新型材料在鋼筋混凝土管道內(nèi)壁內(nèi)襯中的應(yīng)用研究

摘要：隨著工業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的推進(jìn)，鋼筋混凝土管道在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，內(nèi)壁腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重影響其耐久性和使用壽命。因此，研究和開發(fā)新型的管道內(nèi)壁內(nèi)襯材料，對(duì)于提高其耐腐蝕性能具有重要意義?；诖耍C述了聚合物材料內(nèi)襯、不銹鋼或鍍鋅內(nèi)襯、鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿以及超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）等新型材料在鋼筋混凝土管道內(nèi)壁內(nèi)襯中的應(yīng)用進(jìn)展，介紹了各種材料的基本原理和特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了它們?cè)趦?nèi)襯制備、施工工藝以及性能表現(xiàn)等方面的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土管；內(nèi)襯材料；抗?jié)B；耐腐蝕

中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）12-00-0323

Research on Application of New Materials in the Reinforced Concrete Inner Linings

CAI Yubin1， LIU Siyang2， HONG Jiesheng2， DENG Yonghong3， WANG Haoyan3

（1. Shenzhen Water Technology Service Co.， Ltd.， Shenzhen 510610， China;

2. School of Environment and Climate， Jinan University， Guangzhou 511443， China;

3. Guangdong Xianghong Ecological Environment Engineering Co.， Ltd.， Dongguan 523899， China）

Abstract： With the advancement of industrial development and urban construction， reinforced concrete structures pipeline has been widely utilized in construction projects. However， the issue of inner wall corrosion has significantly impacted its durability and service life. Therefore， the research and development of a new type of pipeline inner lining material is crucial for enhancing its corrosion resistance. Based on this， this paper reviews the progress in applying polymer material lining， stainless steel or galvanized lining， aluminate inorganic anticorrosive mortar， and Ultra-High Performance Concrete （UHPC） in the inner lining. It introduces the basic principles and characteristics of various materials， as well as describes their research status in lining preparation， construction technology， and performance in detail.

Keywords： reinforced concrete pipe; lining material; impermeability; corrosion resistance

鋼筋混凝土管作為城市污水系統(tǒng)的核心組成部分，憑借其施工便利性和經(jīng)濟(jì)性，已廣泛應(yīng)用于眾多排水管道項(xiàng)目。但混凝土的抗?jié)B性能有限，并且易受到酸堿環(huán)境腐蝕。污水作為一種具有高度腐蝕活性的介質(zhì)，其化學(xué)成分復(fù)雜，給鋼筋混凝土管道的使用帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)檢測(cè)眾多已投入使用的管道，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁普遍存在不同程度的腐蝕損害。特別是對(duì)于大口徑污水管道，一旦遭受嚴(yán)重腐蝕，其維修費(fèi)用高昂，且修復(fù)過(guò)程會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

厭氧環(huán)境下，厭氧細(xì)菌代謝生成的有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸，會(huì)與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞了C-S-H凝膠體結(jié)構(gòu)，影響水泥的正常水化進(jìn)程，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降[1]。因此，針對(duì)污水管道內(nèi)壁的腐蝕問(wèn)題，必須采取切實(shí)有效的防護(hù)措施，以減緩污水及其中溶解的腐蝕性氣體對(duì)管道材質(zhì)的腐蝕作用，從而延長(zhǎng)管道的使用壽命?；诖耍攸c(diǎn)探討在鋼筋混凝土管道內(nèi)壁鋪設(shè)新型耐腐蝕材料的方法，并評(píng)估4種工藝技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果，以期為提升鋼筋混凝土管的耐久性提供科學(xué)依據(jù)。

1 管道內(nèi)壁內(nèi)襯新型材料工藝機(jī)理

1.1 聚合物材料內(nèi)襯

為有效提升混凝土抵抗酸性腐蝕的能力，研究者們提出了多種策略。例如，有研究者提出應(yīng)用特定類型的材料來(lái)強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)。聚合物材料內(nèi)襯是提升混凝土管道耐酸性的關(guān)鍵措施之一。聚合物材料具有出色的耐酸性和良好的附著力，能夠在管道內(nèi)壁形成一層堅(jiān)固的保護(hù)膜，有效阻隔酸性物質(zhì)與混凝土基體直接接觸，從而減緩酸對(duì)混凝土的腐蝕作用。同時(shí)，聚合物材料能夠與混凝土中的水泥基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種硬質(zhì)的凝膠物質(zhì)，可以有效堵塞混凝土內(nèi)部的微孔和裂隙，從而顯著提高混凝土的致密性。提高致密性不僅能夠有效限制酸性物質(zhì)的滲透，減緩腐蝕過(guò)程，還有助于保持混凝土原有的力學(xué)性能，延長(zhǎng)其在惡劣環(huán)境下的使用壽命。

