服役地下排水渠道耐久性环境因素分析

2022-03-26王永杰陈善长杨建宇

重庆建筑 2022年3期

王永杰，陈善长，杨建宇

（1长沙市公共工程建设中心，湖南长沙 410013；2长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

随着城市化不断推进，早期建造的砖混地下排水渠道输送的污水量逐渐增多、腐蚀性逐渐增强，导致其由环境作用引起的耐久性问题日渐突出。而由于排水渠道埋于地下，其耐久性问题不被重视。目前，国内对渠道结构的研究大多围绕缺陷检测、健康评估等展开[1-3]，而对渠道结构腐蚀原因与机理的研究相对较少。

环境作用研究是渠道结构耐久性研究的基础。为厘清影响地下排水渠道耐久性的原因及其腐蚀机理，本文以长沙市红旗渠修复工程为例，开展对服役地下排水渠道耐久性环境因素的研究。研究成果可为城市老旧渠道结构修复或新建渠道结构耐久性设计及施工提供参考。

1 工程背景

长沙市红旗渠主渠始建于上世纪七十至九十年代，长度约9.6km，结构以砖拱涵、混凝土拱涵、盖板涵为主，侧墙主要为砌体形式。2015至2018年发生了四次塌陷事故，表明渠体结构存在较大安全隐患。根据主渠检测结果，约60%的主渠结构存在明显的耐久性问题（图1），约38%的主渠结构存在重大或严重缺陷，需进行重点修复。

图1 长沙市红旗渠主渠破坏现状

2 服役渠道结构面临的环境作用及腐蚀机理

2.1 渠道结构面临的环境作用

服役地下排水渠道结构（简称服役渠道结构）与含有较多侵蚀性介质的污水、淤泥长期接触，渠道内部形成的淤积环境为大量微生物提供了绝佳生存条件，此外，渠道未充水部分空气中的CO2对结构的碳化也不能忽视。上述化学、生物作用都会对砖混渠道结构造成长期腐蚀。

服役渠道结构还长期遭受荷载、干湿循环、冲刷等物理作用的影响。其中，荷载包括覆土、车辆荷载等，由于荷载的存在，使渠道结构处于应力腐蚀状态；由于季节降水等原因，导致渠道内侧污水流量时刻变化，在液面变化区存在干湿循环作用；再加上污水的冲刷作用，在很大程度上促进了渠道结构受腐蚀的发展。

综上，恶劣的环境因素是导致服役渠道结构耐久性下降的主要原因，渠道结构往往处于多种因素共同作用的腐蚀环境中，下面将结合相关环境调查对渠道进行腐蚀机理分析。

2.2 污水及淤泥腐蚀性调查及影响分析

2.2.1 腐蚀性成分检测

为探究污水及淤泥的腐蚀性成分，在红旗渠不同地点对污水及淤泥进行取样，并对其中可能存在的腐蚀性成分进行检测，结果见表1。

表1 污水及淤泥腐蚀性成分检测（表中为峰值浓度）

检测结果表明，污水及淤泥中含有多种腐蚀性介质，服役渠道结构遭受多种环境腐蚀作用，无论污水还是淤泥，其中的硫酸根离子浓度均最高，由此可推理出服役渠道结构主要遭受硫酸盐腐蚀。

2.2.2 腐蚀性介质影响分析

（1）硫酸盐腐蚀

经实地调查及强度检测得知，渠道内墙身砌块基本完好，但砂浆存在剥落情况（图2），表明其遭受过腐蚀，而污水侵蚀区的砂浆强度劣化较非侵蚀区严重。此外，混凝土构件污水侵蚀区也有粗骨料漏出。这主要是污水中SO2-4通过孔隙进入混凝土、砂浆内部与其水化产物发生化学反应。一方面，反应会消耗Ca（OH）2等水化产物，破坏胶凝体结构；另一方面，根据污水SO2-4浓度及文献[4-5]可知，反应产物为钙矾石，体积增大1.5倍以上。膨胀产物在混凝土、砂浆内部孔隙积累形成膨胀内应力，当内应力大于混凝土、砂浆抗拉强度时，将导致其开裂，强度降低。在水流冲击等作用下，表面混凝土、砂浆极易疏松脱落。

