养护防护复合功能材料标准应用到黑臭河道中的可行性分析

1.刘小艳 2.曹 镭 1.孙 旭 3.杨建贵 4.李田雨

1.南京市水利建筑工程检测中心有限公司 2.南京市水务局3.南京市水务工程建设管理中心 4.南京顺昌工程项目管理咨询有限公司

养护防护复合功能材料标准应用到黑臭河道中的可行性分析

1.刘小艳 2.曹 镭 1.孙 旭 3.杨建贵 4.李田雨

1.南京市水利建筑工程检测中心有限公司 2.南京市水务局3.南京市水务工程建设管理中心 4.南京顺昌工程项目管理咨询有限公司

根据《普通混凝土力学性能试验方法》和《混凝土检验评定标准》，混凝土浇注后，尚未具备足够的强度，所以初期阶段的养护非常重要。而黑臭河道恶劣的水环境整使混凝土从开始的养护阶段就发生破坏，黑臭河道中的混凝土结构在养护期发生裂缝、蜂窝、麻面，在强度增长期面临着碳化、钢筋锈蚀、硫酸盐腐蚀、率盐腐蚀、真菌细菌腐蚀等，造成混凝土结构服役寿命缩短，造成经济损失。本文提出了一种新型养护防护复合功能材料，针对黑臭河道中已建和在建的钢筋混凝土结构，采用内掺和涂刷的方法，提高钢筋混凝土结构的耐久性能和服役寿命。养护防护复合功能化材料的应用，将减小黑臭河道恶劣环境对混凝土结构造成的破坏，减少经济损失。

养防护复合功能材料；黑臭河道；抗碳化；抗渗

1 引言

城市黑臭河道整治，是中国近几十年高速发展以来政府对城市水利工作的补救措施。随着我国工业的快速发展和城市人口急剧增多，由于冶金、电镀、造纸、印染、制革等企业工业污水的排放，人们日常生活的洗涤废水和粪尿污水等，以及工业生产过程中产生的固体废弃物含有大量的易溶于水的氯盐、硫酸盐和有机物等，受雨水冲淋造成水体污染，其中一些金属元素及有机污染物已经严重超出《地表水环境质量标准》中所规定的含量。城市水体呈现出发黑发臭的现象，恶劣的水环境对水体中(附近)的混凝土结构造成了破坏，使混凝土服役寿命缩短。为解决水工混凝土在黑臭河道中服役性能加速衰减的问题，本文提出了一种养护防护复合功能材料的理念。

2 黑臭河道中混凝土结构的破坏原理

南京市水利工程中对于钢筋混凝土结构的要求仍然是遵循通行的规范。在黑臭河道恶劣的水环境中，设计的钢筋混凝土结构仍然遵循《水工混凝土结构设计规范》，结构在恶劣的水环境中将被加速破坏，很明显是不合适的。

2.1 水份渗透

混凝土表面和水接触时，毛细孔压力和压力差会促使水分向混凝土内部迁移。商品混凝土一般采用较大的水灰比，水泥水化速率较低。商品混凝土使用的骨料粒径，也决定了混凝土的抗渗性能的优劣。黑臭河道现场恶劣的水环境以及施工人员不规范的养护，造成混凝土的水化迟缓，直接影响混凝土内部的均匀性。若混凝土抗渗性能差，不仅周围水等液体易渗入内部，而且当遇到负温或环境水中含有侵蚀介质时，混凝土就易受冰冻或侵蚀作用破坏。对钢筋混凝土还将引起其内部锈蚀并导致表面混凝土保护层开裂与脱落。

2.2 真菌细菌腐蚀

随着人们对生活环境质量的要求越来越高，对混凝土而言，绿色环保无菌成了人们追求的目标。在黑臭河道恶劣的水环境中，细菌和真菌广泛的分布于水工混凝土结构表面与内部，在经常发生渗漏水的混凝土结构部位，细菌的存在使这些构筑物的局部环境卫生水平大大降低，影响其实用功能的正常发挥。与此同时，细菌和真菌在混凝土构筑物中的存在和繁衍还会破坏内部结构，劣化力学物理性能，降低使用寿命和耐久性。

2.3 碳化破坏

黑臭河道中有机物的厌氧性分解产生高浓度的CO2，在混凝土服役期间，将会加速混凝土结构的碳化。碳化会使混凝土对钢筋的保护作用减弱，当碳化超过混凝土的保护层厚度时，钢筋就会开始锈蚀。钢筋锈蚀造成混凝土的强度降低并引起构件力学性能和结构承载力降低，从而导致结构过早退出服役期，带来不可估量的经济损失甚至还可能造成人员伤亡。

2.4 硫酸盐腐蚀

黑臭河道中产生的硫化氢气体溶于水形成SO2-4，工业废水中含有SO2-4，SO2-4与水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)，固相体积将会增大94%，造成混凝土的膨胀、开裂与解体。硫酸盐破坏一般会在混凝土结构表面形成比较粗大的裂缝。与此同时，钙矾石生长过程中产生的的内应力，也进一步加剧了混凝土的膨胀。在高污染地区，其中硫酸盐浓度较高时，对黑臭河道中的混凝土而言不仅生成钙矾石，还会有石膏结晶析出。石膏的生成使固相体积增大124%，将会引起混凝土更为严重的膨胀开裂。

