城市污水環(huán)境下混凝土的防腐技術

韓秀秀 夏文麗 仲小亮 宋瑩瑩

上海市建筑科學研究院有限公司 上海 200030

在城市污水處理工程中，設計、施工人員由于習慣，往往會忽視混凝土污水池（包括沉淀池、MSBR池、接觸池、厭氧池、濃縮池、沉砂池等）的腐蝕與防護問題。城市污水池混凝土的腐蝕問題也已經(jīng)成為影響涂裝工程質(zhì)量和使用年限的重要因素，采取有效的防護措施可大幅度提高混凝土污水池的使用年限[1]。

1 城市污水池腐蝕現(xiàn)狀

城市污水池污水水質(zhì)較穩(wěn)定，顏色渾濁，氣味難聞，一般不含有毒物質(zhì)，但成分較復雜（含有硫化物等）。且常含有大量的細菌（包括病原體）、病毒和寄生蟲卵以及氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。水體中所含固體物質(zhì)約占總質(zhì)量的0.1%～0.2%，各種無機鹽類和可溶性有機物質(zhì)作為可溶解固體，占總固體質(zhì)量的63%左右，其中懸浮固體中有機成分占75%以上[2]。

1.1 腐蝕類型

1.1.1 物理侵蝕

水流沖刷：污水池中水流速度大，混凝土結構的微孔

在流水作用下，固相水化物溶解，導致混凝土表面孔隙率增大，甚至出現(xiàn)裂紋，內(nèi)部受腐蝕產(chǎn)物被帶離，暴露出新的表面被侵蝕。由此反復作用，腐蝕狀況加劇。

干濕交替：污水池混凝土受環(huán)境影響比較大，水位變化頻繁的位置會產(chǎn)生結晶腐蝕。

凍融循環(huán)：在北方的寒冷地帶，隨著環(huán)境溫度下降，混凝土表面與內(nèi)部溫度下降速度不一致，表面溫度下降快，內(nèi)部溫度下降慢，從而在內(nèi)外混凝土之間形成溫度梯度[3]。當環(huán)境溫度低于0 ℃時，混凝土表面孔隙中的水分將會逐步凍結，產(chǎn)生壓力，當壓力超過其能承受的應力時，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新的細微裂紋。當環(huán)境溫度升高時，混凝土孔隙內(nèi)的水解凍，細小孔隙及新產(chǎn)生的細微裂紋因毛細現(xiàn)象而吸水飽滿，與其相連的孔隙也會吸收一部分水，該過程稱為凍融過程。凍融循環(huán)一段時間后，混凝土就會發(fā)生由表及里的破壞。

1.1.2 化學腐蝕

酸性腐蝕：污水中存在的酸性物質(zhì)與混凝土中的Ca(OH)2起反應生成可溶性的鈣鹽，鈣鹽通過濾析帶走，造成侵蝕。這種腐蝕由表面向內(nèi)部進行，并且隨著水的酸度的增強而增強。最終導致水泥表面被腐蝕成松散物或蜂窩狀，松散物被水流沖刷帶走，進一步向污水池混凝土內(nèi)部腐蝕。

內(nèi)部鋼筋腐蝕：混凝土結構中的裂紋、微孔以及蜂窩麻面等缺陷使得污水透過內(nèi)部鋼筋進行腐蝕。鋼筋在混凝土的堿性環(huán)境中能夠形成鈍化膜，不受腐蝕。但是在酸性條件下，保護膜被破壞，鋼筋產(chǎn)生電化學腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物銹脹體積會增加2.5～7.0倍[4]，導致細微裂紋產(chǎn)生，使得酸性生活污水進一步滲透，加劇腐蝕。

化學腐蝕：水中存在的SO42-進入混凝土的孔隙內(nèi)部，與混凝土的水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應生成結晶產(chǎn)物，結晶物吸水膨脹，破壞混凝土結構的強度。SO42-與Ca(OH)2反應生成石膏（CaSO4·2H2O）晶體，導致水泥水化物（CSH）被分解，生成不溶性且無膠結作用的SiO2膠體，體積增大1～1.5倍，石膏膨脹會破壞混凝土，使其整體潰散；CaSO4·2H2O再與混凝土中C3A(3CaO·Al2O3)的水化物硫酸鋁鹽發(fā)生反應生成鈣礬石，體積超過反應物1.5倍以上，針狀結晶，引起混凝土表面粗裂縫的出現(xiàn)。該腐蝕現(xiàn)象常發(fā)生在液位附近的干濕交替處，并隨著水中鹽分的增加而增強。

