基于磁处理法的隧道永磁体排水管防结晶试验

陈昱池， 陈相阁， 张学富， 2， *， 刘士洋， 2， 王 铖

(1. 重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074; 2. 重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室, 重庆 400074)

0 引言

在隧道及地下工程的建设和运营过程中，隧道排水管发生结晶堵塞会导致地下水位上升，加大隧道支护衬砌所受压力，造成衬砌开裂等严重病害[1-3]。目前对隧道排水管结晶物的来源，国内外看法比较一致，认为地下水流经初期支护喷射混凝土时发生化学反应产生的沉淀[4-6]、溶液进入排水管后因环境因素形成的结晶[7-9]是隧道排水管结晶物主要来源。但如何有效预防隧道排水管结晶堵塞一直是一个难点，中外学者也针对这一问题提出了一些措施，例如：刘士洋等[10-12]采取在排水管内壁植绒的方法预防结晶堵管；叶飞等[5-6]提出通过改变混凝土配合比的方式降低排水管内的结晶生成量；Wei等[13]在隧道排水管上施加匀强电场进行防结晶处理。

总的来说，当前国内外针对隧道排水管结晶堵塞问题的处治方式尚未形成系统性的理论，还需要进行进一步的探索。笔者通过调研发现水垢与隧道排水管结晶物的主要成分均为碳酸钙，由此参考了工业用水中磁处理法的原理，通过磁场对管内地下水进行磁处理，以达到预防结晶堵管的目的。磁处理法具有环保高效的特点，目前一般分为永磁体处理法和高频电磁处理法2种[14]。考虑到高频电磁处理技术需要的设备较为复杂，不利于工程现场的应用，故本文通过在排水管外壁上安装永磁体使排水管内部形成磁场来进行防结晶处理。

为验证永磁体排水管的防结晶作用，得出永磁体排水管关键技术指标的适用参数，本文通过室内试验和现场试验研究不同条件下永磁体排水管的防结晶效果，分析永磁体排水管内结晶生成规律，并根据试验结果对永磁体排水管预防结晶堵塞问题上的一些关键技术指标进行探讨。

1 永磁体排水管防结晶原理

永磁体排水管构造如图1所示，采用箍带将永磁体在排水管上下两侧均布安置，使永磁体在排水管内形成磁场。磁场抑制碳酸钙结晶的作用机制主要为：磁场使水溶液发生磁化，在洛伦兹力的影响下水合分子发生旋转[14]，水分子间的氢键会发生破坏、变形甚至断裂，水分子团解散成较小的水分子团或者单个水分子，使得水的表面张力、黏度等发生改变[15]，从而影响碳酸钙结晶的成核过程。

图1 永磁体排水管构造(单位： cm)Fig. 1 Permanent magnet drainage pipe (unit: cm)

由以上理论可知，永磁体排水管的防结晶效果主要取决于排水管内磁场的强度和范围。在一定磁场强度下，排水管内地下水流经的磁场范围越大，磁处理的时间越长，永磁体排水管的防结晶效果就越好。因此，永磁体的强度和永磁体的布置间距是影响永磁体排水管防结晶效果的重要技术指标，本文主要针对这2个因素开展试验。

2 室内试验

2.1 试验装置

试验管段为直径50 mm的PVC排水管(见图1)，通过控制安装区域的永磁体强度和数量来调整管道内磁场强度(见图2)。室内试验装置如图3所示，将预制好的排水管通过水箱和水泵相连接，形成自循环系统以模拟地下水在隧道排水管中的流动，同时通过球阀控制试验管段内液体的流量。试验溶液采用饱和Ca(HCO3)2溶液，由NaHCO3和CaCl2配置而成，试验过程中每天向溶液内加入过量的NaHCO3和CaCl2，以维持溶液的饱和状态。

