預應力鋼筒混凝土管砂漿保護層防腐性能研究

□卞智遠

（新疆伊犁河流域開發建設管理局）

1 概述

與所有埋地型管材相同，PCCP 需要埋設在地面以下，PCCP管道的腐蝕與管體周圍土壤的類別、土壤中含鹽腐蝕性介質的種類和數量、以及侵蝕介質與保護層水泥砂漿材料發生化學反應的形式與特征休戚相關，不同的地層巖性對PCCP的腐蝕性存在著較大差異。按照中國學者馬孝軒的分類，中國土壤可分成中堿性土壤、酸性土壤、內陸鹽土及濱海鹽土四大類。

1.1 中堿性土壤

主要分布在中國中原、華北、東北等地區，土壤的pH值在7.00～8.50，SO4 離子含量占土壤重量的0.05×10-1%～0.45×10-1%，Cl 離子含量占土壤的重量的0.02×10-1%～0.12×10-1%，Mg離子含量占土壤重量的0.01×10-1%～0.02×10-1%。該類土壤對PCCP 的腐蝕甚微，屬弱腐蝕，少量為中等腐蝕。除極少數地區土壤的腐蝕介質濃度超過"閥值"需作附加防腐措施外，如果管材質量（尤其是保護層質量）符合國標要求、管線設計正確、施工科學，絕大多數情況，埋設在中堿性土壤中的PCCP管道無須作任何附加防腐措施即可滿足安全使用50 a的要求。

1.2 酸性土壤

分布在中國南方各省的磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤等均屬酸性土壤類別。土壤的PH 值在4.00～6.50，SO4離子含量占土壤重量的0.08×10-1%～0.22×10-1%，Cl 離子含量占土壤重量的12%左右。該類土壤對PCCP 的腐蝕主要為分解性腐蝕，在廣東東部（如深圳、惠州地區），由于地下強透水層發達，有利于地下水的流通，也有利于腐蝕產物的生成和流失，對埋地混凝土結構的腐蝕就會同時有溶出性和分解性兩類腐蝕，都屬中等腐蝕。然而由于PCCP管材保護層的水泥砂漿抗壓強度很高，且單位水泥用量也高，Ca 離子的含量高，Ca（OH）2不易溶出，因此，發生溶出性與分解性腐蝕的可能很小，可以不予考慮。

1.3 內陸鹽土

新疆、青海、甘肅、內蒙等地區的土壤類別屬內陸鹽土，土壤剖面的中、下部形成明顯的鹽積層，在鹽積層中易溶鹽含量超過50%～60%，土壤的PH 值在8.00～9.50 之間，SO4離子的含量最高可達土壤重量的1.43%，Cl 離子的含量高達0.82%，Mg離子的含量可達0.62%。此類土壤對PCCP保護層水泥砂漿會產生極嚴重的膨脹性腐蝕破壞，屬強腐蝕或極強腐蝕性。

1.4 濱海鹽土

沿海地區，如：天津地區、浙江舟山等沿海地區、江蘇連云港、鹽城沿海地區等地的土壤屬濱海鹽土。其土壤中的腐蝕因子主要為氯化物和硫酸鹽，還含有大量的碳酸鹽和鎂鹽。該類土壤的PH值在7.50～8.50之間，Cl離子的含量占土壤重量一般在2.62%左右，SO4離子一般約0.28%，屬強腐蝕或極強腐蝕性。

濱海鹽土對埋地PCCP管道的腐蝕主要是氯鹽對PCCP中預應力鋼絲的銹蝕和硫酸鹽對保護層水泥砂漿的膨脹性破壞。由于氯離子的濃度比硫酸鹽的濃度高，一方面會快速破壞鋼絲表面的鈍化膜，另一方面還會對硫酸鹽的腐蝕具有一定的抑制作用，因此，主要的腐蝕因子是土壤中的氯離子，鑒此，埋設在此類土壤中的PCCP管道必須施加以陰極保護為主、外涂層為輔的附加防腐措施，才能確保管道的長期運行安全。

