養護防護復合功能材料標準應用到黑臭河道中的可行性分析

1.劉小艷 2.曹 鐳 1.孫 旭 3.楊建貴 4.李田雨

1.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司 2.南京市水務局3.南京市水務工程建設管理中心 4.南京順昌工程項目管理咨詢有限公司

養護防護復合功能材料標準應用到黑臭河道中的可行性分析

1.劉小艷 2.曹 鐳 1.孫 旭 3.楊建貴 4.李田雨

1.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司 2.南京市水務局3.南京市水務工程建設管理中心 4.南京順昌工程項目管理咨詢有限公司

根據《普通混凝土力學性能試驗方法》和《混凝土檢驗評定標準》，混凝土澆注后，尚未具備足夠的強度，所以初期階段的養護非常重要。而黑臭河道惡劣的水環境整使混凝土從開始的養護階段就發生破壞，黑臭河道中的混凝土結構在養護期發生裂縫、蜂窩、麻面，在強度增長期面臨著碳化、鋼筋銹蝕、硫酸鹽腐蝕、率鹽腐蝕、真菌細菌腐蝕等，造成混凝土結構服役壽命縮短，造成經濟損失。本文提出了一種新型養護防護復合功能材料，針對黑臭河道中已建和在建的鋼筋混凝土結構，采用內摻和涂刷的方法，提高鋼筋混凝土結構的耐久性能和服役壽命。養護防護復合功能化材料的應用，將減小黑臭河道惡劣環境對混凝土結構造成的破壞，減少經濟損失。

養防護復合功能材料；黑臭河道；抗碳化；抗滲

1 引言

城市黑臭河道整治，是中國近幾十年高速發展以來政府對城市水利工作的補救措施。隨著我國工業的快速發展和城市人口急劇增多，由于冶金、電鍍、造紙、印染、制革等企業工業污水的排放，人們日常生活的洗滌廢水和糞尿污水等，以及工業生產過程中產生的固體廢棄物含有大量的易溶于水的氯鹽、硫酸鹽和有機物等，受雨水沖淋造成水體污染，其中一些金屬元素及有機污染物已經嚴重超出《地表水環境質量標準》中所規定的含量。城市水體呈現出發黑發臭的現象，惡劣的水環境對水體中(附近)的混凝土結構造成了破壞，使混凝土服役壽命縮短。為解決水工混凝土在黑臭河道中服役性能加速衰減的問題，本文提出了一種養護防護復合功能材料的理念。

2 黑臭河道中混凝土結構的破壞原理

南京市水利工程中對于鋼筋混凝土結構的要求仍然是遵循通行的規范。在黑臭河道惡劣的水環境中，設計的鋼筋混凝土結構仍然遵循《水工混凝土結構設計規范》，結構在惡劣的水環境中將被加速破壞，很明顯是不合適的。

2.1 水份滲透

混凝土表面和水接觸時，毛細孔壓力和壓力差會促使水分向混凝土內部遷移。商品混凝土一般采用較大的水灰比，水泥水化速率較低。商品混凝土使用的骨料粒徑，也決定了混凝土的抗滲性能的優劣。黑臭河道現場惡劣的水環境以及施工人員不規范的養護，造成混凝土的水化遲緩，直接影響混凝土內部的均勻性。若混凝土抗滲性能差，不僅周圍水等液體易滲入內部，而且當遇到負溫或環境水中含有侵蝕介質時，混凝土就易受冰凍或侵蝕作用破壞。對鋼筋混凝土還將引起其內部銹蝕并導致表面混凝土保護層開裂與脫落。

2.2 真菌細菌腐蝕

隨著人們對生活環境質量的要求越來越高，對混凝土而言，綠色環保無菌成了人們追求的目標。在黑臭河道惡劣的水環境中，細菌和真菌廣泛的分布于水工混凝土結構表面與內部，在經常發生滲漏水的混凝土結構部位，細菌的存在使這些構筑物的局部環境衛生水平大大降低，影響其實用功能的正常發揮。與此同時，細菌和真菌在混凝土構筑物中的存在和繁衍還會破壞內部結構，劣化力學物理性能，降低使用壽命和耐久性。

2.3 碳化破壞

黑臭河道中有機物的厭氧性分解產生高濃度的CO2，在混凝土服役期間，將會加速混凝土結構的碳化。碳化會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱，當碳化超過混凝土的保護層厚度時，鋼筋就會開始銹蝕。鋼筋銹蝕造成混凝土的強度降低并引起構件力學性能和結構承載力降低，從而導致結構過早退出服役期，帶來不可估量的經濟損失甚至還可能造成人員傷亡。

2.4 硫酸鹽腐蝕

黑臭河道中產生的硫化氫氣體溶于水形成SO2-4，工業廢水中含有SO2-4，SO2-4與水泥石中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應生成三硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)，固相體積將會增大94%，造成混凝土的膨脹、開裂與解體。硫酸鹽破壞一般會在混凝土結構表面形成比較粗大的裂縫。與此同時，鈣礬石生長過程中產生的的內應力，也進一步加劇了混凝土的膨脹。在高污染地區，其中硫酸鹽濃度較高時，對黑臭河道中的混凝土而言不僅生成鈣礬石，還會有石膏結晶析出。石膏的生成使固相體積增大124%，將會引起混凝土更為嚴重的膨脹開裂。