图2 磁场强度调试Fig. 2 Adjustment of magnetic field intensity

(a) 装置示意图

(b) 装置现场图图3 试验装置Fig. 3 Test device

2.2 试验工况

室内试验主要研究不同磁场强度下永磁体排水管内的结晶规律和管段内液体流量变化对永磁体排水管防结晶效果的影响。试验采用控制变量的方法进行，每种工况设置1组普通管段(0 T)作为空白对照组。试验以7 d为1个周期，共运行8个周期，每个周期结束后对试验管段进行烘干称重，减去管重得到管段内的结晶量。试验具体工况如表1和表2所示。

表1 磁场强度试验工况Table 1 Field strength test conditions

表2 流量试验工况Table 2 Flow test conditions

2.3 试验结果分析

2.3.1 磁场强度试验

为分析永磁体排水管的防结晶效果，将普通管段(0 T)在每个周期的结晶量与永磁体管段在每个周期的结晶量相减，得到永磁体管段的结晶降低量，降低量越大则防结晶效果越好。不同磁场强度下试验管段结晶规律如图4和图5所示。

图4 不同磁场强度下管段结晶量增长趋势Fig. 4 Growth trend of pipeline crystallization under various magnetic field intensities

图5 永磁体管段结晶降低量变化Fig. 5 Variation of crystallization reduction in permanent magnet pipeline

由图4和图5可知：

1)从第2个试验周期开始，磁场强度为0.2 T的试验管段每个周期的结晶量和最终的结晶量，均低于普通试验管段和其他磁场强度试验管段的结晶量；而磁场强度为0.4 T的试验管段，无论是每个周期的结晶量还是最终的结晶量，都明显高于普通试验管段和其他永磁体试验管段的结晶量。

2)永磁体管段结晶降低量随着试验的进行总体呈现上升的趋势，这说明随着时间的推移，永磁体管道的防结晶效果逐渐增强。磁场强度为0.2、0.3 T试验管段的结晶降低量从第2个周期开始始终大于0，磁场强度为0.1 T试验管段的结晶降低量从第5个周期开始才大于0，说明磁场强度为0.1 T试验管段的防结晶作用生效的时间大于磁场强度为0.2、0.3 T的试验管段；而磁场强度为0.4 T试验管段的结晶降低量始终小于0，说明在磁场强度为0.4 T时永磁体管道不具有明显的防结晶效果。

3)随着磁场强度从0.1 T增大至0.4 T，管段最终结晶量呈先减少后增加的发展趋势。在0.1～0.3 T时，永磁体排水管有明显的防结晶效果；当磁场强度为0.2 T时，永磁体排水管的最终结晶量处于最低值，结晶降低量处于最高值。由此可以得出，管段内流量为450 mL/s、磁场强度为0.1～0.3 T时，0.2 T的永磁体排水管对结晶的防治效果最好。

综上分析，在一定磁场强度范围内，磁处理能够减少结晶的生成量，但较强的磁场反而会使结晶生成量增加。这是因为在较强磁场作用下，水分子活性增强，溶液中更易生成碳酸钙水合分子， 碳酸钙水合的水分子数越多，溶解度越小，更加快了其脱水过程，从而加快了碳酸钙成核结晶过程[16]。

试验结束后，对各个试验管段内的结晶物质进行X射线衍射(XRD)分析和电镜扫描(SEM)分析。XRD分析结果表明，管段内结晶物主要成分为碳酸钙方解石晶体。试验管段内结晶物质的2 000倍SEM扫描结果如图6所示。