1.2 不銹鋼或鍍鋅內(nèi)襯

在鋼筋防腐領(lǐng)域，耐蝕鋼和涂層鋼是兩類備受重視的材料。其中，耐蝕合金鋼筋和不銹鋼鋼筋具有優(yōu)異的耐蝕性能。此外，環(huán)氧涂層鋼筋和鍍鋅鋼筋因其在實(shí)際應(yīng)用中的有效防護(hù)效果而備受青睞。高熵合金和雙相不銹鋼作為兩種重要的耐蝕材料，在模擬混凝土孔隙溶液中的耐蝕性研究也取得了顯著進(jìn)展。對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高熵合金形成的鈍化膜更厚、更穩(wěn)定，更難發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕，其耐蝕性優(yōu)于雙相不銹鋼[2]。同時(shí)，涂層損壞的鋼筋混凝土較涂層完好的鋼筋混凝土使用壽命短約70%[2]。這表明在施工過(guò)程中，需要特別注意涂層的完整性，以確保其具有防腐作用。在氯離子的腐蝕下，鋼筋表面會(huì)被腐蝕，而鍍鋅鋼筋具有優(yōu)異的耐蝕性能，能夠有效避免氯離子腐蝕現(xiàn)象[3]。

1.3 鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿內(nèi)襯

鋁酸鹽水泥具有耐火度高、耐磨性好、耐酸等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于耐火材料和建材等領(lǐng)域[4]。鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，可以有效防止混凝土表面碳化，提高其在高鹽高濕環(huán)境下的抗腐蝕能力[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，防腐砂漿能夠與混凝土牢固結(jié)合，有效修補(bǔ)和加固受損的管道結(jié)構(gòu)。此外，它具有優(yōu)異的抗?jié)B、抗凍性能，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境條件。相較于玻璃鋼、聚氯乙烯與高密度聚乙烯，鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿施工簡(jiǎn)易，成本更低，且擁有良好的抗腐蝕性能與物理性能[6]。

1.4 內(nèi)襯混凝土

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一種新型水泥基復(fù)合材料，具有基體致密、低水膠比及力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)[7-8]。該材料的多項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，如抗拉、抗壓、抗沖擊、抗彎及抗剪等，均實(shí)現(xiàn)了顯著提升。UHPC的抗壓強(qiáng)度高達(dá)800 MPa，彈性模量達(dá)60 GPa，斷裂能可達(dá)40 000 J/m2[9]。特別地，UHPC通過(guò)有效利用鋼纖維與膠凝材料漿體之間的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了“應(yīng)變硬化”效應(yīng)，能夠賦予材料更高的延展性和變形能力，使其在極端環(huán)境下的應(yīng)用成為可能[10]。

2 內(nèi)襯新型材料的工程性能

2.1 抗氯離子滲透

在試驗(yàn)中，深入探討了C30混凝土棱柱體試件在鹽水中的耐久性。通過(guò)精確測(cè)量試件浸泡60 d后的氯離子滲透深度，發(fā)現(xiàn)未采取任何保護(hù)措施的試件的氯離子滲透深度最大，達(dá)到20.4 mm。這表明在沒(méi)有任何附加保護(hù)措施的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性可能會(huì)受到嚴(yán)重影響[11]。與未采取保護(hù)措施的試件相比，采用內(nèi)襯保護(hù)措施的試件的氯離子滲透深度顯著降低，減少了27.0%，降至14.9 mm。在試件中加入內(nèi)襯新型材料或與涂料結(jié)合使用，顯著提高了混凝土的耐久性，能夠有效防止氯離子滲透。內(nèi)襯材料的應(yīng)用為提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提供了重要的參考依據(jù)，有助于指導(dǎo)實(shí)際工程中的材料選擇和施工。

2.2 抗剪切破壞

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行精細(xì)的觀察與分析，發(fā)現(xiàn)試樣在達(dá)到極限荷載時(shí)表現(xiàn)出典型的剪切破壞特征。具體而言，抗壓強(qiáng)度達(dá)600 MPa的UHPC內(nèi)襯在支座附近率先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，隨后裂縫逐漸擴(kuò)展至加載端，而波形鋼腹板則在折疊線處發(fā)生不可逆的塑性變形，顯示出明顯的剪切破壞跡象。此外，研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)UHPC抗剪承載力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋼板厚度的增加，UHPC的抗剪承載力呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。這一現(xiàn)象可歸因于鋼板厚度增加帶來(lái)的剛度提升，使得試樣在抵抗剪切變形方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的能力。然而，當(dāng)混凝土厚度繼續(xù)增加時(shí)，試樣的承載力增長(zhǎng)速率逐漸放緩，這可能與混凝土的自密實(shí)性和黏結(jié)性能對(duì)其承載能力的影響逐漸減弱有關(guān)。

