污水对水工建筑物的腐蚀及防护对策

李淑琴

（河北省子牙河河务管理处 衡水 053000）

近年来，随着国民经济的快速发展，水工建筑物遭受环境污水腐蚀破坏日趋严重，水污染影响了水利工程的安全运行及防洪、城市供水等效益的发挥，加重了工程的维护和重建费用。研究环境污水对水工建筑物的腐蚀及防护对策，对增强建筑物的耐久性，维护工程安全运行，非常重要。

1 污水调查及水质分析

海河流域水污染相当严重，根据《海河流域水资源公报》，在监测的33个河流断面中，劣Ⅴ类水质的有20个断面，占61%。

a.生活污水中的溶解物质主要包括有机物分解生成的氨氮，其次有各种氯化物、磷酸盐和硫酸盐等。此外，还有溶解气体如硫化氢、二氧化碳等；生活污水呈弱碱性，其pH值约为7.2～7.3，污水中含有大量氮和盐类。

b.城市污水是指排入城市污水管网的各种污水的总和，有生活污水，也有一定量的各种工业废水，还有地面的降雨、融雪水，并夹杂各种垃圾、废物、污泥等，是一种成分极为复杂的混合液体。特别是工业废水排放量增加，城市污水水质组成也不断变化。城市地表径流的水质是影响城市下游河流水质的一个非常重要方面。

c.工业污水包括焦化、化学工业、有机合成、发酵食品等工厂排放的污水。焦化厂废水对河流水体污染较为严重，而且直接影响到水质的酸碱性。

d.酸雨是指pH值小于5.6的降水，酸雨中含有各种无机酸和有机酸，主要是硫酸和硝酸。是由于矿物燃烧产生二氧化硫和金属冶练过程中高温燃烧产生氮氧化合物转化成硫酸和硝酸。

由于地面水体来源复杂，因而造成了水体成分、性质的复杂性，受污染的地面环境水体的酸碱性已呈现不稳定特点。根据海河流域各主要河流的监测资料，水体污染超标的主要有挥发酚、汞、氨氮、COD、硫化物、溶解氧等指标。

对水工建筑物有危害的物质有酸性水（pH<6.5）、溶解氧、侵蚀性CO2、钙、镁、硫酸盐、总磷、钾、钠、氯化物等。对水工建筑危害甚微的物质有硫化物、硝酸盐、亚硝酸盐、汞、挥发酚。对水工建筑物有拒抗作用的物质有碳酸根、重碳酸根、氨氮、氰、六价铬以及耗氧物质。

目前，工程界在环境水对混凝土腐蚀性研究中，主要侧重在水体的酸碱性及地下水和土壤中含有的硫酸盐、碳酸盐、镁盐和氯化物对混凝土的腐蚀方面，并且取得了卓有成效的成果，制定了有关腐蚀性判别的标准，对指导混凝土防腐蚀设计发挥了重要作用。然而，地表水体一方面受到地下水水质的影响，另一方面还受到人类活动而形成的地表污染源的影响，其水质成分一般都非常复杂。工程界评价环境水的腐蚀性，基本上仅限于 pH 值而对于环境污水用如上指标进行评判，往往不显示腐蚀性。但在实际中，处于环境污水中运行的水工建筑物，常受到严重的腐蚀，使用寿命大大缩短。究其原因，主要是环境污水的成分一般都相当复杂，水体中各种污染物质对水工建筑物的影响并不是孤立的、单向的，而是一种综合影响，既有协同作用，又有拒抗作用，且污水中各种污染物的种类、浓度是因时因地而异的，其危害程度还与水工建筑物的建筑材料和所处的自然环境有关。

2 水工建筑物被腐蚀情况

2.1 总体情况

海河流域河北省内水利工程受害情况非常严重，根据对河北省各河道上水工建筑物的调查，环境污染水对水利工程造成了严重的破坏。共调查了水利工程2766座，其中有1107座水利工程建筑物受到不同程度的污水危害，占调查总数的40%，其中，严重受污水危害的水利工程就有501座。受危害的水工建筑物主要有水闸、泵站、桥涵等。

