预应力钢筒混凝土管砂浆保护层防腐性能研究

□卞智远

（新疆伊犁河流域开发建设管理局）

1 概述

与所有埋地型管材相同，PCCP 需要埋设在地面以下，PCCP管道的腐蚀与管体周围土壤的类别、土壤中含盐腐蚀性介质的种类和数量、以及侵蚀介质与保护层水泥砂浆材料发生化学反应的形式与特征休戚相关，不同的地层岩性对PCCP的腐蚀性存在着较大差异。按照中国学者马孝轩的分类，中国土壤可分成中碱性土壤、酸性土壤、内陆盐土及滨海盐土四大类。

1.1 中碱性土壤

主要分布在中国中原、华北、东北等地区，土壤的pH值在7.00～8.50，SO4 离子含量占土壤重量的0.05×10-1%～0.45×10-1%，Cl 离子含量占土壤的重量的0.02×10-1%～0.12×10-1%，Mg离子含量占土壤重量的0.01×10-1%～0.02×10-1%。该类土壤对PCCP 的腐蚀甚微，属弱腐蚀，少量为中等腐蚀。除极少数地区土壤的腐蚀介质浓度超过"阀值"需作附加防腐措施外，如果管材质量（尤其是保护层质量）符合国标要求、管线设计正确、施工科学，绝大多数情况，埋设在中碱性土壤中的PCCP管道无须作任何附加防腐措施即可满足安全使用50 a的要求。

1.2 酸性土壤

分布在中国南方各省的砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤等均属酸性土壤类别。土壤的PH 值在4.00～6.50，SO4离子含量占土壤重量的0.08×10-1%～0.22×10-1%，Cl 离子含量占土壤重量的12%左右。该类土壤对PCCP 的腐蚀主要为分解性腐蚀，在广东东部（如深圳、惠州地区），由于地下强透水层发达，有利于地下水的流通，也有利于腐蚀产物的生成和流失，对埋地混凝土结构的腐蚀就会同时有溶出性和分解性两类腐蚀，都属中等腐蚀。然而由于PCCP管材保护层的水泥砂浆抗压强度很高，且单位水泥用量也高，Ca 离子的含量高，Ca（OH）2不易溶出，因此，发生溶出性与分解性腐蚀的可能很小，可以不予考虑。

1.3 内陆盐土

新疆、青海、甘肃、内蒙等地区的土壤类别属内陆盐土，土壤剖面的中、下部形成明显的盐积层，在盐积层中易溶盐含量超过50%～60%，土壤的PH 值在8.00～9.50 之间，SO4离子的含量最高可达土壤重量的1.43%，Cl 离子的含量高达0.82%，Mg离子的含量可达0.62%。此类土壤对PCCP保护层水泥砂浆会产生极严重的膨胀性腐蚀破坏，属强腐蚀或极强腐蚀性。

1.4 滨海盐土

沿海地区，如：天津地区、浙江舟山等沿海地区、江苏连云港、盐城沿海地区等地的土壤属滨海盐土。其土壤中的腐蚀因子主要为氯化物和硫酸盐，还含有大量的碳酸盐和镁盐。该类土壤的PH值在7.50～8.50之间，Cl离子的含量占土壤重量一般在2.62%左右，SO4离子一般约0.28%，属强腐蚀或极强腐蚀性。

滨海盐土对埋地PCCP管道的腐蚀主要是氯盐对PCCP中预应力钢丝的锈蚀和硫酸盐对保护层水泥砂浆的膨胀性破坏。由于氯离子的浓度比硫酸盐的浓度高，一方面会快速破坏钢丝表面的钝化膜，另一方面还会对硫酸盐的腐蚀具有一定的抑制作用，因此，主要的腐蚀因子是土壤中的氯离子，鉴此，埋设在此类土壤中的PCCP管道必须施加以阴极保护为主、外涂层为辅的附加防腐措施，才能确保管道的长期运行安全。

PCCP管接触有腐蚀性的环境条件时，必须对其进行防腐保护，以增加其耐久性。预应力钢筒混凝土管（PCCP）防腐的目的是防止管内的预应力钢丝与管材外表层受腐蚀因子的侵蚀破坏，导致管材失效，而影响管线的正常运行。作为PCCP结构的一部分，管材的水泥砂浆保护层对PCCP的防腐起着重要的作用。

2 砂浆保护层的性质

水泥砂浆保护层是PCCP管材结构的重要组成部份，它具有一定的厚度和较高的强度，除了通过联合变形承担一定的内、外压荷载外，还起到防止因外力造成预应力钢丝损伤的物理防护作用。一般情况下，水泥砂浆中孔溶液的高碱性（PH值＞12.50），在钢丝表面形成钝化膜，使得腐蚀侵蚀降低到可以忽略的程度，只要钝化层持续存在，钢丝的锈蚀就不会发生，从而起到防腐的效果。

对PCCP而言，空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入保护层水泥砂浆，与水泥中的碱性物质发生反应，使水泥砂浆中的pH值下降的过程称为保护层水泥砂浆的中性化过程，其中，由于大气中有一定含量的CO2，因此，碳化是长期露天堆放的PCCP中预应力钢丝脱钝锈蚀的前提条件，从而会影响PCCP结构的耐久性。

PCCP 管道周边的土壤、地下水中的游离Cl 离子通过渗入、扩散的方式进入保护层水泥砂浆，并在钢丝表面的砂浆孔溶液中积累到一定的浓度后，即便在碱度较高、PH 值＞11.50时，因Cl离子的半径小、活性大，有很强的穿透钝化膜的能力，并在钝化膜内层形成易溶的FeCl2，使钝化膜局部溶解，形成坑蚀。当此类坑蚀较为普遍发生并扩大、合并就会发生大面积锈蚀。

