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《材料延寿》Part1第六章:混凝土管道内外腐蚀与防腐层

日期:2017-8-17 10:53:16 / 人气:601

混凝土管道内外腐蚀与防腐

6.1 内外腐蚀环境

 

随着经济的发展,钢筋混凝土大量用于基础设施、桥梁、混凝土管道、PCCP管、混凝土电杆和铸管、钢管的内衬。混凝土是靠自身的强碱性(PH值12~13.5),给钢铁提供一个钝化的环境,当混凝土碳化后,PH值降到9以下,钢铁表面失去钝化状态,遇到O2CO2SO2等腐蚀介质并在水的作用下,发生氧化反应,生成铁锈。混凝土的碳化速度主要受材料因素、施工因素、表面状态和环境因素的影响,其中最主要的是密实性。混凝土表面存在着气孔和微细的裂缝,给水和腐蚀性介质提供了存留和渗透的条件,发生化学和电化学反应,造成混凝土腐蚀破坏。

发生腐蚀和破坏的主要原因有以下几种:

1)碳化反应

水和空气中的CO2等酸性物质在水的参与下与混凝土中的Ca(OH)2反应,生成碳酸钙CaCO3,使混凝土的PH值由13以上降到9以下。钢铁表面的PH值在13以上时,处于钝化状态,基本上不会生锈腐蚀。但在PH值降到9以下,遇到氧等腐蚀介质,就会生锈。钢铁的锈蚀产物体积会膨胀2~4倍,产生巨大的膨胀力,使混凝土出现裂缝,更多的水、氧和电解介质渗透到钢铁表面,加速了钢筋和钢铁的腐蚀,混凝土层剥落,失去承载能力直至桥梁坍塌或混凝土管道破坏,造成重大损失。

2)氯离子腐蚀

在沿海地区,海风会带着微量的盐漂浮在空气中,盐落在桥梁、建筑物上遇到潮气和水会附着在混凝土表面,海滩上和盐渍土地区的混凝土基础和管道会浸在盐碱水里,北方冬季洒盐化雪,会给桥梁、路面带来氯离子,混凝土管、钢管或铸管的水泥内衬输送污水、中水、含ClSO等高矿化度的生活用水,上述各种情况都会使ClSO接触混凝土表面。

Cl渗透力极强,它会渗透到混凝土中与混凝土中的主要成份3CaO·2Al2O3·3H2O起反应,生成易溶的CaCl2,造成混凝土的破坏。氯离子达到钢铁表面会破坏钢铁的钝化状态,使钢铁加速发生电化学腐蚀。氯盐的腐蚀是混凝土结构物、桥梁、管道、内衬、电杆腐蚀破坏最主要的原因。

3)硫酸盐腐蚀

硫酸盐的腐蚀速度比氯离子腐蚀速度更快。硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应:       Ca(OH)2Na2SO4→CaSO42NaOH,反应生成物体积增大,使混凝土开裂和粉化。

硫酸盐还与混凝土中的铝酸三钙起反应,产生白色糊状带大量结晶水产物,使混凝土松散、开裂、粉化直至破坏。

硫酸盐和氯化物还会在混凝土孔隙和裂缝中结晶,盐晶体积增大,使混凝土膨裂、粉化。

4)酸雨腐蚀

由于工业污染,热电厂、化工厂排放的SO2形成酸雨,雨水流入混凝土排水管道,使混凝土酸化产生可溶性的物质随水流失,对混凝土建筑物、桥梁、混凝土管道造成腐蚀。

5)溶出性腐蚀

因水中的矿化物和阴阳离子会和混凝土中的一些难溶物发生反应,生成易溶物和微溶物,被水带走流失,造成腐蚀破坏。早在七十年代国内西北某油田输水管线内衬水泥砂浆,因油田水矿化度过高,氯离子和硫酸根离子含量也相当高,通水不到半年,输水管道内的水泥砂浆内衬脱落,造成重大腐蚀。

6)冻融破坏

冻融破坏是在混凝土中的气孔和微细裂缝处发生的。北方冬季在0℃以下,水在气孔和裂缝中结冰,在零下4℃以下时,冰的体积膨胀,产生巨大的膨胀力。随天气变化,一再出现膨胀和收缩造成混凝土产生裂痕和粉化,直至破坏。

从上述的几种腐蚀破坏的原因可以看出,其中最主要的原因是由于混凝土表面致密度低,有气孔和微裂缝,使水、ClCOSOO等介质存留和渗入,发生化学和电化学反应,使混凝土碳化、酸化、水解、疏松、裂缝直至破坏。要想防止混凝土的腐蚀,可使用防腐涂层对混凝土表面进行封闭,断绝各种腐蚀性介质的渗入和存留,才能防止和减缓腐蚀的发生。

