市政混凝土污水输送管道内部腐蚀及防腐的研究

阎富杰

（郑州污水净化有限公司，河南 郑州450000）

0 引 言

我国早期建设的市政混凝土污水输送管道主要利用混凝土本身的防腐特性，设计合理的混凝土保护厚度及合理的混凝土抗渗指标，其中大多数管道没有采用额外的防腐措施。但从已建的市政混凝土污水输送管道来看，导致混凝土管道失效或临近失效的一个重要的原因是管道内部混凝土及钢筋受到了严重的腐蚀（见图1）。

图1 某工程箱涵顶部及侧壁腐蚀情况之实景

目前，确认的钢筋混凝土防腐有效的附加措施包括：钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋、阴极保护和钢筋混凝土表面防护。其中，混凝土表面防护是最简单有效的措施。这种措施不仅能够应用于新建管道工程，也可以应用于现有管道的修复工程。市政混凝土污水输送管道的防腐涂层及防腐面层的开发成为研究的重点。

1 腐蚀机理

污水管道所处的环境，主要是污水管道内部雨水、内部污水、外部地下水及外部土壤对管道内外的物理、化学及生物腐蚀，还包括载荷、温度、爆炸、震动、冲击、沉降、地震、冲刷等的机械作用。市政混凝土污水输送管道的腐蚀与其他混凝土建构筑物的腐蚀相比有一个显著的不同是，管道内部会受到雨污水及污泥中微生物对混凝土的长期腐蚀作用。

1.1 微生物作用

微生物作用对管道的腐蚀过程是自然界硫循环的一部分，该过程称为生物硫酸腐蚀。污水在管道输送过程中，污水中悬浮物逐渐堆积在管道底部形成污泥。污泥中的SO42-被硫酸盐还原菌还原，生物化学反应生成硫化氢。反应中释放出来的H2S气体聚集到管道上部未填充水的空间与混凝土接触。接着H2S又由于硫氧化菌的生物化学反应生成硫酸。在硫酸的长期腐蚀作用下，混凝土内部钢筋由于去钝化而被破坏。而且硫酸盐还原菌的存在会造成混凝土内部pH值的下降，形成恶性循环。pH值越低，硫氧化菌的繁衍速度越快，甚至在pH值为1的环境中还能进行繁殖。图2为腐蚀机理示意图[1]。

已建市政混凝土污水输送管道的腐蚀情况，管道内壁腐蚀呈以下特点：

（1）管道水气分界面处及水位变化频繁处比其他区域腐蚀更为严重。

（2）在相同的环境下，管道底部通常要比顶部、侧壁腐蚀轻些，这是由于底部常年被污泥覆盖，所处状态相对稳定，所以腐蚀发展较慢[2]。

图2 腐蚀机理示意图

（3）水质变化较大或水质较差的管道比水质较稳定或水质较好的管道腐蚀严重。

1.2 其他腐蚀作用

与钢筋混凝土结构在其他环境受到腐蚀的机理一样，市政混凝土污水输送管道同样会受到管道内部雨污水、外部地下水及土壤环境下的硫酸盐腐蚀、氯离子腐蚀、酸性介质腐蚀、碳化作用等。

污水中的硫酸盐渗透进混凝土的孔隙中，会与混凝土中的某些成分发生化学反应。硫酸盐与混凝土生成的产物遇水生成结晶，结晶物质会导致体积膨胀，从而在混凝土内部形成膨胀应力。一旦混凝土内部产生的膨胀应力超过混凝土粗细骨料与胶凝物的粘结力后就会导致混凝土开裂现象，进而形成由内到外的剥蚀。污水中的SO42-与混凝土中Ca（OH）2形成CaSO4。另一方面，污水中的SO42-还会与混凝土中的水化铝酸钙发生化学反应，生成硫铝酸钙。硫铝酸钙含有31个结晶水，体积膨胀剧烈，约为原水化铝酸钙体积的2.5倍[3]。随着硫酸盐腐蚀作用的进行，混凝土由于膨胀应力，内部颗粒间孔隙越来越多且间距越来越大，内部的渗透性也随之增大，因此污水中硫酸盐或其他腐蚀物质的入侵混凝土更加容易并且剧烈，从而形成恶性循环，加快了混凝土及混凝土内部钢筋的锈蚀。

