南水北調某倒虹吸混凝土腐蝕處理

□郭曉萌 □梁祥金 □孫玉賢 □陳秋紅(河南省水利勘測設計研究有限公司)

1 工程概述

該排水倒虹吸交叉斷面以上集水面積9.84km2，50a一遇天然洪峰流量24m3/s，200a一遇天然洪峰流量34m3/s。排水倒虹吸工程由進口段、管身段及出口段組成，建筑物總長220m，其中管身水平投影長105m，2孔，單孔凈尺寸為3.50m×3.50 m（寬×高）。

該排水倒虹吸混凝土工程于2010年5月至2010年10月澆筑完成。目前，該建筑物混凝土受到上游某化工廠所排污水侵蝕，處于非正常工作環境，混凝土表層凝膠體已發生流失，骨料顆粒外露。

2 安全評價

針對該排水倒虹吸運行中存在的混凝土腐蝕問題，有資質的單位對腐蝕情況進行了檢測并對其進行了安全評價，主要結論如下：一是該侵蝕類型屬于酸性介質下的溶解性侵蝕，無其它侵蝕類型情況發生；二是目前為止，環境水對混凝土的侵蝕只影響到混凝土的表層（深度約4mm），混凝土內部以及鋼筋未受到有害離子的侵襲；三是倒虹吸水工建筑物目前處于結構穩定狀態，但不排除隨時間發展，侵蝕程度進一步強化，導致侵入深度深化，侵蝕速度加劇的可能。

3 工程現狀分析

該排水倒虹吸前期設計時依據的地質勘察報告顯示，該區域地下水受大氣降水和地表徑流補給，pH值為7.50，侵蝕性二氧化碳含量為0mg/L，對混凝土無腐蝕性。依據相關規程規范，該倒虹吸管身段采用的混凝土為C30W6F150，進出口段采用的混凝土為C20W6F150，混凝土保護層厚度為40mm。

排水倒虹吸現狀受到臨近工業污水的影響，處于非正常工作環境，根據相關檢測單位的安全評價，目前環境水的pH值為3.67，依據相關規程規范，當環境水具有侵蝕性時，要求采用抗侵蝕性水泥及采取特殊的防護措施，同時，倒虹吸所處的環境類別為四類，據此確定該建筑物的鋼筋混凝土最低強度等級為C30，混凝土保護層最小厚度為45mm。另外，根據《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T50476-2008，該建筑物所處環境為≥蝕環境，環境作用等級為V-E，設計使用年限為100a，要求混凝土強度等級不低于C55、最大水灰比0.36、最小保護層厚度為45 mm；對處于化學侵蝕環境中的混凝土，同時應采用抗侵蝕性水泥、摻用優質活性摻合料等措施。

綜合以上分析，針對該排水倒虹吸目前所處的運行環境，依據相關規程規范的要求，并參照《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T50476-2008)，混凝土質量至少應達到“強度等級C30，混凝土保護層最小厚度45mm，采用抗侵蝕性水泥、摻用優質活性摻合料等措施及對混凝土表面進行防腐處理”。鑒于該建筑物已經施工完畢，混凝土實體質量已無法改變，僅能采取以下措施延緩混凝土腐蝕：①采取措施使其混凝土保護層厚度達到45mm；②涂抹防腐涂料延緩混凝土腐蝕速度。

4 處理方案比選

針對本工程，從侵蝕類型以及侵蝕現狀出發，擬對混凝土表面進行有機材料涂刷。對以下兩個方案進行比選。

4.1 噴涂聚脲

噴涂聚脲是由異氰酸酯組分（簡稱A組分）與氨基化合物組分（簡稱B組分）反應生成的一種彈性體物質。其優點為：①固化速度快；②對溫度和濕度不敏感，不易發泡，故對施工的環境條件要求較低；③涂層對溫度的穩定性好；④具有拉伸強度高，延伸率大、粘結力強、耐沖擊、防水、防腐、耐磨耗和耐老化性能較好等特點；⑤對混凝土、鋼、鋁、木材等多種基材均具有良好的粘結性能。