1.1.3 微生物腐蝕

污水中含有好氧異養(yǎng)菌、硫酸鹽還原菌（噬混凝土菌）、硫桿菌和藻類微生物等成分，其中硫酸鹽還原菌和硫桿菌的危害較大，在代謝過程中會生成硫酸腐蝕混凝土。特別是當混凝土污水池里溫度變化小，濕度高時，會加快硫酸鹽還原菌及硫桿菌的活動，加速硫酸的生成。該類腐蝕主要發(fā)生在混凝土構筑物的氣相區(qū)，特別是污水為厭氧狀態(tài)區(qū)，污水、污泥易滯留區(qū)；處于攪拌狀態(tài)的污水厭氧區(qū)以及封閉的混凝土污水池空間內(nèi)[5]。

1.2 腐蝕機理

城市污水池混凝土腐蝕危害中尤以微生物腐蝕影響最大，以封閉污水池為例，其腐蝕過程大致可以分為以下4個階段：

1）水中的懸浮物沉積于污水池底部形成淤泥，有機物質(zhì)成為好氧微生物的營養(yǎng)源，被逐步分解。待水中溶解氧被消耗殆盡后，氧化作用停止，水體變?yōu)閰捬醐h(huán)境。淤泥中的硫酸根離子被硫酸鹽還原細菌還原成H2S。

2）H2S氣體溢出水面，到達氣相區(qū)，與內(nèi)壁接觸。

3）在好氧環(huán)境下，H2S被硫氧化菌氧化為H2SO4。

4）H2SO4與混凝土水化物發(fā)生結晶腐蝕，造成混凝土的劣化和鋼筋的嚴重腐蝕（圖1）。

2 防腐技術應用現(xiàn)狀

2.1 城市污水環(huán)境下的防腐技術

適用于城市污水池的防腐技術主要包括以下2種。

2.1.1 涂裝防腐涂層

圖1 混凝土污水池腐蝕機理示意

在基材的防護中涂層防護是迄今為止最有效、最經(jīng)濟實用和應用最普遍的方法之一。防腐涂層，是指具備優(yōu)異的結構修補能力及防腐性能，并可以在混凝土結構表面施工，具有較強的耐酸、堿、鹽和各種溶劑以及礦物油等腐蝕作用的瀝青基、水泥基和高分子基材料的統(tǒng)稱[6]。一般包括環(huán)氧樹脂涂料、彈性聚氨酯涂料、聚脲涂料、乙烯酯玻璃鱗片涂料、聚合物水泥砂漿、滲透結晶防水涂料等。具有能快速重新投入使用，施工方法及工藝流程簡單、防腐壽命長、維修方便等特點。

2.1.2 襯貼玻璃鋼

玻璃鋼是玻璃纖維增強塑料的俗稱，目前常采用在混凝土基礎上形成厚度為1～3 mm的玻璃鋼襯里防護層，以達到防腐的目的。通常與環(huán)氧樹脂組成固化體系，固化劑類型為胺類或酸酐類。襯貼玻璃鋼的優(yōu)勢在于抗?jié)B透性好、與基材附著力優(yōu)、施工簡單、造價適中等。但是，固化體系中的環(huán)氧樹脂在強酸介質(zhì)作用下易發(fā)生交聯(lián)結構分解，導致防腐層發(fā)生老化現(xiàn)象，使其喪失防腐性能[7]。另外，胺類固化劑以及添加到環(huán)氧樹脂中的溶劑均具有毒性，對施工人員的身體危害極大。

2.2 城市污水環(huán)境下的防腐涂層

2.2.1 環(huán)氧樹脂涂料

環(huán)氧樹脂涂料是有機防腐涂料中的應用較為廣泛的一種類型，具有很多優(yōu)點：附著力強、硬度高、耐水和耐化學性穩(wěn)定、耐磨性較好等。污水池的干燥區(qū)部位采用環(huán)氧封閉底漆＋環(huán)氧云鐵中間漆＋丙烯酸聚氨酯面漆的涂裝體系，可提高其綜合性能和防腐要求，在防腐和外觀要求較高的場合應用較廣。而對于污水接觸區(qū)，由于施工環(huán)境濕度較大，可采用濕基環(huán)氧封閉底漆，使涂層具有良好的潤濕性、耐堿性和附著力，提高涂裝適應性，有效縮短工期。

該體系的底涂層已逐步向高固體分、無溶劑環(huán)氧樹脂涂料發(fā)展，無溶劑環(huán)氧涂料的固體體積分數(shù)達到80%以上，環(huán)保性較好，但是施工難度較大，并且采用活性稀釋劑和低黏度固化劑又會使成本增加。

2.2.2 彈性聚氨酯涂料

彈性聚氨酯涂料是一種用途廣泛、成本低廉、防腐性能優(yōu)良的新型防腐材料。防腐性能好、耐候性強、附著力強、柔韌性好、施工方便（干燥速度快，在0 ℃時也能正常固化，一次成膜厚，施工道數(shù)少）等特點[8]。涂裝體系選擇聚氨酯底涂＋環(huán)氧樹脂膩子＋柔韌型聚氨酯中涂＋柔韌型聚氨酯面涂，適用于污水池中容易產(chǎn)生變形、裂縫等對涂層柔韌性有要求的涂裝部位。一般采用噴涂技術，涂層干燥迅速，不受環(huán)境濕氣影響，厚涂也不流掛。