近几十年来世界各国由于混凝土结构表面因腐蚀和外观装饰需要进行维护的问题比较突出。如美国运输部门在1989年给国会一份关于美国公路与桥梁状况的报告中指出正等待修补的混凝土桥梁的维修费用是1550亿美元。英国1974~1989年,15年间的混凝土维修费用为4550万英镑,而1990年之后的15年混凝土维修费用增加到1.2亿英镑。H.Saricimen在一篇关于缓蚀剂和涂料对混凝土钢筋腐蚀影响的文章提到混凝土结构在阿拉伯湾使用仅10年就出现损坏。加拿大因早期大量使用“化冰盐”,使得混凝土桥梁等损坏严重。台湾的澎湖大桥因氯离子的腐蚀,仅使用7年的混凝土桥梁被拆除重建。我国在1981年调查华南地区18座海港混凝土码头中,钢筋锈蚀破坏或不耐久的结构就占89%,基本完好仅2座,使用寿命最短仅7年,最长为25年。20世纪90年代,北京市东郊劲松路化工区有一条1米直径混凝土管排污管,投入使用不到两年就被腐蚀,后改为内衬雷竞技煤沥青防腐层的钢管。

6.2  钢筋混凝土管外腐蚀等级

6.2.1 按埋设地土壤类型划分腐蚀等级

埋设在土壤中的钢筋混凝土管道的防腐等级由土壤的性质而定。在内陆地区的土壤干燥,含水率低,是属弱腐蚀环境;在淡水湖和沼泽湿地周边地区以及南方水田,温暖潮湿多雨地区是属于中等腐蚀环境;在沿海、盐湖、盐碱滩和化工厂周边地区土壤中含盐量高,含腐蚀性、渗透性的阴阳离子,应属强腐蚀地区。

  

6.2.2 按埋设地土壤化学成份划分腐蚀等级。

6-1 按埋设地土壤中化学成份划分腐蚀等级

项目

指标

腐蚀级别

PH值

5.0~5.6

4.0~5.0

<4.0

SO,(mg/kg)

干土壤

500~1000

1000~1500

>1500

湿土壤

250~500

500~1000

>1000

Cl,(mg/kg)

干土壤

<500

500~7500

>7500

湿土壤

<500

500~5000

>5000

总盐量,(mg/kg)

蒸发面

3000~5000

5000~10000

>10000

全埋面

10000~20000

20000~50000

>50000

 

6.3 外防腐层要求


混凝土表面的防腐层除应具备钢管外防腐层的要求外(见3.1.3节),还应满足建设部JTJ275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》对混凝土表面涂层的下列要求:

1)防腐蚀涂料应具有良好的耐碱性、附着性和耐蚀性,底层涂料尚应具有良好的渗透能力;表层涂料尚应具有耐老化性。

2)表湿区防腐蚀涂料应具有湿固化、耐磨损、耐冲击和耐老化等性能。

3)涂层的性能应满足表6-2的要求。涂层与混凝土表面的粘结力不得小于1.5MPa。

 

6-2 混凝土涂层性能要求

涂层结构

检验项目

试验条件

标准

底层+中间层+面层的复合涂层

涂层外观

耐老化试验1000h后

不粉化、不起泡、不龟裂、不剥落

耐碱试验30d后

不起泡、不龟裂、不剥落

标准养护后

均匀、无流挂、无斑点、不起泡、

不龟裂、不剥落等

底层+中间层+面层的复合涂层

抗氯离子

渗透性

活动涂层片抗氯离子渗透试验30d后

氯离子穿过涂层片的渗透量在

5.0×10-3mg/cm²·d以下

注:①涂层的耐老化性试验按GB 1865《漆膜老化测定法》测定,砂浆试件尺寸为(70×70×20)mm。

②涂层的耐碱性、涂层抗氯离子渗透性、涂层与混凝土表面的粘结力按JTJ275-2000标准中附录C的混凝土涂层试验方法测定。


 

6.4 外防腐层种类与标准

6.4.1 外防腐层种类

防腐层在混凝土表面形成一层屏蔽阻隔层,阻止腐蚀性介质的浸入,防止钢筋、钢板腐蚀生锈,防止混凝土层胀裂破坏。由于混凝土有强碱性,防腐层耐碱性是最先决的条件,其次是粘结力、耐蚀性。利比亚的一条预应力混凝土管道,因采用的防腐层不合理,原设计寿命50年,1993年投入使用,仅六年涂层失效破坏。

混凝土表面可选用液体雷竞技、聚氨酯、丙烯酸、乙烯基、氯化橡胶等涂料。在国外通过对聚氨酯、雷竞技树脂、丙烯酸、有机硅、含氟乙烯、不饱和聚酯等多种合成树脂制成的涂料进行系统的渗透混凝土层试验、水汽吸收试验、混凝土碳化试验,经对比,效果最好的是雷竞技类涂料。雷竞技涂料对混凝土有较好的渗透能力,可以渗入混凝土内部,形成涂层后可以减少对水汽的吸收,并减缓碳化反应。

