城市污水环境下混凝土的防腐技术

韩秀秀 夏文丽 仲小亮 宋莹莹

上海市建筑科学研究院有限公司 上海 200030

在城市污水处理工程中，设计、施工人员由于习惯，往往会忽视混凝土污水池（包括沉淀池、MSBR池、接触池、厌氧池、浓缩池、沉砂池等）的腐蚀与防护问题。城市污水池混凝土的腐蚀问题也已经成为影响涂装工程质量和使用年限的重要因素，采取有效的防护措施可大幅度提高混凝土污水池的使用年限[1]。

1 城市污水池腐蚀现状

城市污水池污水水质较稳定，颜色浑浊，气味难闻，一般不含有毒物质，但成分较复杂（含有硫化物等）。且常含有大量的细菌（包括病原体）、病毒和寄生虫卵以及氮、磷等营养物质。水体中所含固体物质约占总质量的0.1%～0.2%，各种无机盐类和可溶性有机物质作为可溶解固体，占总固体质量的63%左右，其中悬浮固体中有机成分占75%以上[2]。

1.1 腐蚀类型

1.1.1 物理侵蚀

水流冲刷：污水池中水流速度大，混凝土结构的微孔

在流水作用下，固相水化物溶解，导致混凝土表面孔隙率增大，甚至出现裂纹，内部受腐蚀产物被带离，暴露出新的表面被侵蚀。由此反复作用，腐蚀状况加剧。

干湿交替：污水池混凝土受环境影响比较大，水位变化频繁的位置会产生结晶腐蚀。

冻融循环：在北方的寒冷地带，随着环境温度下降，混凝土表面与内部温度下降速度不一致，表面温度下降快，内部温度下降慢，从而在内外混凝土之间形成温度梯度[3]。当环境温度低于0 ℃时，混凝土表面孔隙中的水分将会逐步冻结，产生压力，当压力超过其能承受的应力时，混凝土内部产生新的细微裂纹。当环境温度升高时，混凝土孔隙内的水解冻，细小孔隙及新产生的细微裂纹因毛细现象而吸水饱满，与其相连的孔隙也会吸收一部分水，该过程称为冻融过程。冻融循环一段时间后，混凝土就会发生由表及里的破坏。

1.1.2 化学腐蚀

酸性腐蚀：污水中存在的酸性物质与混凝土中的Ca(OH)2起反应生成可溶性的钙盐，钙盐通过滤析带走，造成侵蚀。这种腐蚀由表面向内部进行，并且随着水的酸度的增强而增强。最终导致水泥表面被腐蚀成松散物或蜂窝状，松散物被水流冲刷带走，进一步向污水池混凝土内部腐蚀。

内部钢筋腐蚀：混凝土结构中的裂纹、微孔以及蜂窝麻面等缺陷使得污水透过内部钢筋进行腐蚀。钢筋在混凝土的碱性环境中能够形成钝化膜，不受腐蚀。但是在酸性条件下，保护膜被破坏，钢筋产生电化学腐蚀，其腐蚀产物锈胀体积会增加2.5～7.0倍[4]，导致细微裂纹产生，使得酸性生活污水进一步渗透，加剧腐蚀。

化学腐蚀：水中存在的SO42-进入混凝土的孔隙内部，与混凝土的水化产物发生化学反应生成结晶产物，结晶物吸水膨胀，破坏混凝土结构的强度。SO42-与Ca(OH)2反应生成石膏（CaSO4·2H2O）晶体，导致水泥水化物（CSH）被分解，生成不溶性且无胶结作用的SiO2胶体，体积增大1～1.5倍，石膏膨胀会破坏混凝土，使其整体溃散；CaSO4·2H2O再与混凝土中C3A(3CaO·Al2O3)的水化物硫酸铝盐发生反应生成钙矾石，体积超过反应物1.5倍以上，针状结晶，引起混凝土表面粗裂缝的出现。该腐蚀现象常发生在液位附近的干湿交替处，并随着水中盐分的增加而增强。