2.2 对水闸的侵蚀危害

河北省共有117座水闸受到水污染的影响，其中受到明显损害的有61座。受损的部位大多是闸门、闸墩等，受损症状是水闸闸门板钢筋及其他铁构件被污水侵害造成锈蚀、混凝土构件表面大面积剥蚀等。重点对海河流域中子牙河水系上的4座闸涵枢纽（献县枢纽、艾辛庄枢纽、大西头枢纽、小范枢纽）进行了详细研究，主要被腐蚀情况如下：

a.混凝土结构。各枢纽工程节制闸受污水腐蚀，闸墩表面局部混凝土疏松、剥落、有些部位钢筋裸露，锈蚀严重。剥蚀深度10～20 mm，表面粗燥，呈蜂窝状，局部骨料外露。

b.闸门腐蚀情况。大部分闸门水上部分涂层脱落，存在少量锈包，为一般锈蚀，水下门叶涂层完全剥落，布满剥离锈层，锈层多数厚达5mm以上。铲掉锈层后发现密集成片的锈坑，局部较深的锈坑深度在2 mm以上，属较重锈蚀。闸门后部的主梁板锈蚀严重，局部已锈透。闸门止水压板水下部分局部锈透。最大锈蚀量为6.4mm，闸门平均蚀余厚度3.6～7.2mm，平均锈蚀速度为0.199mm/年。锈皮后4～10mm。闸门中下部锈包面积10cm×10cm，铲掉修皮后面板凹凸不平，锈坑一般深1～2mm。闸门下主梁后翼缘边缘多处锈损，测量厚度均小于6mm。主轮大部分锈死。经检测，闸门及主要构件锈蚀量和锈蚀速率见表1、表2、表3。

表1 艾辛庄枢纽闸门水下部分锈蚀量（打磨后）

表2 大西头枢纽主要构件锈蚀量与锈蚀速率统计

表3 小范枢节制闸闸门锈蚀量与锈蚀速率统计

3 水工建筑物的防护措施

水利水电工程中最常用的建筑物结构型式为钢筋混凝土结构，污水使混凝土的结构和闸门钢结构性质劣化，耐久性降低，造成混凝土结构和钢结构的破坏。经过几年的探索，找到了几种水工建筑物防护措施。

3.1 混凝土表面涂层保护

a.采用YJ－302胶剂和高标号水泥配制封填材料保护。实际中可在混凝土表面做防护涂料，封闭表面的孔隙，使水和空气中的有害介质不能进入到混凝土内部，达到保护钢筋混凝土的效果。

b.高分子聚合物水泥防水涂料。对闸墩及导流墙混凝土处理，可采用高分子聚合物水泥防水涂料。高分子聚合物水泥防水涂料是由高聚物、特种水泥及辅助剂采用特殊工艺配制而成，材料结构形成机理为：水泥水化形成具有膨胀性能的水泥凝胶体，高聚物则形成具有粘性强的聚合物网络，贯穿于混凝土隙中，由于高聚物与水泥水化产物发生反应，生成离子链结合的互穿网络交织结构，能牢固地结合在一起，并形成结构密实的弹性复合体。这种材料既有无机材料的物理性能又有橡胶类材料良好的弹性变形性能，具有防水、抗裂、耐腐蚀、耐高低温、粘结力强等特点。用作界面处理剂，比普通水泥砂浆的粘强度提高5～8倍，材料拉伸强度2.3MPa，材料粘结力1.6MPa，冻融循环200次水泥层不剥落，无裂纹。

c.防酸侵蚀涂层。除了大气中有害气体对混凝土基体侵蚀，导致pH值下降以外，混凝土结构还会遭受周围污染水中酸的侵蚀。这时需采用涂层防止酸的侵蚀。这种涂层必须能经受更严酷的化学侵蚀，以保护混凝土基体。采用双组分聚氨酯涂层可以抵御较轻微的酸侵蚀，它能让水蒸气通过涂层薄膜，有较好的防护效果。但当混凝土已经受到严重侵蚀时，因上述的聚氨酯涂层较薄，很难保护连续性，因此，不宜使用。在这种情况下，最好采用较厚的环氧材料涂层。