2.2.3 聚脲涂料

聚脲涂料與聚氨酯涂料類似，是由異氰酸酯（A組分）和端氨基樹脂（R組分）在室溫下反應生成的彈性體物質(zhì)[9]，具有不開裂、工期短、耐化學腐蝕性能好等優(yōu)點。直接在混凝土表面噴涂聚脲彈性體效果并不理想，固化速度太快，滲透性不好，常采用環(huán)氧封閉底漆作為底涂層。芳香族聚脲涂料的耐候性不好，可與彈性脂肪族聚氨酯面漆配合使用。聚脲涂料雖然各種性能非常理想，但造價較高，可用在特殊的混凝土污水處理池。

2.2.4 乙烯酯玻璃鱗片涂料

乙烯酯玻璃鱗片涂料是扁平型的玻璃鱗片在樹脂中平行重疊排列形成的致密復合物。該類涂料具有優(yōu)良的耐酸性、膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、密封效果優(yōu)異、抑制龜裂，玻璃鱗片的添加使防腐效果更好，可以應用于污水池中防腐蝕要求嚴格的部位?？梢圆捎铆h(huán)氧樹脂封閉底漆作為底涂層，涂刷時層間縱橫交錯，每層往復進行。該類涂料的質(zhì)量主要由玻璃鱗片的添加比例以及在基體樹脂中的排列狀態(tài)所決定[10]。

2.2.5 聚合物水泥砂漿

聚合物水泥砂漿是一種特種水泥，主要成分是由水泥、骨料和可以分散在水中的有機聚合物攪拌而成。具有抗壓強度高，黏結強度大，抗氯離子和硫酸鹽離子侵蝕能力強，與水泥基相容性好，防腐性能優(yōu)異，價格低廉等特點?？芍苯佑糜谖鬯乇砻嬉苑罎B，還是一種理想的修補材料，在混凝土表面涂刷界面劑后可直接施涂。聚合物水泥砂漿除卻自身擁有的性能外，其中含有的某些活性基團還能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應，緩解內(nèi)應力，增強防腐性能。

2.2.6 滲透結晶防水涂料

滲透結晶防水涂料以水泥、石英砂等為基材，摻入多種活性化學物質(zhì)和輔助材料制成的一種濃縮型粉狀防水涂料。其分子結構為Ca(O-R-OH)2的活性物質(zhì)，相對分子質(zhì)量小，同時含有疏水基團（―R―）和親水基團（―OH），其親水性大于疏水性，可溶于水，可在潮濕環(huán)境中發(fā)生縮聚結晶現(xiàn)象，無味、無毒，是一種綠色環(huán)保材料。對于不規(guī)則異形面具有高適應性、耐溫性，夠滿足結構復雜的污水池防腐施工。具有可自動修復缺陷、物化性能好、抗?jié)B性好、耐化學腐蝕性好、相容性好、環(huán)保性能優(yōu)異的特點，可在濕基混凝土上直接進行涂刷。

2.2.7 其他涂料

在當前環(huán)保大背景的要求下，水性環(huán)氧涂料的出現(xiàn)使得環(huán)氧涂料有了進一步發(fā)展，與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，水性環(huán)氧涂料是一種新型、綠色環(huán)保產(chǎn)品，符合國家綠色環(huán)保的發(fā)展理念，涂裝中不會出現(xiàn)有機溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的二次污染、對涂裝表面適應性大大提高[11]，并且耐水、耐潮濕性好，防腐壽命長，可以用于水質(zhì)要求比較嚴格的污水池結構。

互穿網(wǎng)絡聚合物（IPN）涂料即2種及以上的交聯(lián)樹脂相互貫穿、交織而成的三維網(wǎng)絡結構的聚合物?？山Y合涂層中不同樹脂各自的優(yōu)點提高涂層的整體性能。比如將聚氨酯-苯乙烯-丙烯腈聚合而成的IPN涂料，涂層既具有聚氨酯附著力強、柔韌性好、耐磨的特性，又具有聚苯乙烯網(wǎng)絡和聚丙烯腈網(wǎng)絡耐酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)的性能[12]，整體性能優(yōu)越，可用于防腐要求嚴苛的部位使用。

3 結語

混凝土污水池防腐涂裝技術應符合現(xiàn)代涂裝工程的趨勢，在保證涂料高防腐性能的基礎上堅持環(huán)保，大力開發(fā)高技術含量、高功能、高質(zhì)量的創(chuàng)新型涂料是今后的發(fā)展趨勢。針對混凝土污水池不同工藝、不同部位采用合適材料進行涂裝的工程應該加以重視，這樣才能確保污水池整體防腐壽命的提高。