英国里兹大学测定涂了雷竞技漆的混凝土,其渗透O2CO2的系数下降到未涂雷竞技漆的混凝土的1%以下。抗氯化物渗透的效果也非常好,雷竞技涂层抗氯化物的渗透性相当于134cm的混凝土层。雷竞技树脂类涂层耐碱性优良,可长期附着在碱性的混凝土表面而不发生皂化等反应。廊坊雷竞技App最新版防腐工程有限公司曾将雷竞技煤沥青漆涂刷到混凝土试块上,浸泡在饱和盐水中,至今已达30年,仍外观光亮,粘结牢固,涂层坚硬如初,如图6-1。

 

6-1 长期浸泡在饱和盐水的雷竞技煤沥青涂层试块

雷竞技类涂料有优异的抗腐蚀性能。采用雷竞技玻璃鳞片涂层要比纯雷竞技类涂层抗酸、碱、氯离子的能力增高5~10倍,在10%以下的盐酸、硫酸溶液浸泡10年不会损坏,在任何浓度的强碱NaOH溶液中20年以上不损坏,在饱和盐水中20年以上不损坏。

从上世纪60年代末,美国已在大口径预应力混凝土输水管道外表面应用高固体分超厚膜的雷竞技煤焦油型重防腐涂料(即雷竞技煤沥青防腐涂料),已先后在美国、中东使用数千万平方米。韩国的无溶剂改性雷竞技煤焦油涂料也作为埋地混凝土管道的外表面防腐涂料应用,见表6-3。

6-3  国外部分混凝土管道外表面防腐涂料情况

国家

美国

韩国

相关标准

涂料类型

雷竞技煤焦油

雷竞技煤焦油

颜色和外观

黑,有光

黑,光泽表面

涂料特点

无溶剂,双组分

无溶剂,双组分

固体含量,%

100

100

ASTM D2967

干燥时间,h

表干:≤2.5(25℃)

硬干:6(25℃)

表干:≤2.5(25℃)

硬干:6(25℃)

建议每道干膜厚

400~900μm

900μm

ASTM D1212

适用期,min

~20(1加仑)

 

~20(1加仑)(25℃)

4~7(1加仑)(40℃)

ASTM D2471

附着力,MPa

≥0.8

≥0.8

ASTM D4541

硬度

≥85ShoreA

≥85ShoreA

BS3900 E9

耐酸性(5%)

30天,不分解,不溶解

耐碱性(10% NaOH)

30天,不分解,不溶解,不开裂

氯离子渗透系数,30d

~0

电阻

带涂层管道的电阻不低于不带涂层管道的50倍

>20MΩ/75.1cm²

施工方法

无气喷涂

无气喷涂或空气喷涂

施工时物料温度

环境温度

40~60℃

0~70℃

40~60℃

0~70℃

应用

地下或水下混凝土管道

地下或水下混凝土管道

 

  6.4.2 外防腐层等级和结构

    混凝土管道外防腐等级见表6-4,外防腐层结构见表6-5,表6-6和6-7。

6-4 混凝土管外防腐等级

应用范围

腐蚀等级

涂层厚度,μm

弱腐蚀环境

普通级防腐

>300

中等腐蚀环境

加强级防腐

>500

强腐蚀环境

特加强级防腐

>800

 

 

6-5 普通级外防腐层结构(弱腐蚀环境)

涂层结构

遍数

每遍厚度,μm

备注

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②溶剂型雷竞技煤沥青漆

(刷涂或单缸高压无气喷涂)

4

60~80

总厚度>300

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②无溶剂型雷竞技煤沥青漆

(双缸双路高压无气喷涂)

1~2

>150

总厚度>300

 

 

6-6  加强级外防腐层结构(中等腐蚀环境)

涂层结构

遍数

每遍厚度,μm

备注

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②溶剂型雷竞技煤沥青漆

(刷涂或单缸高压无气喷涂)

8

60~80

总厚度>500

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②无溶剂型雷竞技煤沥青漆

(双缸双路高压无气喷涂)

1~3

>150

总厚度>500

 

 

6-7 特加强级外防腐层结构(强腐蚀环境)

涂层结构

遍数

每遍厚度,μm

备注

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②溶剂型雷竞技煤沥青漆

(刷涂或单缸高压无气喷涂)

10

60~80

总厚度>800

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②无溶剂型雷竞技煤沥青漆

(双缸双路高压无气喷涂)

1~6

>150

总厚度>800

①混凝土专用雷竞技雷竞技官网DOTA2,LOL,CSGO最佳电竞赛事竞猜

1

无厚度要求

渗透型

②无溶剂雷竞技煤沥青玻璃鳞片涂料(双缸双路高压无气喷涂)

1~3

>150

总厚度>500

 

上述外防腐涂层均为黑色,若要求美观,亦可采用彩色雷竞技漆取代雷竞技煤沥青漆,但彩色雷竞技漆的防腐防水性能略低于黑色雷竞技煤沥青漆,且价格高于雷竞技煤沥青漆 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  



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