通過(guò)對(duì)試樣荷載-位移曲線的細(xì)致分析，可以清晰地識(shí)別試樣從加載至破壞過(guò)程中的3個(gè)階段：彈性階段、強(qiáng)化階段和破壞階段。在彈性階段，試樣的變形主要表現(xiàn)為彈性變形，荷載與位移之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。隨著荷載的持續(xù)增加，試樣進(jìn)入強(qiáng)化階段，荷載與位移的關(guān)系逐漸變得非線性。在破壞階段，試樣發(fā)生斷裂或塑性變形，荷載迅速下降，標(biāo)志著試樣最終被破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC內(nèi)襯材料具有明顯的抗剪切破壞效能，顯著提高了試樣的抗剪切破壞能力，為提高混凝土管道的抗剪強(qiáng)度提供了參考。

3 其他技術(shù)的工程應(yīng)用

在當(dāng)前非開挖管道修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用中，管中管技術(shù)因其卓越的修復(fù)效果和強(qiáng)大的承壓能力備受推崇。內(nèi)外管環(huán)空大部分或完全填充了聚氨酯泡沫、礦棉、氣凝膠、顆粒、微孔材料及陶瓷等材料[11]，提升了管道的抗腐蝕性能，在高壓環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，使其尤為適用于需保障管道結(jié)構(gòu)完整性和作為壓力管道運(yùn)行的場(chǎng)景。管中管技術(shù)憑借出色的修復(fù)效果、強(qiáng)大的耐蝕能力以及優(yōu)異的保溫、傳輸性能，已成為非開挖管道修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。

現(xiàn)代水利工程實(shí)踐中，管道柔性內(nèi)襯技術(shù)以其創(chuàng)新性和高效性引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過(guò)精密設(shè)計(jì)的管狀內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，巧妙地搭配T形條狀凸起物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)受損管道的精確內(nèi)襯安裝。在此基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的高強(qiáng)度膠漿技術(shù)，對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與原管道內(nèi)壁之間的空隙進(jìn)行灌注填充，從而構(gòu)建了一個(gè)既穩(wěn)固又具有高彈性的新結(jié)構(gòu)層，能夠有效抵御外部荷載。該技術(shù)對(duì)管道形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)，無(wú)論是直線段還是復(fù)雜曲線段，都能實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的修復(fù)作業(yè)。與目前所使用的常規(guī)管道相對(duì)比，內(nèi)襯管道在性能以及價(jià)格方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)應(yīng)用非常廣泛[12]。

4 結(jié)論

在眾多內(nèi)襯材料中，聚合物材料內(nèi)襯因其施工便捷性和卓越的耐腐蝕特性，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。此類材料通過(guò)在水泥基體中摻入特定的聚合物，顯著提升了其抵抗各種化學(xué)腐蝕和物理磨損的能力。同時(shí)，金屬內(nèi)襯，尤其是不銹鋼和鍍鋅材料，以其卓越的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，在極端環(huán)境下的鋼筋混凝土防護(hù)中起到關(guān)鍵作用。鋁酸鹽無(wú)機(jī)防腐砂漿則以其獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性，在抵抗酸性環(huán)境腐蝕方面表現(xiàn)出色，為鋼筋混凝土提供了有效的保護(hù)層。但這些新型材料在實(shí)際工程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，聚合物材料內(nèi)襯的長(zhǎng)期耐久性、與不同基材的相容性以及在復(fù)雜環(huán)境條件下的性能穩(wěn)定性等問(wèn)題亟待解決。內(nèi)襯混凝土的應(yīng)用則需要在保證性能的同時(shí)，尋求優(yōu)化配比、提高施工效率和降低成本的有效途徑。相關(guān)研究應(yīng)更加注重材料的性能優(yōu)化、施工技術(shù)的創(chuàng)新以及環(huán)境友好性的提升，以滿足不同工程對(duì)內(nèi)壁內(nèi)襯材料的高性能、高效率和高環(huán)保性的需求，這也是未來(lái)研究的熱點(diǎn)方向。

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作者簡(jiǎn)介：蔡育賓（1992—），男，廣東普寧人，工程師。研究方向：生態(tài)環(huán)境治理。