PCCP管接觸有腐蝕性的環境條件時，必須對其進行防腐保護，以增加其耐久性。預應力鋼筒混凝土管（PCCP）防腐的目的是防止管內的預應力鋼絲與管材外表層受腐蝕因子的侵蝕破壞，導致管材失效，而影響管線的正常運行。作為PCCP結構的一部分，管材的水泥砂漿保護層對PCCP的防腐起著重要的作用。

2 砂漿保護層的性質

水泥砂漿保護層是PCCP管材結構的重要組成部份，它具有一定的厚度和較高的強度，除了通過聯合變形承擔一定的內、外壓荷載外，還起到防止因外力造成預應力鋼絲損傷的物理防護作用。一般情況下，水泥砂漿中孔溶液的高堿性（PH值＞12.50），在鋼絲表面形成鈍化膜，使得腐蝕侵蝕降低到可以忽略的程度，只要鈍化層持續存在，鋼絲的銹蝕就不會發生，從而起到防腐的效果。

對PCCP而言，空氣、土壤、地下水等環境中的酸性氣體或液體侵入保護層水泥砂漿，與水泥中的堿性物質發生反應，使水泥砂漿中的pH值下降的過程稱為保護層水泥砂漿的中性化過程，其中，由于大氣中有一定含量的CO2，因此，碳化是長期露天堆放的PCCP中預應力鋼絲脫鈍銹蝕的前提條件，從而會影響PCCP結構的耐久性。

PCCP 管道周邊的土壤、地下水中的游離Cl 離子通過滲入、擴散的方式進入保護層水泥砂漿，并在鋼絲表面的砂漿孔溶液中積累到一定的濃度后，即便在堿度較高、PH 值＞11.50時，因Cl離子的半徑小、活性大，有很強的穿透鈍化膜的能力，并在鈍化膜內層形成易溶的FeCl2，使鈍化膜局部溶解，形成坑蝕。當此類坑蝕較為普遍發生并擴大、合并就會發生大面積銹蝕。

此外，PCCP管道周邊土壤、地下水中的硫酸鹽離子則會和保護層水泥砂漿的某些水化產物發生化學反應，生成膨脹性的產物（如鈣礬石、石膏等），造成保護層開裂、剝落、破壞，直接破壞了鋼絲表面鈍化膜的生成條件，致使鋼絲大面積銹蝕。

3 提高保護措施

3.1 保護層厚度

砂漿保護層厚度至關重要，從《預應力鋼筒混凝土管》GB/T19685不同版本中對其厚度變化調整中即可看出，PCCP預應力鋼絲外水泥砂漿保護層的最小厚度由2005版的20 mm提高到25 mm。鋼絲外的水泥砂漿保護層厚度越大，O2的濃度梯度越小，在同等CL-離子侵入濃度下，銹蝕速度越慢。試驗表明：保護層厚度（c）與鋼絲直徑（d）的比值c/d 越大，保護層的銹蝕抗裂率越大，抗裂的時間越長。c/d值從原有的3.66～4.00提高到4.16～5.00，抗裂腐蝕率則從2.00%提高到3.00%，提高了33%。

3.2 水泥的品種和單位水泥用量

GB/T19685與AWWAC301都要求保護層水泥砂漿采用與成型混凝土管芯相同品種的硅酸鹽水泥，不能采用不同品種的水泥。如采用不同品種的硅酸鹽水泥分別作為管芯混凝土和水泥砂漿用水泥，則會形成電位差，從而加速PCCP 中薄鋼板與預應力鋼絲表面的脫鈍，加快它們的銹蝕。