由图6可知： 经永磁体处理后，管段的结晶物尺寸明显降低，晶型也有所变化。普通试验管段的结晶物多为规则的立方体形状，粒径在2～12 μm，晶体之间排列紧密，无明显空隙；磁场强度为0.1 T试验管段的结晶物一部分仍然呈现立方体形状，但一部分亦开始呈现不规则形状，棱角粗糙，粒径在1～8 μm，且晶体间出现空隙，紧密程度有所减弱；磁场强度为0.2 T试验管段结晶物基本呈不规则球状，晶体粒径相较于前两者整体缩小，粒径在1～5 μm，晶体间排列疏松；磁场强度为0.3 T试验管段结晶物呈不规则球形和不规则立方体交错分布的状态且排列疏松，粒径在1～6 μm；磁场强度为0.4 T试验管段结晶物部分又恢复为规则的立方体状，部分为不规则立方体状，粒径在3～7 μm，且表面附着较多的小晶粒。标准方解石的形状为规则立方体，文石和球霰石为不规则的球状或条形状，说明这些不规则形状的方解石晶体有向文石或球霰石转化的趋势。

(a) 普通试验管段(0 T)

(b) 磁场强度0.1 T试验管段

(c) 磁场强度0.2 T试验管段

(d) 磁场强度0.3 T试验管段

(e) 磁场强度0.4 T试验管段图6 管道结晶SEM扫描结果Fig. 6 SEM diagram of pipe crystallization

2.3.2 流量试验

流量试验所用的装置与磁场强度试验相同(见图1)，不同流量下永磁体排水管的结晶降低量如图7和图8所示。

图7 不同流量下永磁体管道结晶降低量变化Fig. 7 Variation of crystallization reduction of permanent magnet pipeline under various flow rates

图8 不同流量下永磁体管道最终结晶降低量Fig. 8 Periodic crystallization reduction of permanent magnet piping under various flow rates

由图7和图8可知：

1)从第2个试验周期开始，所有试验管段的结晶降低量均大于0，说明永磁体排水管的结晶量始终低于普通管段。其中，流量为450 mL/s和600 mL/s组的周期结晶降低量在所有试验组中始终处于最高值，且两者的周期结晶降低量仅相差0.08 g，这表明永磁体排水管的防结晶效果随着试验周期的增大总体呈上升趋势，在流量为450 mL/s和600 mL/s时防结晶效果大体相同。

2)当流量小于450 mL/s时，永磁体排水管的防结晶效果随着流量的增大而增强，但当流量超过450 mL/s后，永磁体的防结晶效果不再随着流量的增加而增强。这是因为流量过大时，一方面管内充水状态发生变化，管内空间逐渐被流体充满，减少了与空气的接触；另一方面，碳酸钙晶体被高流速的液体冲刷难以附着在管壁。

3)流量为150 mL/s组的结晶降低量在所有试验组中始终处于最低值且有一定的波动，最终结晶降低量仅为流量300 mL/s组的30%，这说明磁场强度为0.2 T的永磁体排水管此时的防结晶效果已大为削弱，需要使用更高强度的永磁体。因此，在实际工程中需要根据隧道排水系统流量大小选择合适的磁场强度，当排水系统流量大于150 mL/s时，选取磁场强度为0.2 T的永磁体排水管可以取得较好的防结晶效果，而当排水系统流量小于150 mL/s时，需要适当增加永磁体的强度。

3 现场试验

永磁体的布置间距也是影响永磁体排水管防结晶效果的重要因素。由于室内试验所用管段长度较短，不利于研究布置间距这一因素，故基于室内试验的结果开展现场试验，研究布置间距对永磁体排水管防结晶效果的影响。

3.1 依托工程概况

某隧道位于韶关市仁新高速，隧道左线长2 825 m，右线长2 798 m，最大埋深约384 m，为深埋长隧道，地层岩性主要以砂岩、板岩为主。2018年12月交工至今，隧道全线排水系统均出现不同程度的结晶堵塞状况，现场试验选取结晶情况较为严重的K729+600～+630段的紧急停车带作为试验场所，如图9所示。