1.1.3 微生物腐蚀

污水中含有好氧异养菌、硫酸盐还原菌（噬混凝土菌）、硫杆菌和藻类微生物等成分，其中硫酸盐还原菌和硫杆菌的危害较大，在代谢过程中会生成硫酸腐蚀混凝土。特别是当混凝土污水池里温度变化小，湿度高时，会加快硫酸盐还原菌及硫杆菌的活动，加速硫酸的生成。该类腐蚀主要发生在混凝土构筑物的气相区，特别是污水为厌氧状态区，污水、污泥易滞留区；处于搅拌状态的污水厌氧区以及封闭的混凝土污水池空间内[5]。

1.2 腐蚀机理

城市污水池混凝土腐蚀危害中尤以微生物腐蚀影响最大，以封闭污水池为例，其腐蚀过程大致可以分为以下4个阶段：

1）水中的悬浮物沉积于污水池底部形成淤泥，有机物质成为好氧微生物的营养源，被逐步分解。待水中溶解氧被消耗殆尽后，氧化作用停止，水体变为厌氧环境。淤泥中的硫酸根离子被硫酸盐还原细菌还原成H2S。

2）H2S气体溢出水面，到达气相区，与内壁接触。

3）在好氧环境下，H2S被硫氧化菌氧化为H2SO4。

4）H2SO4与混凝土水化物发生结晶腐蚀，造成混凝土的劣化和钢筋的严重腐蚀（图1）。

2 防腐技术应用现状

2.1 城市污水环境下的防腐技术

适用于城市污水池的防腐技术主要包括以下2种。

2.1.1 涂装防腐涂层

图1 混凝土污水池腐蚀机理示意

在基材的防护中涂层防护是迄今为止最有效、最经济实用和应用最普遍的方法之一。防腐涂层，是指具备优异的结构修补能力及防腐性能，并可以在混凝土结构表面施工，具有较强的耐酸、碱、盐和各种溶剂以及矿物油等腐蚀作用的沥青基、水泥基和高分子基材料的统称[6]。一般包括环氧树脂涂料、弹性聚氨酯涂料、聚脲涂料、乙烯酯玻璃鳞片涂料、聚合物水泥砂浆、渗透结晶防水涂料等。具有能快速重新投入使用，施工方法及工艺流程简单、防腐寿命长、维修方便等特点。

2.1.2 衬贴玻璃钢

玻璃钢是玻璃纤维增强塑料的俗称，目前常采用在混凝土基础上形成厚度为1～3 mm的玻璃钢衬里防护层，以达到防腐的目的。通常与环氧树脂组成固化体系，固化剂类型为胺类或酸酐类。衬贴玻璃钢的优势在于抗渗透性好、与基材附着力优、施工简单、造价适中等。但是，固化体系中的环氧树脂在强酸介质作用下易发生交联结构分解，导致防腐层发生老化现象，使其丧失防腐性能[7]。另外，胺类固化剂以及添加到环氧树脂中的溶剂均具有毒性，对施工人员的身体危害极大。

2.2 城市污水环境下的防腐涂层

2.2.1 环氧树脂涂料

环氧树脂涂料是有机防腐涂料中的应用较为广泛的一种类型，具有很多优点：附着力强、硬度高、耐水和耐化学性稳定、耐磨性较好等。污水池的干燥区部位采用环氧封闭底漆＋环氧云铁中间漆＋丙烯酸聚氨酯面漆的涂装体系，可提高其综合性能和防腐要求，在防腐和外观要求较高的场合应用较广。而对于污水接触区，由于施工环境湿度较大，可采用湿基环氧封闭底漆，使涂层具有良好的润湿性、耐碱性和附着力，提高涂装适应性，有效缩短工期。

该体系的底涂层已逐步向高固体分、无溶剂环氧树脂涂料发展，无溶剂环氧涂料的固体体积分数达到80%以上，环保性较好，但是施工难度较大，并且采用活性稀释剂和低黏度固化剂又会使成本增加。

2.2.2 弹性聚氨酯涂料

弹性聚氨酯涂料是一种用途广泛、成本低廉、防腐性能优良的新型防腐材料。防腐性能好、耐候性强、附着力强、柔韧性好、施工方便（干燥速度快，在0 ℃时也能正常固化，一次成膜厚，施工道数少）等特点[8]。涂装体系选择聚氨酯底涂＋环氧树脂腻子＋柔韧型聚氨酯中涂＋柔韧型聚氨酯面涂，适用于污水池中容易产生变形、裂缝等对涂层柔韧性有要求的涂装部位。一般采用喷涂技术，涂层干燥迅速，不受环境湿气影响，厚涂也不流挂。

