污水對水工建筑物的腐蝕及防護對策

李淑琴

（河北省子牙河河務管理處 衡水 053000）

近年來，隨著國民經濟的快速發(fā)展，水工建筑物遭受環(huán)境污水腐蝕破壞日趨嚴重，水污染影響了水利工程的安全運行及防洪、城市供水等效益的發(fā)揮，加重了工程的維護和重建費用。研究環(huán)境污水對水工建筑物的腐蝕及防護對策，對增強建筑物的耐久性，維護工程安全運行，非常重要。

1 污水調查及水質分析

海河流域水污染相當嚴重，根據《海河流域水資源公報》，在監(jiān)測的33個河流斷面中，劣Ⅴ類水質的有20個斷面，占61%。

a.生活污水中的溶解物質主要包括有機物分解生成的氨氮，其次有各種氯化物、磷酸鹽和硫酸鹽等。此外，還有溶解氣體如硫化氫、二氧化碳等；生活污水呈弱堿性，其pH值約為7.2～7.3，污水中含有大量氮和鹽類。

b.城市污水是指排入城市污水管網的各種污水的總和，有生活污水，也有一定量的各種工業(yè)廢水，還有地面的降雨、融雪水，并夾雜各種垃圾、廢物、污泥等，是一種成分極為復雜的混合液體。特別是工業(yè)廢水排放量增加，城市污水水質組成也不斷變化。城市地表徑流的水質是影響城市下游河流水質的一個非常重要方面。

c.工業(yè)污水包括焦化、化學工業(yè)、有機合成、發(fā)酵食品等工廠排放的污水。焦化廠廢水對河流水體污染較為嚴重，而且直接影響到水質的酸堿性。

d.酸雨是指pH值小于5.6的降水，酸雨中含有各種無機酸和有機酸，主要是硫酸和硝酸。是由于礦物燃燒產生二氧化硫和金屬冶練過程中高溫燃燒產生氮氧化合物轉化成硫酸和硝酸。

由于地面水體來源復雜，因而造成了水體成分、性質的復雜性，受污染的地面環(huán)境水體的酸堿性已呈現(xiàn)不穩(wěn)定特點。根據海河流域各主要河流的監(jiān)測資料，水體污染超標的主要有揮發(fā)酚、汞、氨氮、COD、硫化物、溶解氧等指標。

對水工建筑物有危害的物質有酸性水（pH<6.5）、溶解氧、侵蝕性CO2、鈣、鎂、硫酸鹽、總磷、鉀、鈉、氯化物等。對水工建筑危害甚微的物質有硫化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、汞、揮發(fā)酚。對水工建筑物有拒抗作用的物質有碳酸根、重碳酸根、氨氮、氰、六價鉻以及耗氧物質。

目前，工程界在環(huán)境水對混凝土腐蝕性研究中，主要側重在水體的酸堿性及地下水和土壤中含有的硫酸鹽、碳酸鹽、鎂鹽和氯化物對混凝土的腐蝕方面，并且取得了卓有成效的成果，制定了有關腐蝕性判別的標準，對指導混凝土防腐蝕設計發(fā)揮了重要作用。然而，地表水體一方面受到地下水水質的影響，另一方面還受到人類活動而形成的地表污染源的影響，其水質成分一般都非常復雜。工程界評價環(huán)境水的腐蝕性，基本上僅限于 pH 值而對于環(huán)境污水用如上指標進行評判，往往不顯示腐蝕性。但在實際中，處于環(huán)境污水中運行的水工建筑物，常受到嚴重的腐蝕，使用壽命大大縮短。究其原因，主要是環(huán)境污水的成分一般都相當復雜，水體中各種污染物質對水工建筑物的影響并不是孤立的、單向的，而是一種綜合影響，既有協(xié)同作用，又有拒抗作用，且污水中各種污染物的種類、濃度是因時因地而異的，其危害程度還與水工建筑物的建筑材料和所處的自然環(huán)境有關。

2 水工建筑物被腐蝕情況

2.1 總體情況

海河流域河北省內水利工程受害情況非常嚴重，根據對河北省各河道上水工建筑物的調查，環(huán)境污染水對水利工程造成了嚴重的破壞。共調查了水利工程2766座，其中有1107座水利工程建筑物受到不同程度的污水危害，占調查總數的40%，其中，嚴重受污水危害的水利工程就有501座。受危害的水工建筑物主要有水閘、泵站、橋涵等。

