建筑物雨水管结垢堵塞机制研究

张 嵩，张育才，李 卫，刘雪娥，朱 波，陈子祥

(昆明冶金高等专科学校 a.建筑工程学院;b.党委(校长)办公室，云南 昆明 650033)

安宁市某高校建成投入使用以后，多栋建筑物出现屋顶雨水管结垢现象，如图1所示。结垢较严重的一栋建筑物数根雨水管几乎全部堵死，有的雨水管下部堵塞后水从管道接头等部位溢出，在墙面上形成大面积白色污渍。后勤部门多次组织清掏，尝试多种处理方法，耗费大量人力物力，未找到有效处理办法，部分雨水管因堵塞物无法清除而不得不更换。为弄清其结垢原因，课题组对结垢较严重的一栋建筑物开展了一系列调查和实验。

1 管内结垢物化学成分分析

课题组初步分析认为可能是水中Ca(OH)2等成分质量浓度较高形成CaCO3结垢。取管内结垢物，用振动制样机磨细，分别参照水泥行业石灰石中CaO质量浓度的测定方法[1]和X射线荧光分析法测定其成分，结果如表1所示。

化学分析和X射线荧光分析结果吻合，结果显示结垢物中CaO质量浓度超过52%，换算为CaCO3质量浓度约94%。

结垢物X射线衍射分析(XRD)如图2所示，显示其结晶形态为方解石，没有出现其它CaCO3晶型(球霰石或文石)的特征峰。表明雨水管内结垢物是以方解石结晶态存在的。

表1 结垢物化学成分 Tab.1 Chemical constituents of fouling %

图2 结垢物XRD图Fig.2 XRD diagram of fouling

2 雨水pH值

为弄清结垢是否与雨水水质有关，对比了昆明市区和建筑物所处安宁校区雨水水质情况。尽可能选择昆明和安宁同时下雨的时段收集雨水样品，测定雨水pH值，结果如表2所示 。

表2 降雨水质情况Tab.2 Rainfall water quality

安宁校区雨水最低pH值比昆明市区更低，最高pH值则比昆明市区更高，可能与安宁校区周边工业污染有关，雨水总体偏酸性，安宁校区与昆明市区雨水水质并无明显差别。

3 现场勘察与实验

降雨停止转晴45 h现场勘察发现，屋顶铺有瓷砖的2个区域有小面积积水，积水面积各约5 m2，大部分区域表面干燥，部分区域砖缝处有明显结垢，结垢物铲除后有水冒出，如图3所示。表明瓷砖下有存水，可能该处处于低凹位置，且阳光照射温度升高，水有一定压力，刚移开结垢物时水呈涌出状。

结垢最严重的一根雨水管入口孔壁处不断有水渗出。分别吸取瓷砖下渗出水和雨水管入口孔壁渗出水分析，瓷砖下渗出水CaO浓度高达581 mg/L，pH值为12.5，雨水管入口孔壁渗出水CaO浓度为57 mg/L，pH值为11.4，证明水中含Ca(OH)2，结垢是由于水中Ca(OH)2质量浓度过高造成的。水样静置一定时间，容器底部出现Ca(OH)2结晶，如图4所示。为进一步了解渗出水流量和浓度变化，课题组在排水管出口处对渗出水流量和Ca(OH)2质量浓度进行了连续监测。

测量渗出水流量和留样分析时，每天固定同一时段测量。为消除雨水表面径流的影响，选择晴天进行渗出水流量测量和留样分析，连续降雨不作测量，阵雨天气时，雨停至少4 h以上再测量和取样。

水中Ca(OH)2浓度用水总硬度检验方法EDTA滴定法[2]测定。吸取水样 25 mL 于锥形瓶中，加入三乙醇胺溶液3 mL，再加pH=10缓冲溶液(NH3-NH4Cl)5 mL及少量K指示剂，摇匀，用EDTA滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，由消耗的EDTA溶液体积计算Ca(OH)2质量浓度。

图3 瓷砖下渗出水Fig.3 Seeping water under ceramic tile

图4 水样静置后出现Ca(OH)2结晶Fig.4 Ca(OH)2crystallization occurs after the water sample is stationary

4 结果分析

渗出水流量和Ca(OH)2质量浓度测定结果如表3所示。

表3 渗出水流量和Ca(OH)2质量浓度Tab.3 Exudate flow rate and Ca(OH)2 concentration

注：1022—1025小雨，1101—1103小雨

渗出水流量测量和留样分析自9月中旬降雨减少后开始。当年6-8月雨量充沛，7、8月仅分别有5天和4天无降雨，8月下旬有多次大雨和暴雨。测量初期渗出水流量较大，渗出水量最高达313 mL/min，屋顶瓷砖下存水量惊人。随时间延长，流量降低，待下一次降雨后流量又增大。由于前期的大量降雨，水中Ca(OH)2质量浓度较低。Ca(OH)2质量浓度变化与渗出水量变化趋势大致相反，流量大时质量浓度较低，流量小时质量浓度较高,如图5所示。

9月下旬～10月中旬均以多云天气为主，偶有阵雨，但雨量小、持续时间短。10月下旬测定的渗出水Ca(OH)2质量浓度明显增大，除11月初一轮降雨后浓度有所降低外，Ca(OH)2质量浓度基本在 400 mg/mL 以上。完全无降雨超过2周，仍不断有水渗出，Ca(OH)2质量浓度基本稳定在 440 mg/mL 左右，渗出水中的Ca(OH)2始终维持在一个高浓度状态，并未因渗出水量增加而降低。通过长期观察,降雨对渗出水流量的影响明显滞后，降雨后渗出水量仍随时间延长逐渐减少，雨停约一周后渗出水量才有所增加，再逐渐减小，也就是说在建筑屋面下方存在一个蓄水空间，降雨停止后蓄水空间蓄水量逐步饱和，然后因温度、压力变化慢慢渗出屋面。

渗出水中Ca(OH)2来自于混凝土中水泥的水化产物。水泥中硅酸盐矿物水化生成水化硅酸钙凝胶和Ca(OH)2。在硅酸盐水泥各种水化产物中，Ca(OH)2溶解度最大[3]。溶出的Ca(OH)2不断被水流带走，使水泥石孔隙率增加，密实度与强度下降，一方面使水更易渗入；另一方面促使水泥其它水化产物的溶解和分解。

经了解，该建筑屋面保温层为泡沫混凝土，而泡沫混凝土孔隙率和孔径远大于普通混凝土，吸水率大。若无有效防水，雨水易通过毛细孔渗透和连通孔渗透，大量渗入到孔隙中。因此，该建筑物雨水管结垢堵塞是由于屋面防水失效，雨水渗入混凝土内部，Ca(OH)2不断被水流溶出， Ca(OH)2质量浓度较高而在雨水管管壁上结晶析出，同时吸收空气中的CO2形成CaCO3结垢所导致。

雨水管形成结垢后，目前的各种物理、化学方法均难以有效清除结垢物。只有修复屋面防水层，防止雨水渗入混凝土，才能根除结垢堵塞。

5 结 语

该建筑物雨水管内结垢物是以方解石结晶态存在的碳酸钙。雨水管结垢堵塞是由于屋面防水层失效，雨水渗入混凝土内部，将Ca(OH)2溶出并与大气中CO2结合，形成CaCO3结垢。修复防水层是防止结垢的根本解决方法。