2.2.3 聚脲涂料

聚脲涂料与聚氨酯涂料类似，是由异氰酸酯（A组分）和端氨基树脂（R组分）在室温下反应生成的弹性体物质[9]，具有不开裂、工期短、耐化学腐蚀性能好等优点。直接在混凝土表面喷涂聚脲弹性体效果并不理想，固化速度太快，渗透性不好，常采用环氧封闭底漆作为底涂层。芳香族聚脲涂料的耐候性不好，可与弹性脂肪族聚氨酯面漆配合使用。聚脲涂料虽然各种性能非常理想，但造价较高，可用在特殊的混凝土污水处理池。

2.2.4 乙烯酯玻璃鳞片涂料

乙烯酯玻璃鳞片涂料是扁平型的玻璃鳞片在树脂中平行重叠排列形成的致密复合物。该类涂料具有优良的耐酸性、膨胀系数小、热稳定性好、密封效果优异、抑制龟裂，玻璃鳞片的添加使防腐效果更好，可以应用于污水池中防腐蚀要求严格的部位。可以采用环氧树脂封闭底漆作为底涂层，涂刷时层间纵横交错，每层往复进行。该类涂料的质量主要由玻璃鳞片的添加比例以及在基体树脂中的排列状态所决定[10]。

2.2.5 聚合物水泥砂浆

聚合物水泥砂浆是一种特种水泥，主要成分是由水泥、骨料和可以分散在水中的有机聚合物搅拌而成。具有抗压强度高，黏结强度大，抗氯离子和硫酸盐离子侵蚀能力强，与水泥基相容性好，防腐性能优异，价格低廉等特点。可直接用于污水池表面以防渗，还是一种理想的修补材料，在混凝土表面涂刷界面剂后可直接施涂。聚合物水泥砂浆除却自身拥有的性能外，其中含有的某些活性基团还能与水泥水化产物发生化学反应，缓解内应力，增强防腐性能。

2.2.6 渗透结晶防水涂料

渗透结晶防水涂料以水泥、石英砂等为基材，掺入多种活性化学物质和辅助材料制成的一种浓缩型粉状防水涂料。其分子结构为Ca(O-R-OH)2的活性物质，相对分子质量小，同时含有疏水基团（―R―）和亲水基团（―OH），其亲水性大于疏水性，可溶于水，可在潮湿环境中发生缩聚结晶现象，无味、无毒，是一种绿色环保材料。对于不规则异形面具有高适应性、耐温性，够满足结构复杂的污水池防腐施工。具有可自动修复缺陷、物化性能好、抗渗性好、耐化学腐蚀性好、相容性好、环保性能优异的特点，可在湿基混凝土上直接进行涂刷。

2.2.7 其他涂料

在当前环保大背景的要求下，水性环氧涂料的出现使得环氧涂料有了进一步发展，与传统溶剂型涂料相比，水性环氧涂料是一种新型、绿色环保产品，符合国家绿色环保的发展理念，涂装中不会出现有机溶剂挥发产生的二次污染、对涂装表面适应性大大提高[11]，并且耐水、耐潮湿性好，防腐寿命长，可以用于水质要求比较严格的污水池结构。

互穿网络聚合物（IPN）涂料即2种及以上的交联树脂相互贯穿、交织而成的三维网络结构的聚合物。可结合涂层中不同树脂各自的优点提高涂层的整体性能。比如将聚氨酯-苯乙烯-丙烯腈聚合而成的IPN涂料，涂层既具有聚氨酯附着力强、柔韧性好、耐磨的特性，又具有聚苯乙烯网络和聚丙烯腈网络耐酸、碱、盐等腐蚀介质的性能[12]，整体性能优越，可用于防腐要求严苛的部位使用。

3 结语

混凝土污水池防腐涂装技术应符合现代涂装工程的趋势，在保证涂料高防腐性能的基础上坚持环保，大力开发高技术含量、高功能、高质量的创新型涂料是今后的发展趋势。针对混凝土污水池不同工艺、不同部位采用合适材料进行涂装的工程应该加以重视，这样才能确保污水池整体防腐寿命的提高。