2.2 對水閘的侵蝕危害

河北省共有117座水閘受到水污染的影響，其中受到明顯損害的有61座。受損的部位大多是閘門、閘墩等，受損癥狀是水閘閘門板鋼筋及其他鐵構件被污水侵害造成銹蝕、混凝土構件表面大面積剝蝕等。重點對海河流域中子牙河水系上的4座閘涵樞紐（獻縣樞紐、艾辛莊樞紐、大西頭樞紐、小范樞紐）進行了詳細研究，主要被腐蝕情況如下：

a.混凝土結構。各樞紐工程節(jié)制閘受污水腐蝕，閘墩表面局部混凝土疏松、剝落、有些部位鋼筋裸露，銹蝕嚴重。剝蝕深度10～20 mm，表面粗燥，呈蜂窩狀，局部骨料外露。

b.閘門腐蝕情況。大部分閘門水上部分涂層脫落，存在少量銹包，為一般銹蝕，水下門葉涂層完全剝落，布滿剝離銹層，銹層多數厚達5mm以上。鏟掉銹層后發(fā)現(xiàn)密集成片的銹坑，局部較深的銹坑深度在2 mm以上，屬較重銹蝕。閘門后部的主梁板銹蝕嚴重，局部已銹透。閘門止水壓板水下部分局部銹透。最大銹蝕量為6.4mm，閘門平均蝕余厚度3.6～7.2mm，平均銹蝕速度為0.199mm/年。銹皮后4～10mm。閘門中下部銹包面積10cm×10cm，鏟掉修皮后面板凹凸不平，銹坑一般深1～2mm。閘門下主梁后翼緣邊緣多處銹損，測量厚度均小于6mm。主輪大部分銹死。經檢測，閘門及主要構件銹蝕量和銹蝕速率見表1、表2、表3。

表1 艾辛莊樞紐閘門水下部分銹蝕量（打磨后）

表2 大西頭樞紐主要構件銹蝕量與銹蝕速率統(tǒng)計

表3 小范樞節(jié)制閘閘門銹蝕量與銹蝕速率統(tǒng)計

3 水工建筑物的防護措施

水利水電工程中最常用的建筑物結構型式為鋼筋混凝土結構，污水使混凝土的結構和閘門鋼結構性質劣化，耐久性降低，造成混凝土結構和鋼結構的破壞。經過幾年的探索，找到了幾種水工建筑物防護措施。

3.1 混凝土表面涂層保護

a.采用YJ－302膠劑和高標號水泥配制封填材料保護。實際中可在混凝土表面做防護涂料，封閉表面的孔隙，使水和空氣中的有害介質不能進入到混凝土內部，達到保護鋼筋混凝土的效果。

b.高分子聚合物水泥防水涂料。對閘墩及導流墻混凝土處理，可采用高分子聚合物水泥防水涂料。高分子聚合物水泥防水涂料是由高聚物、特種水泥及輔助劑采用特殊工藝配制而成，材料結構形成機理為：水泥水化形成具有膨脹性能的水泥凝膠體，高聚物則形成具有粘性強的聚合物網絡，貫穿于混凝土隙中，由于高聚物與水泥水化產物發(fā)生反應，生成離子鏈結合的互穿網絡交織結構，能牢固地結合在一起，并形成結構密實的彈性復合體。這種材料既有無機材料的物理性能又有橡膠類材料良好的彈性變形性能，具有防水、抗裂、耐腐蝕、耐高低溫、粘結力強等特點。用作界面處理劑，比普通水泥砂漿的粘強度提高5～8倍，材料拉伸強度2.3MPa，材料粘結力1.6MPa，凍融循環(huán)200次水泥層不剝落，無裂紋。

c.防酸侵蝕涂層。除了大氣中有害氣體對混凝土基體侵蝕，導致pH值下降以外，混凝土結構還會遭受周圍污染水中酸的侵蝕。這時需采用涂層防止酸的侵蝕。這種涂層必須能經受更嚴酷的化學侵蝕，以保護混凝土基體。采用雙組分聚氨酯涂層可以抵御較輕微的酸侵蝕，它能讓水蒸氣通過涂層薄膜，有較好的防護效果。但當混凝土已經受到嚴重侵蝕時，因上述的聚氨酯涂層較薄，很難保護連續(xù)性，因此，不宜使用。在這種情況下，最好采用較厚的環(huán)氧材料涂層。