3 養護防護復合功能材料

3.1 國內外養護、防護技術現狀

國內水利工程針對混凝土養護遵循的是《水工混凝土施工規范》。國內外在養護方面主要采用混凝土表面噴涂(或內摻)養護劑和覆膜保濕養護。目前外養護劑主要出現了無機類、有機乳液類、石蠟乳液類、有機復合類。在混凝土防護方面，常用的表面處理法(包括表面涂抹和表面貼補法)，僅適用于修補寬度小于0.2mm的裂縫。表面涂抹法適用于漿材難以灌入的細而淺的裂縫，表面貼補法適用于大面積漏水的防滲堵漏。另一常用方法——灌漿法，也僅適用于修補寬度大于0.2mm的裂縫。

長期以來，養護和防護一直作為獨立的工法，應用于混凝土工程中。養護技術以保證膠凝材料水化、減少干燥收縮為目標，極少考慮減少自收縮和化學收縮。防護是通常是在混凝土發生開裂、劣化后才進行的補救措施，多采用表面涂抹法和灌漿法，但無法處理微小裂縫，施工工藝相對復雜，存在耐久性和環保問題。

3.2 養護防護復合功能材料的特點

相比較傳統的混凝土摻外加劑與混凝土涂料，養護防護復合功能材料具有以下三個特點：

(1)二次鈣礬石形成理論的應用

依據水泥化學原理，利用硬化混凝土中含有的單硫型水化硫鋁酸鈣和功能材料中的硫酸鹽組分之間的反應，在表層混凝土毛細孔和裂縫中生成二次鈣礬石，提高表層混凝土的體積穩定性和抗侵蝕性能。

(2)混凝土微裂紋自修復技術

本文采用的反應性功能材料，在水中的溶解度大，反應活性高，與混凝土中的水泥水化產物及未水化的礦物材料反應，產物填充于毛細孔和裂縫中。

(3)混凝土養護、防護一體化技術

長期以來，養護和防護一直作為獨立的工法，應用于混凝土工程中。本項目首次采用混凝土養護、防護一體化技術，集成應用項目研發團隊的創新性成果，通過減蒸保濕、自養護、混凝土缺陷處二次鈣礬石生成及納米技術的應用，促進礦物外摻料水化，對微裂紋和可見裂縫均具有修復作用。

3.3 養護防護復合功能材料的制備

根據《混凝土結構工程施工規范》中的質量檢查的要求，針對工程現場水分蒸發快、混凝土結構收縮開裂、混凝土結構孔隙大等原因，混合使用減蒸型保坍劑、自養護劑、愈縫劑、納米防水材料、鈣礬石轉化劑以及抗菌劑，減蒸型保坍劑具有保水減蒸及高流動性保持作用，自養護劑微粉通過內引水養護減少化學收縮，反應性愈縫劑通過與活性礦物反應愈合裂縫，納米防水材料提高抗滲性阻止有害離子進入，鈣礬石轉化劑在毛細孔和微縫中生成鈣礬石，抗菌材料的使用能有效抑制細菌的繁殖并達到殺菌的效果。以上多種材料通過物理復配，作為養護防護功能組份，使用在混凝土中將極大的提高混凝土的耐久性能。

3.4 養護防護復合功能材料的施工技術

養護防護復合功能化材料針對不同的情況采用不同的方法。

(1)內摻法：在拌合混凝土時，將養護防護復合功能化材料作為粉料摻入進行攪拌。根據不同的要求進行摻量的調整，制備的混凝土既能達到預期的使用要求，又能降低成本。

(2)漿體涂刷：將養護防護復合功能化材料溶于水配成漿體，均勻的涂抹在已建成的混凝土結構表面。根據不同的要求進行漿體配比的調整，減緩混凝土的性能損失，延長混凝土服役壽命。

結語

通過對國內外近幾年養護以及防護措施的介紹，我們可以看到工程上仍然是把養護和防護分開做。混凝土養護有表面噴涂(或內摻)養護劑和覆膜保濕養護，混凝土防護有表面處理法(包括表面涂抹和表面貼補法)。養護和防護一直作為獨立的工法，應用于混凝土工程中。本文提出的養護防護復合功能材料具有較好的應用前景，主要得到以下三個結論：

1、在黑臭河道整治工程中惡劣的水環境中，養護防護復合功能材料能有效提高混凝土養護效果、減縮抗裂效果、耐久性提升效果；

2、養護防護復合功能材料采用減蒸、減縮、內養護、活性組分滲透及反應，降低混凝土的養護和防護成本，簡化施工操作的工藝；

3、養護防護復合功能化材料具有多種配合比以及施工工藝，適用不同的水環境以及不同類型的水利構筑物。

[1]丁華.黑臭河道的形成及治理技術的探討[J/OL].工程技術研究，2017，(06)：91-92

[2]李澄.城市河道環境綜合整治技術研究[A].中國城市規劃學會.城鄉治理與規劃改革——2014中國城市規劃年會論文集(02-城市工程規劃)[C].中國城市規劃學會：2014：7

科技項目：2016年度南京市水務科技項目資助