南水北调某倒虹吸混凝土腐蚀处理

□郭晓萌 □梁祥金 □孙玉贤 □陈秋红(河南省水利勘测设计研究有限公司)

1 工程概述

该排水倒虹吸交叉断面以上集水面积9.84km2，50a一遇天然洪峰流量24m3/s，200a一遇天然洪峰流量34m3/s。排水倒虹吸工程由进口段、管身段及出口段组成，建筑物总长220m，其中管身水平投影长105m，2孔，单孔净尺寸为3.50m×3.50 m（宽×高）。

该排水倒虹吸混凝土工程于2010年5月至2010年10月浇筑完成。目前，该建筑物混凝土受到上游某化工厂所排污水侵蚀，处于非正常工作环境，混凝土表层凝胶体已发生流失，骨料颗粒外露。

2 安全评价

针对该排水倒虹吸运行中存在的混凝土腐蚀问题，有资质的单位对腐蚀情况进行了检测并对其进行了安全评价，主要结论如下：一是该侵蚀类型属于酸性介质下的溶解性侵蚀，无其它侵蚀类型情况发生；二是目前为止，环境水对混凝土的侵蚀只影响到混凝土的表层（深度约4mm），混凝土内部以及钢筋未受到有害离子的侵袭；三是倒虹吸水工建筑物目前处于结构稳定状态，但不排除随时间发展，侵蚀程度进一步强化，导致侵入深度深化，侵蚀速度加剧的可能。

3 工程现状分析

该排水倒虹吸前期设计时依据的地质勘察报告显示，该区域地下水受大气降水和地表径流补给，pH值为7.50，侵蚀性二氧化碳含量为0mg/L，对混凝土无腐蚀性。依据相关规程规范，该倒虹吸管身段采用的混凝土为C30W6F150，进出口段采用的混凝土为C20W6F150，混凝土保护层厚度为40mm。

排水倒虹吸现状受到临近工业污水的影响，处于非正常工作环境，根据相关检测单位的安全评价，目前环境水的pH值为3.67，依据相关规程规范，当环境水具有侵蚀性时，要求采用抗侵蚀性水泥及采取特殊的防护措施，同时，倒虹吸所处的环境类别为四类，据此确定该建筑物的钢筋混凝土最低强度等级为C30，混凝土保护层最小厚度为45mm。另外，根据《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476-2008，该建筑物所处环境为≥蚀环境，环境作用等级为V-E，设计使用年限为100a，要求混凝土强度等级不低于C55、最大水灰比0.36、最小保护层厚度为45 mm；对处于化学侵蚀环境中的混凝土，同时应采用抗侵蚀性水泥、掺用优质活性掺合料等措施。

综合以上分析，针对该排水倒虹吸目前所处的运行环境，依据相关规程规范的要求，并参照《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476-2008)，混凝土质量至少应达到“强度等级C30，混凝土保护层最小厚度45mm，采用抗侵蚀性水泥、掺用优质活性掺合料等措施及对混凝土表面进行防腐处理”。鉴于该建筑物已经施工完毕，混凝土实体质量已无法改变，仅能采取以下措施延缓混凝土腐蚀：①采取措施使其混凝土保护层厚度达到45mm；②涂抹防腐涂料延缓混凝土腐蚀速度。

4 处理方案比选

针对本工程，从侵蚀类型以及侵蚀现状出发，拟对混凝土表面进行有机材料涂刷。对以下两个方案进行比选。

4.1 喷涂聚脲

喷涂聚脲是由异氰酸酯组分（简称A组分）与氨基化合物组分（简称B组分）反应生成的一种弹性体物质。其优点为：①固化速度快；②对温度和湿度不敏感，不易发泡，故对施工的环境条件要求较低；③涂层对温度的稳定性好；④具有拉伸强度高，延伸率大、粘结力强、耐冲击、防水、防腐、耐磨耗和耐老化性能较好等特点；⑤对混凝土、钢、铝、木材等多种基材均具有良好的粘结性能。

但其存在如下缺点：①对基面的浸润能力较差，容易影响与基面的附着力，且层间的结合也不理想，涂层的内应力大；②芳香族聚脲的耐紫外线、耐老化性能不理想；③脂肪族聚脲的耐紫外线、耐老化性能虽然比芳香族聚脲优越得多，但造价也要高2～3倍；④施工较复杂，不易操作，施工设备费用较高；⑤聚脲在喷涂施工过程中，由于异氰酸酯基（-NCO）和液态胺等的存在，仍属有毒、有味和刺激性强烈的物质。为此在进行喷涂聚脲施工时，施工人员必须佩戴防毒口罩、防护眼镜、胶皮手套，穿防护服和防护鞋等，且应站在上风口作业。

4.2 环氧防腐涂料

环氧防腐涂料是以环氧树脂作为原料的涂料统称。其优点为：①力学性能高。环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂；②附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等极性基材以优良的附着力；③固化收缩率小。一般为1%～2%。是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8%～10%；不饱和聚酯树脂为4%～6%；有机硅树脂为4%～8%)。线胀系数也很小，一般为6×10-5/℃。所以固化后体积变化不大；④工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料；⑤优良的电绝缘性优良。环氧树脂是热固性树脂中介电性能最好的品种之一；⑥稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)，其贮存期为1a。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧树脂大量用作防腐蚀底漆；⑦环氧固化物的耐热一般为80～100℃。环氧树脂的耐热性可达200℃或更高。

但其也存在如下缺点：①耐候性差，环氧树脂中一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽，逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆，在外露的环境下使用时，面层应采用氯磺化聚乙烯、脂肪族聚氨酯或与其具有相容性的其它耐候性能好的涂料作保护层，使其形成扬长避短的复合涂层。②环氧树脂低温固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下则固化缓慢。

5 处理方案选定

鉴于喷涂聚脲存在施工难度大、对基面的浸润能力差等缺点，拟选用环氧防腐涂料对该排水倒虹吸混凝土表面腐蚀进行处理，同时对于处于外露环境易受紫外线照射的混凝土表面增加一层氯磺化聚乙烯面漆。

目前排水倒虹吸的混凝土碳化深度大致在4.00mm±0.50mm之间，前期设计混凝土保护层厚度为40mm，依据相关规范，要求混凝土最小保护层厚度为45mm，因此，为保证该倒虹吸的耐久性，先在混凝土表面涂抹10mm厚的环氧砂浆，然后选用环氧防腐涂料对倒虹吸管身段进行防腐处理，而上下游连接段的侧壁、底板以及倒虹吸管身段两端各5m范围内处于外露环境，易受紫外线照射，故该范围内混凝土采用环氧防腐涂料与氯磺化聚乙烯结合的复合涂层。防腐构造见表1。

表1 混凝土表面的防腐构造表

6 建议

一是由于该排水倒虹吸混凝土实体质量无法改变，虽然对混凝土表面腐蚀进行了处理，但只能延缓腐蚀发展的速度，不能达到强酸性环境水的正常使用条件，建议采取有效措施恢复该建筑物的原有设计水环境条件，污水应处理达标后排放；二是若水环境条件不能达到原设计条件，考虑到防腐材料的耐久性，需定期（最长为10a）对防腐涂层的完好性、混凝土的腐蚀情况以及止水材料的完好性进行检查评估。