城市污水處理廠混凝土結構防腐要點與設計實例

曹志杰，徐 震，徐春蕾

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

通過對一些使用了約10~30a的污水處理構筑物、管道、箱涵、水池等的現場檢測、調查，發現使用一定年限的污水管渠及污水處理構筑物均存在較為嚴重的腐蝕問題。污水處理廠內，前處理構筑物腐蝕最嚴重，比如：污水提升泵、格柵間、沉砂池、生物曝氣池，許多部位的鋼筋已被銹蝕得面目全非，出現大面積疏松、多孔現象。其大部分構筑物必須進行檢修、加固后才能使用；還有一些構筑物必須重建，遠遠達不到設計使用年限50a的要求[1]。圖1為某污水廠使用二十年左右的箱涵頂板腐蝕情況之實景。

圖1 某污水廠使用二十年左右的箱涵頂板腐蝕情況之實景

1 腐蝕機理分析

污水環境下混凝土的腐蝕相當嚴重,且腐蝕產生于一個復雜的物理化學過程[2]。一方面污水中含有大量的無機物、有機物及極易于微生物生長的營養物質，它們將對混凝土產生復雜的化學作用；另一方面,溫度、濕度、液體流速、干濕交替及時間等環境變量，以及混凝土應力狀態將使上述作用加劇。

從調查數據看，水池氣、水分界面處或水位變化頻繁處比一般區域腐蝕嚴重。由于水池液位經常變化，故水池池壁強腐蝕區域常呈水平線性分布，同一墻面往往有多條強腐蝕帶。而進水池、調節池等，由于流態、汽水變化頻繁，往往出現大面積腐蝕，尤以頂板、側墻腐蝕更為嚴重。密閉水池頂板下的空腔區域長期處于潮濕環境，且易于積聚污水生物化學反應產生的硫化氫等氣體，所以頂板及以下池壁混凝土腐蝕發展速度最為快速。

2 腐蝕等級確定

2.1 現有規范標準的規定

《混凝土結構設計規范》從GB50010—2002版開始，增加了耐久性方面的內容。《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）中規定，混凝土結構應根據設計使用年限和環境類別進行耐久性設計。根據該規范規定，排水箱涵所處的環境類別應為二b類，對應于干濕交替環境及水位頻繁變動環境。顯然該規范主要針對大氣及地下水環境，未能反映出硫循環造成的腐蝕破壞作用。

《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476—2008）中規定，混凝土結構的耐久性應根據結構的設計使用年限、結構所處的環境類別及作用等級進行設計。根據該規范污水廠構筑物的環境作用等級可定義為I-C、V-C、V-D或V-E。I-C是指在正常大氣環境下，在反復的干濕交替作用表層混凝土碳化引發的內部鋼筋銹蝕，不適用于污水環境。根據文獻[3]的污水水質分析，pH處于6.56~7.52，硫酸鹽為72~139mg/L，按照《混凝土結構耐久性設計規范》，水中硫酸根離子等濃度尚未達到V-D和V-E的環境作用等級。

《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB 50069—2002）中3.0.4條，明確規定“貯水或水處理構筑物、地下構筑物的混凝土，當滿足抗滲要求時，一般可不做其他抗滲、防腐處理”。因此，在早期的設計中，排水構筑物不做特殊的防腐處理，而近些年則一般考慮采用涂料防腐。

《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB50046—2008）根據各種介質對建筑材料長期作用下的腐蝕性，分為強腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕和微腐蝕4個等級[4]，根據文獻[3]的污水水質分析，進入污水處理廠構筑物的腐蝕性介質濃度較低，可界定為微腐蝕等級，但這與調查所得的實際腐蝕情況不符。

2.2 腐蝕等級選取建議

《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB50046—2008）列舉了常見介質的腐蝕性等級，但城市污水成份比較復雜，規范沒有明確的腐蝕性等級。污水對混凝土結構的腐蝕作用主要來自于其生物化學反應產物（硫化氫和硫酸），直接以污水介質的成份判斷其腐蝕性等級會導致防腐能力不足。而且不同的作用環境和部位，污水對混凝土結構的腐蝕性也不同（如密閉區域的頂板腐蝕性明顯比敞開水池要強得多）。所以城市污水的腐蝕等級必須根據污水濃度、作用部位、密閉條件等因素綜合確定。根據對多個既有的污水處理廠構筑物腐蝕情況調研，各構筑物腐蝕程度歸納如表1所列。