但其存在如下缺點：①對基面的浸潤能力較差，容易影響與基面的附著力，且層間的結合也不理想，涂層的內應力大；②芳香族聚脲的耐紫外線、耐老化性能不理想；③脂肪族聚脲的耐紫外線、耐老化性能雖然比芳香族聚脲優越得多，但造價也要高2～3倍；④施工較復雜，不易操作，施工設備費用較高；⑤聚脲在噴涂施工過程中，由于異氰酸酯基（-NCO）和液態胺等的存在，仍屬有毒、有味和刺激性強烈的物質。為此在進行噴涂聚脲施工時，施工人員必須佩戴防毒口罩、防護眼鏡、膠皮手套，穿防護服和防護鞋等，且應站在上風口作業。

4.2 環氧防腐涂料

環氧防腐涂料是以環氧樹脂作為原料的涂料統稱。其優點為：①力學性能高。環氧樹脂具有很強的內聚力，分子結構致密，所以它的力學性能高于酚醛樹脂和不飽和聚酯等通用型熱固性樹脂；②附著力強。環氧樹脂固化體系中含有活性極大的環氧基、羥基以及醚鍵、胺鍵、酯鍵等極性基團，賦予環氧固化物對金屬、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等極性基材以優良的附著力；③固化收縮率小。一般為1%～2%。是熱固性樹脂中固化收縮率最小的品種之一(酚醛樹脂為8%～10%；不飽和聚酯樹脂為4%～6%；有機硅樹脂為4%～8%)。線脹系數也很小，一般為6×10-5/℃。所以固化后體積變化不大；④工藝性好。環氧樹脂固化時基本上不產生低分子揮發物，所以可低壓成型或接觸壓成型。能與各種固化劑配合制造無溶劑、高固體、粉末涂料及水性涂料等環保型涂料；⑤優良的電絕緣性優良。環氧樹脂是熱固性樹脂中介電性能最好的品種之一；⑥穩定性好，抗化學藥品性優良。不含堿、鹽等雜質的環氧樹脂不易變質。只要貯存得當(密封、不受潮、不遇高溫)，其貯存期為1a。超期后若檢驗合格仍可使用。環氧固化物具有優良的化學穩定性。其耐堿、酸、鹽等多種介質腐蝕的性能優于不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂。因此環氧樹脂大量用作防腐蝕底漆；⑦環氧固化物的耐熱一般為80～100℃。環氧樹脂的耐熱性可達200℃或更高。

但其也存在如下缺點：①耐候性差，環氧樹脂中一般含有芳香醚鍵，固化物經日光照射后易降解斷鏈，所以通常的雙酚A型環氧樹脂固化物在戶外日曬，易失去光澤，逐漸粉化，因此不宜用作戶外的面漆，在外露的環境下使用時，面層應采用氯磺化聚乙烯、脂肪族聚氨酯或與其具有相容性的其它耐候性能好的涂料作保護層，使其形成揚長避短的復合涂層。②環氧樹脂低溫固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下則固化緩慢。

5 處理方案選定

鑒于噴涂聚脲存在施工難度大、對基面的浸潤能力差等缺點，擬選用環氧防腐涂料對該排水倒虹吸混凝土表面腐蝕進行處理，同時對于處于外露環境易受紫外線照射的混凝土表面增加一層氯磺化聚乙烯面漆。

目前排水倒虹吸的混凝土碳化深度大致在4.00mm±0.50mm之間，前期設計混凝土保護層厚度為40mm，依據相關規范，要求混凝土最小保護層厚度為45mm，因此，為保證該倒虹吸的耐久性，先在混凝土表面涂抹10mm厚的環氧砂漿，然后選用環氧防腐涂料對倒虹吸管身段進行防腐處理，而上下游連接段的側壁、底板以及倒虹吸管身段兩端各5m范圍內處于外露環境，易受紫外線照射，故該范圍內混凝土采用環氧防腐涂料與氯磺化聚乙烯結合的復合涂層。防腐構造見表1。

表1 混凝土表面的防腐構造表

6 建議

一是由于該排水倒虹吸混凝土實體質量無法改變，雖然對混凝土表面腐蝕進行了處理，但只能延緩腐蝕發展的速度，不能達到強酸性環境水的正常使用條件，建議采取有效措施恢復該建筑物的原有設計水環境條件，污水應處理達標后排放；二是若水環境條件不能達到原設計條件，考慮到防腐材料的耐久性，需定期（最長為10a）對防腐涂層的完好性、混凝土的腐蝕情況以及止水材料的完好性進行檢查評估。