從混凝土材料配比和鋼筋保護(hù)層等方面提高結(jié)構(gòu)的防腐能力，其次需根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境腐蝕性特點(diǎn)選擇合適的防腐蝕涂層。

（4）城市污水的成分和腐蝕作用機(jī)理尚待進(jìn)一步調(diào)查研究，對(duì)防腐蝕設(shè)計(jì)增加理論依據(jù)。設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)構(gòu)筑物耐久性和防腐蝕設(shè)計(jì)進(jìn)一步重視，應(yīng)盡快編制相關(guān)設(shè)計(jì)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制質(zhì)量。

（5）污水處理廠運(yùn)行期間，構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層應(yīng)進(jìn)行必要的運(yùn)行維護(hù)和定期更新。