表1 城市污水對混凝土結構的腐蝕程度一覽表

腐蝕程度沒有定量的指標，調研10~20a左右的污水處理廠，一般情況下：混凝土保護層被完全腐蝕脫落，鋼筋發生大面積暴露銹蝕，定為腐蝕程度為強；混凝土保護層厚度被明顯腐蝕，鋼筋個別點銹蝕，但不影響結構，定為腐蝕程度為中等；混凝土保護層前表面被腐蝕，鋼筋無銹蝕，定為腐蝕程度為弱；混凝土和鋼筋未見明顯腐蝕，定為腐蝕程度為微。預測污水處理廠不同部位的腐蝕程度，要結合工藝流程、水流速度和密閉程度等因素綜合判斷，從而采取針對性的防護措施。

3 防腐設計

3.1 結構自防腐

污水廠構筑物內部污水環境一般按照二b類考慮（參照《給水排水構筑物結構設計規范》的要求），設計使用年限為50a的混凝土結構，最大水膠比為0.50，最低強度等級為C30，最大氯離子含量為0.15%，最大堿含量為3%。最外層鋼筋的保護層厚度，底板下層不小于40mm，底板上層和池壁不小于35mm，梁、柱不小于40mm。

3.2 防腐涂層

目前市場上防腐涂料種類繁多，污水處理廠構筑物用的涂料主要有環氧和聚氨酯兩大類，瀝青類防腐涂料已逐漸被上述兩種涂料替代。環氧涂料對基層（特別是對鋼鐵基層）具有優良的附著力，耐堿性好，也適合中等濃度以下的大多數酸性介質。環氧涂層的耐候性較差，涂膜易粉化、失光，所以不宜用于敞口水池，也可以用聚氨酯面涂料罩面。聚氨酯類涂料的耐候性與型號有關，脂肪族的耐候性較好，而芳香族的耐候性較差。油性聚氨酯類防腐涂料對混凝土基面干燥度要求較高。

隨著人們對施工作業環境的要求提高和特殊場合下施工的要求，市場上出現了一些新型防腐涂料產品，如：環氧無溶劑防腐涂料、水性環氧或聚氨酯防腐涂料、濕面環氧防腐涂料等。無溶劑環氧涂料具有較強的粘結強度，對基面含水量適應性較強，揮發成分少，施工環境友好。濕面環氧防腐涂料可以在水下涂抹硬化，可以帶水施工，但是環氧類涂料耐候性較差，一般不宜在敞口水池上應用。聚氨酯防腐涂料具有較好的彈性和粘結強度，表面光潔，但對基面含水量要求較高，一般建議用環氧類涂料做底漆。新型鋁酸鹽無機防腐砂漿可有效抵御硫化氫帶來的腐蝕，在環境和基層潮濕的情況下也可施工，可快速恢復通水（最快施工后2h），具有良好的機械強度、噴涂速度快、無異味和揮發性物質等特點。但其對基面處理有要求，造價相對較高。新型鋁酸鹽無機防腐砂漿使用年限較長，國外污水工程案例中可以到達50a。

具體防腐涂層設計可參考《工業建筑防腐蝕設計規范》附錄C“防腐蝕涂層配套”相關章節。對于混凝土結構，一般防腐涂層的使用年限為10~15a。從結構防腐蝕的角度，建議今后的污水處理構筑物設計中應考慮涂層達到使用年限后的檢測與維護問題，盡可能提供停水或局部停水條件以定期地進行結構防腐維護工作。

3.3 防腐質量控制

防腐工程質量對污水處理廠的結構安全至關重要，一方面應加強涂層材料的見證取樣和性能檢測，大面積施工前進行涂裝專項方案審批和涂裝工藝評估。另一方面，加強現場涂層驗收，包括：涂裝材料、基層表面處理、涂層厚度、涂層附著力等。

4 某污水廠實例

某大型全地下污水處理廠主要水處理構筑物有：調蓄池、粗格柵進水泵、房細格柵曝氣沉砂池、AAO生物反應池、二沉池、高效沉淀池、反硝化深床濾池、儲泥池等。

根據前文有關腐蝕等級確定和防腐涂層特點，防腐設計見表2所列。

表2 主要構筑物防腐程度及防護做法一覽表

5 結論和建議

（1）城市污水對混凝土結構的腐蝕作用是一個復雜的反應過程，其中以生物腐蝕為主，同時還有物理和化學的作用。

（2）現有規范標準對城市污水腐蝕等級缺少針對性的規定，城市污水的腐蝕程度必須根據污水濃度、作用部位、密閉程度、流速和檢修條件等因素綜合確定。

（3）城市污水池的防腐蝕設計，首先應從混凝土材料配比和鋼筋保護層等方面提高結構的防腐能力，其次需根據結構的環境腐蝕性特點選擇合適的防腐蝕涂層。

（4）城市污水的成分和腐蝕作用機理尚待進一步調查研究，對防腐蝕設計增加理論依據。設計應對構筑物耐久性和防腐蝕設計進一步重視，應盡快編制相關設計和驗收標準，嚴格控制質量。

（5）污水處理廠運行期間，構筑物結構防護涂層應進行必要的運行維護和定期更新。