d.硅烷。硅烷是低分子量的硅化合物，被用来作为新建混凝土结构的水性浸渍材料。硅烷浸渍到混凝土孔隙中，在有水分的情况下，含硅物质在孔隙内表面形成化学键。分子的活性部分是排布在孔隙内表面的增水性沉积物质。浸渍后混凝土表面可以阻止低压下水分的侵入以及减轻二氧化碳气体的侵蚀。

e.硅氧烷。硅氧烷也是硅质浸渍材料。由于其分子量大于硅烷，浸渍效果比硅烷差，但硅氧烷比硅烷便宜得多，硅氧烷主要用于浸渍阻力较小的表面风化脱皮的老混凝土结构。由于硅烷和硅氧烷都具有憎水性，导致二氧化碳和其他气体对混凝土的渗透增加。这是因为涂层表面孔隙内的水分含量明显较低，致使阻止气体渗透能力下降，因为防碳化涂层应具有阻止气体渗透和良好的粘结力双重特性。因此硅烷或硅氧烷浸渍涂层不宜用于防碳化涂层。

f.表面先处理后涂层措施。对混凝土表面处理是为了确保涂层的连续性不被表面缺陷所破坏。表面处理可以使用胶乳改性水泥灰浆或树脂灰浆，但这两种材料成本相对较高，所以常作为整个涂层系统的一部分。对于坚硬完好的混凝土表面，在表面完好的情况下，为了增强抗腐蚀性能，也要进行涂层保护。

g.采用乳化沥青增强抗蚀性。阳离子乳化沥青可改善混凝土的抗渗性和抗裂性，在钢筋混凝土中使用可延长钢筋的使用寿命。对已受酸水污染侵蚀的工程进行喷涂修补，可以增强抗蚀性，延长工程使用年限，效益十分可观。

3.2 钢筋保护

采用混凝土阻锈剂，阻止水和空气进入到混凝土内部，特别是深入到钢筋表面，从而防止混凝土耐久性破坏。适用于所有钢筋混凝土结构，效果明显。在实际中很难避免水和空气中的有害介质进入到混凝土内部，阻止可能和钢筋发生锈蚀反应，因此可借助新型的阻锈材料，使钢筋表面钝化，阻止钢筋表面发生阴阳极反应，防止锈蚀破坏，从而延长结构的耐久性。

3.3 钢闸门保护

根据钢闸门与周围物质的不同作用，一般把腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。当环境水对金属结构具有腐蚀性时，仅采用通常的喷锌外加涂料的防腐蚀措施，防腐效果的持久性往往难以令人满意。因此可以在表面保护的基础上，外加牺牲阳极保护法。闸门埋件可以采用抗腐蚀性强的不锈钢材料制作。

4 防腐蚀实体经验

a.艾辛庄枢纽、大西头节制闸加固处理。

在2002年和2004年对河北省子牙河河务管理处管理的艾辛庄枢纽节制涵洞闸墩、大西头节制闸闸墩进行了防护加处理。混凝土剥蚀处理，主要部位是长期处于水下闸墩表面，约2.5m高。采用YJ－302胶剂和高标号水泥配制封填材料，对混凝土结构剥蚀区域进行了处理。闸墩及导流墙混凝土采用弹性高分子水泥防水涂料处理。具体施工方法为：ⓐ表面清理：以人工对混凝土面进行处理。对裂缝部位用钢钎开槽，凿出内部钢筋，并对钢筋表面进行除锈处理；对混凝土用打磨机清除疏松表层，打出坚硬混凝土面，清除毛面浮渣；ⓑ材料配备：弹性高分子材料、高标号水泥、砂子、水按比例拌和；ⓒ在结合面涂刷材料2～3遍，厚2mm左右，形成薄膜保护层。

b.献县枢纽、小范枢纽、大西头船闸加固处理。

献县枢纽节制闸、进洪闸闸墩，小范枢纽节制闸、船闸闸墩，大西头船闸闸墩，在2005年和2007年采用普通胶剂与高标号水泥配制封填材料，进行混凝土表面涂层保护，经施工修复，工程外观平整，类似新浇筑混凝土，有效地防止了环境污水对结构的侵蚀以及混凝土内钢筋的锈蚀。

工程防护完成后，数年的运行表明：所选用加固材料具有很强的抗腐蚀性，防腐效果很好，足以抵抗污水的腐蚀作用，工程运行良好，较大地延长了工程的使用寿命。