图9 现场结晶堵塞情况Fig. 9 On-site crystallization blockage

3.2 现场试验方案

现场试验装置如图10和图11所示，通过在二次衬砌表面钻直径50 mm的泄水孔，将衬砌背后地下水引入试验管段中，再通过弯头接入路边水沟。试验工况见表3。

图10 现场试验装置示意图Fig. 10 Schematic of field test device

图11 现场试验装置布置图Fig. 11 Field test device

表3 现场试验工况Table 3 Field test condition

3.3 试验结果分析

现场试验于2021年6—9月进行，试验开始后一段时间内水流不稳定，从2021年7月开始，试验管段内出现稳定水流，根据现场情况通过球阀将试验管段内流量调整一致。于7、8、9月对试验管段进行称重，得到管段内结晶量，其中，普通排水管最终结晶量为392 g，布置间距10 cm的排水管最终结晶量为186 g，布置间距40 cm的排水管最终结晶量为190 g，布置间距70 cm的排水管最终结晶量为241 g。试验管段的结晶量变化如图12所示。

图12 不同布置间距下管道结晶量增长趋势Fig. 12 Growth trend of pipeline crystallization under various magnets spacing

由图12可知：

1)由于试验第1个月存在水流不稳定的现象，试验管段内的结晶量均不大，普通排水管结晶量略高于永磁体排水管结晶量；从第2个月开始管段内结晶量大幅度增加，普通排水管结晶量远大于永磁体排水管结晶量。

2)管段内的最终结晶量随着磁体布置间距的减小呈下降趋势，布置间距为40 cm的试验管段的最终结晶量最低，但布置间距10 cm和布置间距40 cm的试验管段的最终结晶量相差仅4 g，说明这种影响随着磁体布置间距的减小逐渐减弱。

由以上分析结合经济成本等因素可知，在3种布置间距中，永磁体布置间距为40 cm是较为合适的，当隧道排水系统的流量较小时，可以将布置间距适当减小，以提高永磁体排水管的防结晶效果。

试验结束后，对试验管段内的结晶情况进行观察(见图13)。可以看出，普通排水管内已形成较多的块状硬质结晶物，而永磁体排水管内没有明显的块状结晶，碳酸钙为粉末状堆积于试验管底部。这种转变会减缓碳酸钙结晶物在排水管内的堆积，说明永磁体排水管具有较好的防结晶功能。

图13 试验管段结晶情况Fig. 13 Crystallization of test pipe

4 结论与讨论

本文采用永磁体对隧道排水管内的溶液进行磁处理，通过室内试验和现场试验验证了永磁体预防隧道排水管结晶堵塞的可行性，研究了磁场强度、流量、磁体布置间距对永磁体排水管防结晶效果的影响，得出了永磁体排水管关键技术指标的部分适用参数。根据试验结果，得出如下结论：

1)永磁体安装区域磁场强度在0.1～0.3 T时能有效减少隧道排水管内结晶生成量，室内条件下管内流量为450 mL/s时0.2 T磁场强度防结晶效果最好，当磁场强度为0.4 T时隧道排水管内结晶生成量反而会增大。

2)在磁场强度为0.1～0.4 T时，经永磁体处理后管道内生成的结晶尺寸出现整体性降低，有由方解石向文石和球霰石转化的趋势；这种趋势在宏观上表现为由块状硬质结晶转变为粉末状结晶，在微观上表现为由规则立方体的方解石晶型转变为不规则球状或条状的文石、球霰石晶型。

3)管道内流量越大，永磁体排水管的防结晶效果越好，但永磁体排水管的防结晶效果并不会随着流量的增大一直增强。对于直径为50 mm的管道，当流量大于450 mL/s后，流量的增大不会再对永磁体排水管的防结晶效果产生影响。

4)适当减小磁体布置间距有利于减少永磁体排水管内的结晶量，但当布置间距已经较小时，再减小布置间距对管道内结晶生成量的影响很小。

在实际工程中，隧道排水系统结晶受到流量、温度、pH等多种因素的共同影响，在室内完全模拟出隧道工程中的结晶环境较为困难。本文仅对永磁体排水管预防结晶堵塞的可行性进行了验证，对永磁体排水管的一些关键参数进行了初步梳理，后续还需要开展大面积、多因素的试验以完善永磁体排水管的技术指标和最佳参数。