新型材料在鋼筋混凝土管道內壁內襯中的應用研究

摘要：隨著工業發展和城市建設的推進，鋼筋混凝土管道在建筑工程中得到了廣泛應用。然而，內壁腐蝕問題嚴重影響其耐久性和使用壽命。因此，研究和開發新型的管道內壁內襯材料，對于提高其耐腐蝕性能具有重要意義。基于此，綜述了聚合物材料內襯、不銹鋼或鍍鋅內襯、鋁酸鹽無機防腐砂漿以及超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）等新型材料在鋼筋混凝土管道內壁內襯中的應用進展，介紹了各種材料的基本原理和特點，詳細闡述了它們在內襯制備、施工工藝以及性能表現等方面的研究現狀。

關鍵詞：鋼筋混凝土管；內襯材料；抗滲；耐腐蝕

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0323

Research on Application of New Materials in the Reinforced Concrete Inner Linings

CAI Yubin1， LIU Siyang2， HONG Jiesheng2， DENG Yonghong3， WANG Haoyan3

（1. Shenzhen Water Technology Service Co.， Ltd.， Shenzhen 510610， China;

2. School of Environment and Climate， Jinan University， Guangzhou 511443， China;

3. Guangdong Xianghong Ecological Environment Engineering Co.， Ltd.， Dongguan 523899， China）

Abstract： With the advancement of industrial development and urban construction， reinforced concrete structures pipeline has been widely utilized in construction projects. However， the issue of inner wall corrosion has significantly impacted its durability and service life. Therefore， the research and development of a new type of pipeline inner lining material is crucial for enhancing its corrosion resistance. Based on this， this paper reviews the progress in applying polymer material lining， stainless steel or galvanized lining， aluminate inorganic anticorrosive mortar， and Ultra-High Performance Concrete （UHPC） in the inner lining. It introduces the basic principles and characteristics of various materials， as well as describes their research status in lining preparation， construction technology， and performance in detail.

Keywords： reinforced concrete pipe; lining material; impermeability; corrosion resistance

鋼筋混凝土管作為城市污水系統的核心組成部分，憑借其施工便利性和經濟性，已廣泛應用于眾多排水管道項目。但混凝土的抗滲性能有限，并且易受到酸堿環境腐蝕。污水作為一種具有高度腐蝕活性的介質，其化學成分復雜，給鋼筋混凝土管道的使用帶來了嚴峻挑戰。通過檢測眾多已投入使用的管道，發現管道內壁普遍存在不同程度的腐蝕損害。特別是對于大口徑污水管道，一旦遭受嚴重腐蝕，其維修費用高昂，且修復過程會對周邊環境產生嚴重破壞。

厭氧環境下，厭氧細菌代謝生成的有機酸和無機酸，會與混凝土中的Ca（OH）2發生化學反應，破壞了C-S-H凝膠體結構，影響水泥的正常水化進程，從而導致混凝土結構強度下降[1]。因此，針對污水管道內壁的腐蝕問題，必須采取切實有效的防護措施，以減緩污水及其中溶解的腐蝕性氣體對管道材質的腐蝕作用，從而延長管道的使用壽命。基于此，重點探討在鋼筋混凝土管道內壁鋪設新型耐腐蝕材料的方法，并評估4種工藝技術在工程實踐中的應用效果，以期為提升鋼筋混凝土管的耐久性提供科學依據。

1 管道內壁內襯新型材料工藝機理

1.1 聚合物材料內襯

為有效提升混凝土抵抗酸性腐蝕的能力，研究者們提出了多種策略。例如，有研究者提出應用特定類型的材料來強化其結構。聚合物材料內襯是提升混凝土管道耐酸性的關鍵措施之一。聚合物材料具有出色的耐酸性和良好的附著力，能夠在管道內壁形成一層堅固的保護膜，有效阻隔酸性物質與混凝土基體直接接觸，從而減緩酸對混凝土的腐蝕作用。同時，聚合物材料能夠與混凝土中的水泥基體發生化學反應，生成一種硬質的凝膠物質，可以有效堵塞混凝土內部的微孔和裂隙，從而顯著提高混凝土的致密性。提高致密性不僅能夠有效限制酸性物質的滲透，減緩腐蝕過程，還有助于保持混凝土原有的力學性能，延長其在惡劣環境下的使用壽命。