污水中的氯离子自由扩散进入混凝土内部，运动到钢筋表面就可以吸附在钢筋表面上。由于氯离子具有较高的活性，可以与钢筋的钝化膜发生反应，反应后的钝化膜逐层脱落，直到最终出现缺口，此处裸露出来的金属就是一个活化的阳极，其他未脱落的区域为阴极，形成大阴极-小阳极的化学电池，阳极区的腐蚀电流很大，腐蚀速度很快，使得钝化膜缺陷处形成一个腐蚀坑。

污水中的酸性介质会造成混凝土内部组成成分的碱性丧失，使得砂浆层粉化脱落。其机理是由于酸性介质会使混凝土中大量的Ca（OH）2被其中和，导致内部石灰碱度大幅降低，进一步使得混凝土中水化铝酸钙和水化硅酸钙的分解。最终酸性介质破坏了混凝土中的胶凝体，使得管道力学性能降低。污水污泥中微生物生成的H2S气体与混凝土中Ca（OH）2生成易溶解的硫氢酸钙会随管道水流流失，从而使混凝土产生弱酸腐蚀。导致酸性介质更容易与钢筋接触，钢筋表面钝化膜遭到破坏钢筋生锈，钢筋生锈后体积膨胀使得混凝土受膨胀应力，混凝土进一步开裂剥落。另外污水中的酸性介质还会加速分解混凝土中的水化硅酸钙和水化铝酸钙，破坏混凝土的凝胶体，使混凝土的强度降低。

管道中的二氧化碳通过孔隙进入到混凝土内部与氢氧化钙等碱性物质反应，导致混凝土碱性下降。新浇筑的混凝土内部是呈碱性的，碱性环境能够保护混凝土不受损坏。而且钢筋混凝土中钢筋在碱性环境内和少量氧气下，由于初始的电化学作用，会迅速生成一层致密的钝化膜，保护钢筋不受到腐蚀。但如果混凝土发生碳化，碱性下降，PH值降低，会让钝化膜的溶解速度大于生成速度，造成钝化膜的破坏。钢筋的钝化膜一旦受到破坏，钢筋极易被锈蚀。

2 混凝土管道内防腐层

市政混凝土污水输送管道中混凝土表面涂层和防腐面层防护的原理是降低污水腐蚀离子的渗透速率，达到隔绝或减轻污水腐蚀物质对混凝土的作用。某些内防腐层还可以减少微生物附着和抑制微生物的繁殖，减少微生物的腐蚀作用。根据混凝土管道内防腐层的材料，混凝土管道内防腐层可以分为三大类：有机涂料类、防腐砂浆类及防腐内衬类。

2.1 有机涂料类

根据不用的有机材料，有机涂料类包括环氧涂料、聚氨酯涂料、聚脲弹性体涂料、丙烯酸乳胶漆、氟树脂涂料、有机硅树脂涂料、玻璃鳞片涂料等，其中应用在市政混凝土污水输送管道防腐材料最常见是聚氨酯涂料。

聚氨酯涂料应用在市政混凝土污水输送管道中具有以下优点：聚氨酯涂料具有低透水性和低透气性，以及优异的耐腐蚀性；通过调节混合比例，可以将涂层制成刚性涂层或柔性涂层；还可与各种树脂混合或改性制备各种聚氨酯防腐涂料；可以在低温潮湿的环境下固化。其具有良好的机械性能，良好的水解稳定性，抗生物污损性和耐温性。