图2 渠道砌体遭受污水腐蚀

调查还发现，在渠道内液面变化区，渠道结构腐蚀现象更严重，这可能是由于此区域存在干湿循环作用，使得渠道结构不仅发生硫酸盐化学反应，同时还发生盐结晶物理反应。

（2）软水侵蚀

引起混凝土、砂浆劣化的另一个原因是受软水侵蚀影响。软水侵蚀又称溶蚀，服役渠道结构会受到自然溶蚀及酸性介质溶蚀的作用。水化良好的水泥浆体pH值一般在12.5～13.5之间，当pH＜12.5时，混凝土与砂浆可能因水化产物稳定性减弱而劣化。红旗渠污水的pH值为7.3，远小于12.5，外加混凝土、砂浆内部与污水之间的钙离子浓度差以及污水冲刷作用，混凝土、砂浆孔隙溶液中的钙离子会不断向污水中扩散，导致水化产物分解，混凝土与砂浆劣化。考虑到渠道长期被污水浸没，混凝土、砂浆的自然溶蚀会持续缓慢进行。

污水中还含有较多酸性介质（如游离CO2、H2S等），会对混凝土、砂浆产生酸性软水腐蚀。调查现场有刺鼻臭鸡蛋味溢出，说明渠道内部含有较多H2S气体。污水中酸性介质与混凝土、砂浆中难溶的Ca（OH）2发生中和反应，生成易溶解的Ca（HCO3）2和Ca（HS）2而随污水流失[6]。久而久之，混凝土、砂浆内部碱度逐渐降低，水化铝酸钙和水化硅酸钙逐渐分解，混凝土、砂浆强度下降。

（3）微生物腐蚀

服役渠道结构与其他工程结构所处腐蚀环境的最大不同点是还会遭受微生物腐蚀，如图3所示。经调查，主渠有95%的渠段存在不同程度的淤积问题，厚度为0.2～0.7m，最深可达1m。在淤泥层形成了富含有机物，具有适宜pH值、温度的厌氧环境，为硫酸盐还原菌提供了绝佳的生存条件。

图3 渠道混凝土盖板受腐蚀

Thistle-thwayte[7]提出了污水管道微生物腐蚀原理。对于服役渠道结构，污水、淤泥中的SO2-4会被硫酸盐还原菌还原，通过生物化学反应生成H2S。反应中释放出来的H2S气体从污水中溢出（渠道内有浓烈臭鸡蛋味），聚集到渠道上部与砖、混凝土拱顶或顶板接触。接着H2S被硫氧化菌氧化生成硫酸（图4），与混凝土、砂浆中Ca（OH）2发生反应，导致渠道顶部遭受严重腐蚀。

图4 渠道结构微生物腐蚀机理示意图

（4）其他腐蚀

调查数据显示，Cl-为污水中第二大侵蚀性离子，其主要通过扩散作用沿孔隙进入混凝土内部，最终到达钢筋表面，形成腐蚀电池并发生电化学反应，使钢筋发生锈蚀。此外，钢筋的锈胀作用对混凝土形成膨胀应力，加快混凝土劣化。由于红旗渠老结构浸水部分大多为砌体侧墙，氯离子导致钢筋锈蚀情况并不明显，但在新建排水渠道或渠道修复时需引起足够重视。

污水及淤泥中还含有会对渠道混凝土、砂浆产生腐蚀的Mg2+，淤泥中相对较多。Mg2+会与水泥浆体中的Ca（OH）2反应生成难溶的Mg（OH）2，此过程会破坏水泥浆体的碱性环境，导致其劣化。一般而言，污水中Mg2+含量很低，可认为是导致服役渠道结构腐蚀的次要因素。

2.3 碳化环境调查分析

服役渠道结构上部未充水部分会遭受空气中CO2对混凝土、砂浆的碳化作用。其原理是CO2气体向混凝土、砂浆内部扩散，溶于孔隙中的水再与Ca（OH）2发生中和反应，破坏水泥浆体的碱性环境，最后导致混凝土、砂浆疏松劣化、强度下降。当扩散到钢筋表面时，还会引起钢筋锈蚀。