1.2 不銹鋼或鍍鋅內襯

在鋼筋防腐領域，耐蝕鋼和涂層鋼是兩類備受重視的材料。其中，耐蝕合金鋼筋和不銹鋼鋼筋具有優異的耐蝕性能。此外，環氧涂層鋼筋和鍍鋅鋼筋因其在實際應用中的有效防護效果而備受青睞。高熵合金和雙相不銹鋼作為兩種重要的耐蝕材料，在模擬混凝土孔隙溶液中的耐蝕性研究也取得了顯著進展。對比試驗發現，高熵合金形成的鈍化膜更厚、更穩定，更難發生亞穩態點蝕，其耐蝕性優于雙相不銹鋼[2]。同時，涂層損壞的鋼筋混凝土較涂層完好的鋼筋混凝土使用壽命短約70%[2]。這表明在施工過程中，需要特別注意涂層的完整性，以確保其具有防腐作用。在氯離子的腐蝕下，鋼筋表面會被腐蝕，而鍍鋅鋼筋具有優異的耐蝕性能，能夠有效避免氯離子腐蝕現象[3]。

1.3 鋁酸鹽無機防腐砂漿內襯

鋁酸鹽水泥具有耐火度高、耐磨性好、耐酸等優點，廣泛應用于耐火材料和建材等領域[4]。鋁酸鹽無機防腐砂漿具有很強的耐腐蝕性，可以有效防止混凝土表面碳化，提高其在高鹽高濕環境下的抗腐蝕能力[5]。在實際應用中，防腐砂漿能夠與混凝土牢固結合，有效修補和加固受損的管道結構。此外，它具有優異的抗滲、抗凍性能，能夠適應各種復雜的環境條件。相較于玻璃鋼、聚氯乙烯與高密度聚乙烯，鋁酸鹽無機防腐砂漿施工簡易，成本更低，且擁有良好的抗腐蝕性能與物理性能[6]。

1.4 內襯混凝土

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一種新型水泥基復合材料，具有基體致密、低水膠比及力學性能優異等特點[7-8]。該材料的多項強度指標，如抗拉、抗壓、抗沖擊、抗彎及抗剪等，均實現了顯著提升。UHPC的抗壓強度高達800 MPa，彈性模量達60 GPa，斷裂能可達40 000 J/m2[9]。特別地，UHPC通過有效利用鋼纖維與膠凝材料漿體之間的緊密結合，實現了“應變硬化”效應，能夠賦予材料更高的延展性和變形能力，使其在極端環境下的應用成為可能[10]。

2 內襯新型材料的工程性能

2.1 抗氯離子滲透

在試驗中，深入探討了C30混凝土棱柱體試件在鹽水中的耐久性。通過精確測量試件浸泡60 d后的氯離子滲透深度，發現未采取任何保護措施的試件的氯離子滲透深度最大，達到20.4 mm。這表明在沒有任何附加保護措施的情況下，混凝土結構的耐久性可能會受到嚴重影響[11]。與未采取保護措施的試件相比，采用內襯保護措施的試件的氯離子滲透深度顯著降低，減少了27.0%，降至14.9 mm。在試件中加入內襯新型材料或與涂料結合使用，顯著提高了混凝土的耐久性，能夠有效防止氯離子滲透。內襯材料的應用為提高混凝土結構的耐久性提供了重要的參考依據，有助于指導實際工程中的材料選擇和施工。

2.2 抗剪切破壞

在試驗過程中，通過對試樣進行精細的觀察與分析，發現試樣在達到極限荷載時表現出典型的剪切破壞特征。具體而言，抗壓強度達600 MPa的UHPC內襯在支座附近率先出現細微裂縫，隨后裂縫逐漸擴展至加載端，而波形鋼腹板則在折疊線處發生不可逆的塑性變形，顯示出明顯的剪切破壞跡象。此外，研究了不同設計參數對UHPC抗剪承載力的影響。試驗結果表明，隨著鋼板厚度的增加，UHPC的抗剪承載力呈現出顯著的增長趨勢。這一現象可歸因于鋼板厚度增加帶來的剛度提升，使得試樣在抵抗剪切變形方面表現出更強的能力。然而，當混凝土厚度繼續增加時，試樣的承載力增長速率逐漸放緩，這可能與混凝土的自密實性和黏結性能對其承載能力的影響逐漸減弱有關。