2.2 防腐砂浆类

在水泥砂浆中加入聚合物乳液改性砂浆之后，改善了水泥浆体之间的界面结合性能，两者之间的粘结性能得到大幅度的提高。众所周知，水泥浆体与粗细骨料之间的界面是砂浆中的薄弱环节，一旦砂浆内部受到应力作用，极容易在该薄弱环节产生裂纹。如果在砂浆中掺入聚合物改性，则水泥砂浆在凝结过程中，聚合物就会在水泥浆体与细骨料之间干燥成膜，使两者之间的结合更加密实。加强水泥浆体与细骨料的结合得到的直接表现为：提高了水泥砂浆抗拉强度，改善了延伸性，从而减少了干缩裂缝的形成[4]。无机防腐砂浆是以无机防腐胶凝材料为主的预干混砂浆材料，工地现场加水混合后，通过机械泵送、喷涂到待保护结构表面（见图3）。一方面防腐砂浆可以减少污水腐蚀物质与混凝土的直接接触，从而提高管道的防腐性能得到提高。另一方面铝酸盐水泥具有抑制硫化菌生长的作用，截断硫酸产生来源。

图3 防腐砂浆施工之实景

防腐砂浆类防腐的优点是基层处理简单，施工方便；有足够的施工厚度，容易保证施工质量；并且防腐砂浆环保、无毒无味、施工环境安全健康。但是防腐砂浆延伸率较低，接口需要特殊处理；而且无机防腐砂浆表面粗糙，水头损失较大且容易堆积污泥。

2.3 防腐内衬类

内衬类防腐设计可以采用内衬PE、内衬HDPE、内衬玻璃钢、内衬PVC等材料，内衬材料的防腐性能决定了整个混凝土管道的防腐性能。内衬防腐材料通常具有优良的耐腐蚀性能，与混凝土管道有一定的粘结性，还具有高伸缩性。内衬类防腐与管材一体预制成型，通过特殊的锚钉机械式地嵌入混凝上管内壁，不易脱落（见图4）。防腐内衬类的机理是：首先，内衬材料隔绝了污水腐蚀物质与混凝土管道的直接接触，有效地隔阻腐蚀液体渗透到钢筋混凝土管中的钢筋；其次，内衬材料的低粗糙度，降低了管道中淤泥的堆积，也减少了微生物对内壁的腐蚀作用。但是在现场施工中，可能会对管内壁防腐片材造成损伤，需采用相应的措施进行成品保护。

图4 内衬HDPE混凝土管道及特殊锚钉设计之图示

2.4 混凝土管道内防腐层的选用

在选用混凝土管道内防腐层类别时，首先根据污水管道工程自身的工程特点，考虑以下因素：

（1）根据管道的重要程度与运营期间检修便利条件，确定需要的防腐年限及防腐性能；

（2）根据管道内部环境封闭情况，确定需要的防腐材料VOC（可挥发有机物含量）及在潮湿环境下施工的特性；

（3）根据管道雨污水中颗粒物含量，确定需要的耐磨性能；

（4）根据管道的埋深及接口形式，确定需要的粘结强度；

（5）根据水质情况及污泥堆积情况，确定需要的防腐涂料表面水阻与糙率系数。

明确所需要的防腐材料性能后，可以根据有机涂料类、防腐砂浆类及防腐内衬类防腐材料的性能对比，确认选用的防腐材料类别（见表1）。

表1 三类防腐材料对比表

3 结 论

（1）市政混凝土污水输送管道的腐蚀与其他混凝土建构筑物的腐蚀相比有一个显著的不同是，污水输送管道内部腐蚀主要因素是受到雨污水及污泥中的微生物在长期下对混凝土的腐蚀作用。

（2）从管道腐蚀的微生物作用、硫酸盐腐蚀、氯离子腐蚀、酸性介质腐蚀、碳化作用等腐蚀过程中可以看出，一旦管道腐蚀形成，都会形成恶性循环，使得腐蚀循环过程越来越快，越来越严重。在实际中，这几种腐蚀是同时存在的，腐蚀物质叠加腐蚀的机理还需进一步研究。

（3）混凝土表面涂层和防腐面层防护的原理是降低污水腐蚀离子的渗透速率，达到隔绝或减轻污水腐蚀物质对混凝土的作用，提高形成腐蚀恶性循环的阈值。