3 养护防护复合功能材料

3.1 国内外养护、防护技术现状

国内水利工程针对混凝土养护遵循的是《水工混凝土施工规范》。国内外在养护方面主要采用混凝土表面喷涂(或内掺)养护剂和覆膜保湿养护。目前外养护剂主要出现了无机类、有机乳液类、石蜡乳液类、有机复合类。在混凝土防护方面，常用的表面处理法(包括表面涂抹和表面贴补法)，仅适用于修补宽度小于0.2mm的裂缝。表面涂抹法适用于浆材难以灌入的细而浅的裂缝，表面贴补法适用于大面积漏水的防渗堵漏。另一常用方法——灌浆法，也仅适用于修补宽度大于0.2mm的裂缝。

长期以来，养护和防护一直作为独立的工法，应用于混凝土工程中。养护技术以保证胶凝材料水化、减少干燥收缩为目标，极少考虑减少自收缩和化学收缩。防护是通常是在混凝土发生开裂、劣化后才进行的补救措施，多采用表面涂抹法和灌浆法，但无法处理微小裂缝，施工工艺相对复杂，存在耐久性和环保问题。

3.2 养护防护复合功能材料的特点

相比较传统的混凝土掺外加剂与混凝土涂料，养护防护复合功能材料具有以下三个特点：

(1)二次钙矾石形成理论的应用

依据水泥化学原理，利用硬化混凝土中含有的单硫型水化硫铝酸钙和功能材料中的硫酸盐组分之间的反应，在表层混凝土毛细孔和裂缝中生成二次钙矾石，提高表层混凝土的体积稳定性和抗侵蚀性能。

(2)混凝土微裂纹自修复技术

本文采用的反应性功能材料，在水中的溶解度大，反应活性高，与混凝土中的水泥水化产物及未水化的矿物材料反应，产物填充于毛细孔和裂缝中。

(3)混凝土养护、防护一体化技术

长期以来，养护和防护一直作为独立的工法，应用于混凝土工程中。本项目首次采用混凝土养护、防护一体化技术，集成应用项目研发团队的创新性成果，通过减蒸保湿、自养护、混凝土缺陷处二次钙矾石生成及纳米技术的应用，促进矿物外掺料水化，对微裂纹和可见裂缝均具有修复作用。

3.3 养护防护复合功能材料的制备

根据《混凝土结构工程施工规范》中的质量检查的要求，针对工程现场水分蒸发快、混凝土结构收缩开裂、混凝土结构孔隙大等原因，混合使用减蒸型保坍剂、自养护剂、愈缝剂、纳米防水材料、钙矾石转化剂以及抗菌剂，减蒸型保坍剂具有保水减蒸及高流动性保持作用，自养护剂微粉通过内引水养护减少化学收缩，反应性愈缝剂通过与活性矿物反应愈合裂缝，纳米防水材料提高抗渗性阻止有害离子进入，钙矾石转化剂在毛细孔和微缝中生成钙矾石，抗菌材料的使用能有效抑制细菌的繁殖并达到杀菌的效果。以上多种材料通过物理复配，作为养护防护功能组份，使用在混凝土中将极大的提高混凝土的耐久性能。

3.4 养护防护复合功能材料的施工技术

养护防护复合功能化材料针对不同的情况采用不同的方法。

(1)内掺法：在拌合混凝土时，将养护防护复合功能化材料作为粉料掺入进行搅拌。根据不同的要求进行掺量的调整，制备的混凝土既能达到预期的使用要求，又能降低成本。

(2)浆体涂刷：将养护防护复合功能化材料溶于水配成浆体，均匀的涂抹在已建成的混凝土结构表面。根据不同的要求进行浆体配比的调整，减缓混凝土的性能损失，延长混凝土服役寿命。

结语

通过对国内外近几年养护以及防护措施的介绍，我们可以看到工程上仍然是把养护和防护分开做。混凝土养护有表面喷涂(或内掺)养护剂和覆膜保湿养护，混凝土防护有表面处理法(包括表面涂抹和表面贴补法)。养护和防护一直作为独立的工法，应用于混凝土工程中。本文提出的养护防护复合功能材料具有较好的应用前景，主要得到以下三个结论：

1、在黑臭河道整治工程中恶劣的水环境中，养护防护复合功能材料能有效提高混凝土养护效果、减缩抗裂效果、耐久性提升效果；

2、养护防护复合功能材料采用减蒸、减缩、内养护、活性组分渗透及反应，降低混凝土的养护和防护成本，简化施工操作的工艺；

3、养护防护复合功能化材料具有多种配合比以及施工工艺，适用不同的水环境以及不同类型的水利构筑物。

[1]丁华.黑臭河道的形成及治理技术的探讨[J/OL].工程技术研究，2017，(06)：91-92

[2]李澄.城市河道环境综合整治技术研究[A].中国城市规划学会.城乡治理与规划改革——2014中国城市规划年会论文集(02-城市工程规划)[C].中国城市规划学会：2014：7

科技项目：2016年度南京市水务科技项目资助