通過對試樣荷載-位移曲線的細致分析，可以清晰地識別試樣從加載至破壞過程中的3個階段：彈性階段、強化階段和破壞階段。在彈性階段，試樣的變形主要表現為彈性變形，荷載與位移之間呈現出線性關系。隨著荷載的持續增加，試樣進入強化階段，荷載與位移的關系逐漸變得非線性。在破壞階段，試樣發生斷裂或塑性變形，荷載迅速下降，標志著試樣最終被破壞。試驗結果表明，UHPC內襯材料具有明顯的抗剪切破壞效能，顯著提高了試樣的抗剪切破壞能力，為提高混凝土管道的抗剪強度提供了參考。

3 其他技術的工程應用

在當前非開挖管道修復技術的廣泛應用中，管中管技術因其卓越的修復效果和強大的承壓能力備受推崇。內外管環空大部分或完全填充了聚氨酯泡沫、礦棉、氣凝膠、顆粒、微孔材料及陶瓷等材料[11]，提升了管道的抗腐蝕性能，在高壓環境下展現出卓越的穩定性，使其尤為適用于需保障管道結構完整性和作為壓力管道運行的場景。管中管技術憑借出色的修復效果、強大的耐蝕能力以及優異的保溫、傳輸性能，已成為非開挖管道修復領域的重要技術之一。

現代水利工程實踐中，管道柔性內襯技術以其創新性和高效性引起業界的廣泛關注。該技術通過精密設計的管狀內襯結構，巧妙地搭配T形條狀凸起物，實現了對受損管道的精確內襯安裝。在此基礎上，利用先進的高強度膠漿技術，對內襯結構與原管道內壁之間的空隙進行灌注填充，從而構建了一個既穩固又具有高彈性的新結構層，能夠有效抵御外部荷載。該技術對管道形狀的適應性較強，無論是直線段還是復雜曲線段，都能實現高效、精準的修復作業。與目前所使用的常規管道相對比，內襯管道在性能以及價格方面具有很大的優勢，其市場應用非常廣泛[12]。

4 結論

在眾多內襯材料中，聚合物材料內襯因其施工便捷性和卓越的耐腐蝕特性，成為當前研究的熱點之一。此類材料通過在水泥基體中摻入特定的聚合物，顯著提升了其抵抗各種化學腐蝕和物理磨損的能力。同時，金屬內襯，尤其是不銹鋼和鍍鋅材料，以其卓越的機械強度和耐久性，在極端環境下的鋼筋混凝土防護中起到關鍵作用。鋁酸鹽無機防腐砂漿則以其獨特的化學穩定性，在抵抗酸性環境腐蝕方面表現出色，為鋼筋混凝土提供了有效的保護層。但這些新型材料在實際工程中仍面臨諸多挑戰。例如，聚合物材料內襯的長期耐久性、與不同基材的相容性以及在復雜環境條件下的性能穩定性等問題亟待解決。內襯混凝土的應用則需要在保證性能的同時，尋求優化配比、提高施工效率和降低成本的有效途徑。相關研究應更加注重材料的性能優化、施工技術的創新以及環境友好性的提升，以滿足不同工程對內壁內襯材料的高性能、高效率和高環保性的需求，這也是未來研究的熱點方向。

參考文獻

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11 胡明凱，朱炳喜.混凝土多重防腐蝕附加措施研究[J].江蘇水利，2023（11）：13-16.

12 閆治國，張驍勇，魏 斌，等.纖維纏繞增強柔性復合管研究現狀與發展趨勢[J].云南化工，2021（2）：22-24.

作者簡介：蔡育賓（1992—），男，廣東普寧人，工程師。研究方向：生態環境治理。