温度与湿度是影响碳化的主要因素。经调查，红旗渠渠道内温度一般在11℃～21℃之间，此温度段地面洁净空气CO2浓度约为0.04%，而渠道内大气压一般高于地面，可推测出其空气中CO2浓度要高于地面，面临的碳化作用可能比地面严重。一般而言，在中等湿度（50%～70%）情况下，碳化作用最快。经调查，红旗渠渠道内湿度为85%以上，高于长沙市地面平均湿度76%（2012年数据），从湿度方面评价其碳化速率又要低于地面。

为探明服役渠道结构面临的碳化作用的具体大小，对红旗渠修复工程试验段渠道结构（砖拱涵）进行了碳化深度检测，结果如表2所示。

表2 红旗渠砖拱涵碳化调查

结果表明，渠道砌体砂浆的碳化深度普遍很浅，考虑到红旗渠主渠已服役30～50年，表明渠道受碳化作用影响较小，因碳化作用而导致渠道结构耐久性问题的风险较低。

3 环境因素对服役渠道结构缺陷形成的影响

3.1 服役渠道结构缺陷调查

通过对红旗渠主渠结构性缺陷的调查，发现主渠结构有60%存在缺陷，且缺陷种类较多，主要包括冲刷侵蚀破坏、破裂、风化等，各缺陷占比如图5所示。

图5 结构性缺陷统计图

（1）渠道基础及墙身受污水冲刷侵蚀破坏占比最大（31%），冲刷破坏中又有88%的渠段结构性缺陷评定等级为Ⅲ、Ⅳ级（严重、重大缺陷），冲刷侵蚀深度大多为0.2～1m，最深达到1.5m，表明渠道结构面临着非常严重的污水冲刷侵蚀作用。

（2）有15%的渠段存在破裂情况（包括渠顶、墙身破裂），破裂缺陷中又有90%的渠段结构性评定等级为Ⅲ、Ⅳ级。

（3）其他结构性缺陷包括起伏、错口等。

3.2 结构性缺陷成因分析

化学、生物、物理等环境因素往往会综合作用，从而加速、加剧服役渠道耐久性下降过程，造成渠道提前破坏。渠道前三大缺陷往往是由环境综合作用促进形成的。

（1）冲刷侵蚀破坏

导致服役渠道墙身及基础冲刷破坏的直接原因是污水物理冲刷作用，这点尤其在拐弯处更明显，此处受到的冲刷力度更大，往往破坏更严重。而间接原因是遭受污水化学腐蚀，如硫酸盐腐蚀、软水侵蚀等，渠道侧墙砌块间的砂浆逐渐丧失粘结性能，强度降低，而混凝土底板从表到里逐渐劣化。在污水冲刷作用下，劣化的混凝土、砂浆被不断冲走，构件耐久性逐渐降低，进一步演变成砌块沿砂浆薄弱处整体脱落（图1c），墙体及基础逐渐被掏空。因此，冲刷侵蚀破坏是物理与化学综合作用的结果。

（2）破裂

引起服役渠道结构渠顶、墙身破裂的直接原因是受到大于自身承载的上部或侧向压力，而间接原因是渠顶、墙身面临环境腐蚀，导致其耐久性下降、承载力降低。渠顶遭受着微生物腐蚀及碳化作用的影响，逐渐使混凝土、砂浆劣化，在上部压力作用下，混凝土板发生破裂（图1b），而砖块沿砂浆薄弱处整块脱落（图6a）。渠道墙身砌体长期遭受着污水的冲刷腐蚀作用，砂浆粘结能力逐渐下降，在侧向土压力作用下，沿最薄弱的砂浆粘合处发生侧墙破裂（图6b）。可见，渠顶（受物理、化学、微生物综合作用）、墙身（受物理、化学综合作用）破裂都是由构件长期处于很不利的应力腐蚀状态下引起的。

图6 渠顶及墙身破裂

（3）风化

风化是结构使用龄期的体现，使用龄期越久，风化越严重。由于渠道内部温度、气压等环境因素较稳定，物理风化作用较弱，主要发生化学风化作用。化学风化主要是碳化作用与微生物腐蚀综合引起的结果，随着时间的推移，导致混凝土、砌体表面粗糙、麻面（图7），渠道耐久性下降。排水渠道是一类长期服役的构筑物，面临化学、微生物综合作用引起的风化不容忽略。