d.硅烷。硅烷是低分子量的硅化合物，被用來作為新建混凝土結構的水性浸漬材料。硅烷浸漬到混凝土孔隙中，在有水分的情況下，含硅物質在孔隙內表面形成化學鍵。分子的活性部分是排布在孔隙內表面的增水性沉積物質。浸漬后混凝土表面可以阻止低壓下水分的侵入以及減輕二氧化碳氣體的侵蝕。

e.硅氧烷。硅氧烷也是硅質浸漬材料。由于其分子量大于硅烷，浸漬效果比硅烷差，但硅氧烷比硅烷便宜得多，硅氧烷主要用于浸漬阻力較小的表面風化脫皮的老混凝土結構。由于硅烷和硅氧烷都具有憎水性，導致二氧化碳和其他氣體對混凝土的滲透增加。這是因為涂層表面孔隙內的水分含量明顯較低，致使阻止氣體滲透能力下降，因為防碳化涂層應具有阻止氣體滲透和良好的粘結力雙重特性。因此硅烷或硅氧烷浸漬涂層不宜用于防碳化涂層。

f.表面先處理后涂層措施。對混凝土表面處理是為了確保涂層的連續(xù)性不被表面缺陷所破壞。表面處理可以使用膠乳改性水泥灰漿或樹脂灰漿，但這兩種材料成本相對較高，所以常作為整個涂層系統(tǒng)的一部分。對于堅硬完好的混凝土表面，在表面完好的情況下，為了增強抗腐蝕性能，也要進行涂層保護。

g.采用乳化瀝青增強抗蝕性。陽離子乳化瀝青可改善混凝土的抗?jié)B性和抗裂性，在鋼筋混凝土中使用可延長鋼筋的使用壽命。對已受酸水污染侵蝕的工程進行噴涂修補，可以增強抗蝕性，延長工程使用年限，效益十分可觀。

3.2 鋼筋保護

采用混凝土阻銹劑，阻止水和空氣進入到混凝土內部，特別是深入到鋼筋表面，從而防止混凝土耐久性破壞。適用于所有鋼筋混凝土結構，效果明顯。在實際中很難避免水和空氣中的有害介質進入到混凝土內部，阻止可能和鋼筋發(fā)生銹蝕反應，因此可借助新型的阻銹材料，使鋼筋表面鈍化，阻止鋼筋表面發(fā)生陰陽極反應，防止銹蝕破壞，從而延長結構的耐久性。

3.3 鋼閘門保護

根據鋼閘門與周圍物質的不同作用，一般把腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。當環(huán)境水對金屬結構具有腐蝕性時，僅采用通常的噴鋅外加涂料的防腐蝕措施，防腐效果的持久性往往難以令人滿意。因此可以在表面保護的基礎上，外加犧牲陽極保護法。閘門埋件可以采用抗腐蝕性強的不銹鋼材料制作。

4 防腐蝕實體經驗

a.艾辛莊樞紐、大西頭節(jié)制閘加固處理。

在2002年和2004年對河北省子牙河河務管理處管理的艾辛莊樞紐節(jié)制涵洞閘墩、大西頭節(jié)制閘閘墩進行了防護加處理。混凝土剝蝕處理，主要部位是長期處于水下閘墩表面，約2.5m高。采用YJ－302膠劑和高標號水泥配制封填材料，對混凝土結構剝蝕區(qū)域進行了處理。閘墩及導流墻混凝土采用彈性高分子水泥防水涂料處理。具體施工方法為：?表面清理：以人工對混凝土面進行處理。對裂縫部位用鋼釬開槽，鑿出內部鋼筋，并對鋼筋表面進行除銹處理；對混凝土用打磨機清除疏松表層，打出堅硬混凝土面，清除毛面浮渣；?材料配備：彈性高分子材料、高標號水泥、砂子、水按比例拌和；?在結合面涂刷材料2～3遍，厚2mm左右，形成薄膜保護層。

b.獻縣樞紐、小范樞紐、大西頭船閘加固處理。

獻縣樞紐節(jié)制閘、進洪閘閘墩，小范樞紐節(jié)制閘、船閘閘墩，大西頭船閘閘墩，在2005年和2007年采用普通膠劑與高標號水泥配制封填材料，進行混凝土表面涂層保護，經施工修復，工程外觀平整，類似新澆筑混凝土，有效地防止了環(huán)境污水對結構的侵蝕以及混凝土內鋼筋的銹蝕。

工程防護完成后，數年的運行表明：所選用加固材料具有很強的抗腐蝕性，防腐效果很好，足以抵抗污水的腐蝕作用，工程運行良好，較大地延長了工程的使用壽命。