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混凝土管道內外腐蝕與防腐

6.1 內外腐蝕環境

隨著經濟的發展，鋼筋混凝土大量用于基礎設施、橋梁、混凝土管道、PCCP管、混凝土電桿和鑄管、鋼管的內襯?；炷潦强孔陨淼膹妷A性（PH值12～13.5），給鋼鐵提供一個鈍化的環境，當混凝土碳化后，PH值降到9以下，鋼鐵表面失去鈍化狀態，遇到O₂、CO₂、SO₂等腐蝕介質并在水的作用下，發生氧化反應，生成鐵銹?；炷恋奶蓟俣戎饕懿牧弦蛩?、施工因素、表面狀態和環境因素的影響，其中最主要的是密實性?；炷帘砻娲嬖谥鴼饪缀臀⒓毜牧芽p，給水和腐蝕性介質提供了存留和滲透的條件，發生化學和電化學反應，造成混凝土腐蝕破壞。

發生腐蝕和破壞的主要原因有以下幾種：

（1）碳化反應

水和空氣中的CO₂等酸性物質在水的參與下與混凝土中的Ca（OH）₂反應，生成碳酸鈣CaCO₃，使混凝土的PH值由13以上降到9以下。鋼鐵表面的PH值在13以上時，處于鈍化狀態，基本上不會生銹腐蝕。但在PH值降到9以下，遇到氧等腐蝕介質，就會生銹。鋼鐵的銹蝕產物體積會膨脹2～4倍，產生巨大的膨脹力，使混凝土出現裂縫，更多的水、氧和電解介質滲透到鋼鐵表面，加速了鋼筋和鋼鐵的腐蝕，混凝土層剝落，失去承載能力直至橋梁坍塌或混凝土管道破壞，造成重大損失。

（2）氯離子腐蝕

在沿海地區，海風會帶著微量的鹽漂浮在空氣中，鹽落在橋梁、建筑物上遇到潮氣和水會附著在混凝土表面，海灘上和鹽漬土地區的混凝土基礎和管道會浸在鹽堿水里，北方冬季灑鹽化雪，會給橋梁、路面帶來氯離子，混凝土管、鋼管或鑄管的水泥內襯輸送污水、中水、含Cl、SO等高礦化度的生活用水，上述各種情況都會使Cl和SO接觸混凝土表面。

Cl滲透力極強，它會滲透到混凝土中與混凝土中的主要成份3CaO·2Al₂O₃·3H₂O起反應，生成易溶的CaCl₂，造成混凝土的破壞。氯離子達到鋼鐵表面會破壞鋼鐵的鈍化狀態，使鋼鐵加速發生電化學腐蝕。氯鹽的腐蝕是混凝土結構物、橋梁、管道、內襯、電桿腐蝕破壞最主要的原因。

（3）硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽的腐蝕速度比氯離子腐蝕速度更快。硫酸鹽與混凝土水化產物發生化學反應:       Ca（OH）₂＋Na₂SO₄→CaSO₄＋2NaOH，反應生成物體積增大，使混凝土開裂和粉化。

硫酸鹽還與混凝土中的鋁酸三鈣起反應，產生白色糊狀帶大量結晶水產物，使混凝土松散、開裂、粉化直至破壞。

硫酸鹽和氯化物還會在混凝土孔隙和裂縫中結晶，鹽晶體積增大，使混凝土膨裂、粉化。

（4）酸雨腐蝕

由于工業污染，熱電廠、化工廠排放的SO₂形成酸雨，雨水流入混凝土排水管道，使混凝土酸化產生可溶性的物質隨水流失，對混凝土建筑物、橋梁、混凝土管道造成腐蝕。

（5）溶出性腐蝕

因水中的礦化物和陰陽離子會和混凝土中的一些難溶物發生反應，生成易溶物和微溶物，被水帶走流失，造成腐蝕破壞。早在七十年代國內西北某油田輸水管線內襯水泥砂漿，因油田水礦化度過高，氯離子和硫酸根離子含量也相當高，通水不到半年，輸水管道內的水泥砂漿內襯脫落，造成重大腐蝕。

（6）凍融破壞

凍融破壞是在混凝土中的氣孔和微細裂縫處發生的。北方冬季在0℃以下，水在氣孔和裂縫中結冰，在零下4℃以下時，冰的體積膨脹，產生巨大的膨脹力。隨天氣變化，一再出現膨脹和收縮造成混凝土產生裂痕和粉化，直至破壞。

從上述的幾種腐蝕破壞的原因可以看出，其中最主要的原因是由于混凝土表面致密度低，有氣孔和微裂縫，使水、Cl、CO、SO、O等介質存留和滲入，發生化學和電化學反應，使混凝土碳化、酸化、水解、疏松、裂縫直至破壞。要想防止混凝土的腐蝕，可使用防腐涂層對混凝土表面進行封閉，斷絕各種腐蝕性介質的滲入和存留，才能防止和減緩腐蝕的發生。