此外，PCCP管道周边土壤、地下水中的硫酸盐离子则会和保护层水泥砂浆的某些水化产物发生化学反应，生成膨胀性的产物（如钙矾石、石膏等），造成保护层开裂、剥落、破坏，直接破坏了钢丝表面钝化膜的生成条件，致使钢丝大面积锈蚀。

3 提高保护措施

3.1 保护层厚度

砂浆保护层厚度至关重要，从《预应力钢筒混凝土管》GB/T19685不同版本中对其厚度变化调整中即可看出，PCCP预应力钢丝外水泥砂浆保护层的最小厚度由2005版的20 mm提高到25 mm。钢丝外的水泥砂浆保护层厚度越大，O2的浓度梯度越小，在同等CL-离子侵入浓度下，锈蚀速度越慢。试验表明：保护层厚度（c）与钢丝直径（d）的比值c/d 越大，保护层的锈蚀抗裂率越大，抗裂的时间越长。c/d值从原有的3.66～4.00提高到4.16～5.00，抗裂腐蚀率则从2.00%提高到3.00%，提高了33%。

3.2 水泥的品种和单位水泥用量

GB/T19685与AWWAC301都要求保护层水泥砂浆采用与成型混凝土管芯相同品种的硅酸盐水泥，不能采用不同品种的水泥。如采用不同品种的硅酸盐水泥分别作为管芯混凝土和水泥砂浆用水泥，则会形成电位差，从而加速PCCP 中薄钢板与预应力钢丝表面的脱钝，加快它们的锈蚀。

当PCCP 管道周围地下水或土壤中有较高浓度的硫酸根离子时，设计人员往往会想到直接采用抗硫酸盐水泥来防止硫酸盐对保护层水泥砂浆的侵蚀。实践证明，这种想法是错误的。关于抗硫酸盐水泥，专家认为：抗硫酸盐水泥只是硅酸盐水泥的一个品种，仍属于硅酸盐水泥的体系，它不是广义上的耐腐蚀水泥；作为水泥，它只对浓度不高的硫酸钠有一定的耐腐蚀性，并不能耐其他硫酸盐（如硫酸镁、硫酸铵等）的腐蚀；由于硫酸盐易产生结晶，因此不能用于地下水位不高、存在季节性干湿循环的地区（如中国北方、西北地区）；该水泥耐硫酸盐的机理是通过降低水泥中硅酸三钙和鋁酸三钙的的含量，因此，水泥石中的碱度相对较低，不利于钢丝表面钝化膜的生成，且降低了鋁酸三钙对Cl离子的吸泭量，与硅酸盐水泥相比，对钢丝的保护性能差。综上所述，抗硫酸盐水泥不适合用于制作保护层水泥砂浆，尤其不能用于有Cl离子的环境中。

GB/T19685及AWWAC301对保护层用水泥砂浆的配合比都作了如下的规定：按重量计，水泥；细骨料（砂）为1∶＜3（常用的为1∶2.50），折合单位水泥用量在575 kg/m3以上。

较高的单位水泥用量可大大提高钢丝周围的pH 值，从而保持钢丝上钝化膜的稳定，还可降低Cl 离子破坏钝化膜的可能。同时，高水泥用量也可通过减弱碳化速度而明显的减缓对保护层水泥砂浆的碳化。

3.3 吸水率和抗压强度

3.3.1 吸水率

GB/T19685 规定，水泥砂浆吸水率全部数据的平均值≤9%，最大值应≤10%；AWWAC301规定吸水率试验的平均值应≤9%，单块试件的吸水率应≤10%。

水泥砂浆（混凝土）的吸水率是检验其开放空隙率的指标，降低其开放空隙率，提高密实度是提高水泥砂浆（混凝土）电阻抗的重要措施。而水泥砂浆（混凝土）的电阻抗则是影响PCCP中预应力钢丝锈蚀的重要因素。无论在有无Cl 离子的情况下，钢丝的锈蚀速度都与水泥砂浆（混凝土）的电阻抗成反比，即电阻抗越高，则钢丝的锈蚀速度越慢。

3.3.2 抗压强度

为确保抗压强度，AWWAC301 对保护层的养护方式也作了规定：采用蒸汽养护时应采用与混凝土管芯相同的养护制度至少养护12 h；采用洒水养护时，间断喷水保持保护层湿润至少4 d，而在最初24 h内出现环境温度＜10℃的期间，每出现1 h则总喷水养护时间增加1 h。

足够高的抗压强度，既可提高保护层的物理防护作用，也提高保护层抗御Cl离子、硫酸根离子侵入和减弱碳比能力。

4 结语

①PCCP的水泥砂浆保护层是PCCP管体结构中的重要组成部份，除了在结构上承受内、外力的作用和对管体的物理防腐外，其孔隙水中的高碱度会在管体的预应力钢丝外形成一层钝化膜，正是这层钝化膜使PCCP具有很强的自防腐能力。②只要管线设计正确，管材制作（尤其是保护层的制作）符合相应国标与规范的要求，施工科学，大多数情况下，埋地PCCP管线无需附加防腐措施，完全可以达到安全运行的目的。③当土壤中的腐伤因子含量达到或超过其“阀值”后，就必须对埋设在该土壤中的PCCP 管道实施另外的附加防腐措施。常用的附加措施有管体外的涂层和阴极保护，为防止土壤中硫酸盐离子对保护层的膨胀性破坏，一般情况下，应优先考虑管体外的涂层防腐，再辅以阴极保护。④中国地域辽阔，各地区土壤的理化性能有很大差异，实际操作时，应根据当地的实际请况选择管道的防腐措施。当管线埋设在西北地区的内陆盐土与沿海地区的滨海盐土时，尤其要慎重考虑其防腐措施，并作好防腐设计。