當PCCP 管道周圍地下水或土壤中有較高濃度的硫酸根離子時，設計人員往往會想到直接采用抗硫酸鹽水泥來防止硫酸鹽對保護層水泥砂漿的侵蝕。實踐證明，這種想法是錯誤的。關于抗硫酸鹽水泥，專家認為：抗硫酸鹽水泥只是硅酸鹽水泥的一個品種，仍屬于硅酸鹽水泥的體系，它不是廣義上的耐腐蝕水泥；作為水泥，它只對濃度不高的硫酸鈉有一定的耐腐蝕性，并不能耐其他硫酸鹽（如硫酸鎂、硫酸銨等）的腐蝕；由于硫酸鹽易產生結晶，因此不能用于地下水位不高、存在季節性干濕循環的地區（如中國北方、西北地區）；該水泥耐硫酸鹽的機理是通過降低水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的的含量，因此，水泥石中的堿度相對較低，不利于鋼絲表面鈍化膜的生成，且降低了鋁酸三鈣對Cl離子的吸泭量，與硅酸鹽水泥相比，對鋼絲的保護性能差。綜上所述，抗硫酸鹽水泥不適合用于制作保護層水泥砂漿，尤其不能用于有Cl離子的環境中。

GB/T19685及AWWAC301對保護層用水泥砂漿的配合比都作了如下的規定：按重量計，水泥；細骨料（砂）為1∶＜3（常用的為1∶2.50），折合單位水泥用量在575 kg/m3以上。

較高的單位水泥用量可大大提高鋼絲周圍的pH 值，從而保持鋼絲上鈍化膜的穩定，還可降低Cl 離子破壞鈍化膜的可能。同時，高水泥用量也可通過減弱碳化速度而明顯的減緩對保護層水泥砂漿的碳化。

3.3 吸水率和抗壓強度

3.3.1 吸水率

GB/T19685 規定，水泥砂漿吸水率全部數據的平均值≤9%，最大值應≤10%；AWWAC301規定吸水率試驗的平均值應≤9%，單塊試件的吸水率應≤10%。

水泥砂漿（混凝土）的吸水率是檢驗其開放空隙率的指標，降低其開放空隙率，提高密實度是提高水泥砂漿（混凝土）電阻抗的重要措施。而水泥砂漿（混凝土）的電阻抗則是影響PCCP中預應力鋼絲銹蝕的重要因素。無論在有無Cl 離子的情況下，鋼絲的銹蝕速度都與水泥砂漿（混凝土）的電阻抗成反比，即電阻抗越高，則鋼絲的銹蝕速度越慢。

3.3.2 抗壓強度

為確保抗壓強度，AWWAC301 對保護層的養護方式也作了規定：采用蒸汽養護時應采用與混凝土管芯相同的養護制度至少養護12 h；采用灑水養護時，間斷噴水保持保護層濕潤至少4 d，而在最初24 h內出現環境溫度＜10℃的期間，每出現1 h則總噴水養護時間增加1 h。

足夠高的抗壓強度，既可提高保護層的物理防護作用，也提高保護層抗御Cl離子、硫酸根離子侵入和減弱碳比能力。

4 結語

①PCCP的水泥砂漿保護層是PCCP管體結構中的重要組成部份，除了在結構上承受內、外力的作用和對管體的物理防腐外，其孔隙水中的高堿度會在管體的預應力鋼絲外形成一層鈍化膜，正是這層鈍化膜使PCCP具有很強的自防腐能力。②只要管線設計正確，管材制作（尤其是保護層的制作）符合相應國標與規范的要求，施工科學，大多數情況下，埋地PCCP管線無需附加防腐措施，完全可以達到安全運行的目的。③當土壤中的腐傷因子含量達到或超過其“閥值”后，就必須對埋設在該土壤中的PCCP 管道實施另外的附加防腐措施。常用的附加措施有管體外的涂層和陰極保護，為防止土壤中硫酸鹽離子對保護層的膨脹性破壞，一般情況下，應優先考慮管體外的涂層防腐，再輔以陰極保護。④中國地域遼闊，各地區土壤的理化性能有很大差異，實際操作時，應根據當地的實際請況選擇管道的防腐措施。當管線埋設在西北地區的內陸鹽土與沿海地區的濱海鹽土時，尤其要慎重考慮其防腐措施，并作好防腐設計。