近幾十年來世界各國由于混凝土結構表面因腐蝕和外觀裝飾需要進行維護的問題比較突出。如美國運輸部門在1989年給國會一份關于美國公路與橋梁狀況的報告中指出正等待修補的混凝土橋梁的維修費用是1550億美元。英國1974～1989年，15年間的混凝土維修費用為4550萬英鎊，而1990年之后的15年混凝土維修費用增加到1.2億英鎊。H.Saricimen在一篇關于緩蝕劑和涂料對混凝土鋼筋腐蝕影響的文章提到混凝土結構在阿拉伯灣使用僅10年就出現損壞。加拿大因早期大量使用“化冰鹽”，使得混凝土橋梁等損壞嚴重。臺灣的澎湖大橋因氯離子的腐蝕，僅使用7年的混凝土橋梁被拆除重建。我國在1981年調查華南地區18座海港混凝土碼頭中，鋼筋銹蝕破壞或不耐久的結構就占89%，基本完好僅2座，使用壽命最短僅7年，最長為25年。20世紀90年代，北京市東郊勁松路化工區有一條1米直徑混凝土管排污管，投入使用不到兩年就被腐蝕，后改為內襯環氧煤瀝青防腐層的鋼管。

6.2  鋼筋混凝土管外腐蝕等級

6.2.1 按埋設地土壤類型劃分腐蝕等級

埋設在土壤中的鋼筋混凝土管道的防腐等級由土壤的性質而定。在內陸地區的土壤干燥，含水率低，是屬弱腐蝕環境；在淡水湖和沼澤濕地周邊地區以及南方水田，溫暖潮濕多雨地區是屬于中等腐蝕環境；在沿海、鹽湖、鹽堿灘和化工廠周邊地區土壤中含鹽量高，含腐蝕性、滲透性的陰陽離子，應屬強腐蝕地區。

6.2.2 按埋設地土壤化學成份劃分腐蝕等級。

表6-1 按埋設地土壤中化學成份劃分腐蝕等級

6.3 外防腐層要求

混凝土表面的防腐層除應具備鋼管外防腐層的要求外（見3.1.3節），還應滿足建設部JTJ275-2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》對混凝土表面涂層的下列要求：

（1）防腐蝕涂料應具有良好的耐堿性、附著性和耐蝕性，底層涂料尚應具有良好的滲透能力；表層涂料尚應具有耐老化性。

（2）表濕區防腐蝕涂料應具有濕固化、耐磨損、耐沖擊和耐老化等性能。

（3）涂層的性能應滿足表6-2的要求。涂層與混凝土表面的粘結力不得小于1.5MPa。

表6-2 混凝土涂層性能要求

6.4 外防腐層種類與標準

6.4.1 外防腐層種類

防腐層在混凝土表面形成一層屏蔽阻隔層，阻止腐蝕性介質的浸入，防止鋼筋、鋼板腐蝕生銹，防止混凝土層脹裂破壞。由于混凝土有強堿性，防腐層耐堿性是最先決的條件，其次是粘結力、耐蝕性。利比亞的一條預應力混凝土管道,因采用的防腐層不合理，原設計壽命50年，1993年投入使用，僅六年涂層失效破壞。

混凝土表面可選用液體環氧、聚氨酯、丙烯酸、乙烯基、氯化橡膠等涂料。在國外通過對聚氨酯、環氧樹脂、丙烯酸、有機硅、含氟乙烯、不飽和聚酯等多種合成樹脂制成的涂料進行系統的滲透混凝土層試驗、水汽吸收試驗、混凝土碳化試驗，經對比，效果最好的是環氧類涂料。環氧涂料對混凝土有較好的滲透能力，可以滲入混凝土內部，形成涂層后可以減少對水汽的吸收，并減緩碳化反應。

英國里茲大學測定涂了環氧漆的混凝土，其滲透O₂、CO₂的系數下降到未涂環氧漆的混凝土的1%以下?？孤然餄B透的效果也非常好，環氧涂層抗氯化物的滲透性相當于134cm的混凝土層。環氧樹脂類涂層耐堿性優良，可長期附著在堿性的混凝土表面而不發生皂化等反應。廊坊東化防腐工程有限公司曾將環氧煤瀝青漆涂刷到混凝土試塊上，浸泡在飽和鹽水中，至今已達30年，仍外觀光亮，粘結牢固，涂層堅硬如初，如圖6-1。

圖6-1 長期浸泡在飽和鹽水的環氧煤瀝青涂層試塊

環氧類涂料有優異的抗腐蝕性能。采用環氧玻璃鱗片涂層要比純環氧類涂層抗酸、堿、氯離子的能力增高5～10倍，在10%以下的鹽酸、硫酸溶液浸泡10年不會損壞，在任何濃度的強堿NaOH溶液中20年以上不損壞，在飽和鹽水中20年以上不損壞。

從上世紀60年代末，美國已在大口徑預應力混凝土輸水管道外表面應用高固體分超厚膜的環氧煤焦油型重防腐涂料（即環氧煤瀝青防腐涂料），已先后在美國、中東使用數千萬平方米。韓國的無溶劑改性環氧煤焦油涂料也作為埋地混凝土管道的外表面防腐涂料應用，見表6-3。

表6-3  國外部分混凝土管道外表面防腐涂料情況

  6.4.2 外防腐層等級和結構

    混凝土管道外防腐等級見表6-4，外防腐層結構見表6-5,表6-6和6-7。

表6-4 混凝土管外防腐等級

表6-5 普通級外防腐層結構（弱腐蝕環境）

表6-6  加強級外防腐層結構（中等腐蝕環境）

表6-7 特加強級外防腐層結構（強腐蝕環境）

上述外防腐涂層均為黑色，若要求美觀，亦可采用彩色環氧漆取代環氧煤瀝青漆，但彩色環氧漆的防腐防水性能略低于黑色環氧煤瀝青漆，且價格高于環氧煤瀝青漆