我國西北地區地下管廊防腐防水芻議暨中核2000介紹
我國西北地區地下管廊防腐防水芻議暨中核2000介紹
---主稿人：天津中核：王大桐、甘肅建科院：李德榮
1 引言
我國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要（簡稱“十三五”規劃（2016－2020年））中，將地下管廊建設列為國內基建重點項目。地下管廊也稱為“綜合管廊”或“共同溝”,即在城市地下建造一個隧道空間，將市政、電力、通訊、燃氣、給排水等各種管線集中置于其內。根據《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838-2015）,其結構為鋼筋混凝土，所用材料應考慮耐久性、可靠性和經濟性。為此，規定了混凝土的強度等級和抗滲等級。實際上，這種管廊與地鐵隧道相似，結構、材料完全相同，只是容積相對較小而已。
地鐵隧道混凝土襯砌目前普遍存在滲漏問題，對于其滲漏成因分析和治理對策，已有很多論述，本公司也有專題研究報告；這些，完全適用于地下管廊結構，只是地區不同，結構破壞的機理和程度有所差異。
以下就西北地區地下管廊結構的耐久性問題做初步探討。
2 西北地區土壤環境及其對混凝土構筑物的侵蝕
2.1 土壤類別及特點
我國西北地區的土壤類別屬內陸鹽土，有明顯的鹽積層，其易溶鹽含量高達50％～60％。土壤pH值為8.0～9.5。土壤中SO42-、CL-、Mg2+的含量分別高達土壤重量的1.43％、0.82％；和0.62％。此種土壤對混凝土材料產生極嚴重的膨脹性腐蝕破壞，屬強腐蝕或極強腐蝕性土壤。
2.2 對混凝土結構的侵蝕機理
混凝土是由多種材料混合而成的非均質復合材料，具有多孔結構，其孔隙率高達總體積的25%左右；同時，在施工過程中，因溫、濕度等的變化所產生的收縮或膨脹也不可避免地產生裂紋(或裂縫)。這些孔隙和裂縫給水分及各種有害介質提供了通道，是使混凝土結構受到腐蝕破壞的內在的、結構的因素；土壤中的有害介質是致使其腐蝕破壞的外部的、環境的因素。環境因素導致的混凝土劣化的機理如下。
2.2.1 碳化
土壤氣相中所含CO2的含量比大氣中多，約0.74～9.74﹪，由土壤中微生物的代謝和分解、有機質的腐爛、植物根的活動等產生；地下水中也有CO2。
碳化也稱中性化，即土壤中的酸性氣體與水泥石液相中的堿性物質發生反應，生成鹽和水，使混凝土的堿度降低，結構破壞。典型的反應如下：
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O
CO2 +H2O = H2CO3
H2CO3+ Ca(OH) 2= CaCO3 + 2H2O
混凝土碳化的危害是：
首先，混凝土碳化使水泥石中的Ca(OH)2減少，破壞了水泥石中的Ca(OH)2固、液態的平衡，促使Ca(OH)2的進一步溶解和生成，從而改變了水泥的構成，反應方程式如下：
2（3CaO·SiO2）+ 6H2O = 3CaO·2SiO2•3H2O + 3Ca(OH)2
2（2CaO·SiO2）+ 4H2O = 3CaO·2SiO2•3H2O + Ca(OH)2
混凝土的高堿度對于水泥水化產物的穩定性至關重要,混凝土的堿度降低和中性化所導致的水泥水化產物的分解，會使混凝土自身強度降低甚至喪失。
其次，碳化生成的硫酸鹽（Ca SO4·2H2O）會使混凝土體積膨脹，而Ca SO4還會與混凝土中的C3A反應生成硫鋁酸鈣，產生第二次體積膨脹：
3CaO•Al2O3•6H2O + 3（CaSO4•2H2O）+ 19H2O = 3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O
此種體積膨脹在混凝土內部的微裂隙中進行，膨脹應力使混凝土脹裂、變酥。
第三，混凝土的碳化誘發鋼筋銹蝕?；炷恋母邏A度對保護鋼筋極為重要，當pH >11.5時，鋼筋才能完全處于鈍化狀態，一旦pH <11.5，則將誘發鋼筋銹蝕。
混凝土的碳化作用不僅使自身的性能劣化,而且,腐蝕性氣體和水的侵入將導致鋼筋的腐蝕破壞。
本來，水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土孔隙中充滿了氫氧化鈣溶液，混凝土的pH值可達12～13.5，這種堿性介質既保證了混凝土自身的穩定，又對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3或Fe3O4的鈍化膜。但是，如上所述，當空氣中的酸性氣體、水及一些離子擴散（滲透）到混凝土內，與這些堿性物質反應，這種碳化（或中性化）作用使混凝土的堿性減弱，當混凝土的pH值＜11.5時，鋼筋的鈍化層已不穩定，并逐漸受到腐蝕。
鋼筋的腐蝕過程是一個電化學反應過程，即微電池效應，是陽極反應和陰極反應的組合：
陽極反應：Fe → Fe2+ + 2e－
陰極反應：O2 + H2O + 2e─ → 2OH─
綜合： Fe + O2 + H2O → Fe（OH）2
O2 H2O
Fe（OH）3
H2O Fe（OH）2·3H2O
鋼筋的銹蝕產物產生的體積膨脹（2～4），使混凝土受內應力作用產生裂紋，氣相或氣溶膠腐蝕物由裂紋侵入，進一步加劇了混凝土自身的碳化和鋼筋的銹蝕，導致建筑結構整體劣化。
第四，碳化產生的SO32-，SO42-離子還可直接促進鋼筋的電化學腐蝕；碳化作用還使更多的自由氯離子從只有在高pH值下才穩定的氯化鋁酸鹽中游離出來，使孔隙中氯離子濃度增加，加速鋼筋的銹蝕?；炷撂蓟饔玫牟课恢饕鞘覂韧饨ㄖY構的構配件。先是混凝土自身劣化，而后誘發鋼筋銹蝕，最終導致混凝土結構整體破壞。
2.2.2 鹽的腐蝕
如上所述，我國西部鹽漬土地區硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽的含量很高，因此對混凝土結構產生嚴重腐蝕，混凝土結構物基本上“一年粉化，三年坍塌”，防治問題已刻不容緩。
a. 硫酸鹽的腐蝕
硫酸鹽的侵蝕可分為以下類型：
(1) 當陽離子為Na、K時，與水泥石反應生成鈣釩石（AFt）：
Na2SO4·10H2O ＋Ca(OH)2＝ CaSO4·2H2O ＋ 2NaOH ＋ 8H2O
4CaO·Al2O3·12H2O ＋ 3(CaSO4·2H2O)＋14H2O＝3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O＋Ca(OH)2
此時的AFt的體積比原有體積增大1.5倍以上，在水泥石內形成很大的內應力，致水泥石結構膨脹開裂，嚴重時使其強度喪失，是混凝土的“頑癥”之一。
（2）當陽離子為Mg時（此時也稱為鎂鹽的腐蝕），反應如下：
Ca(OH)2＋MgSO4＋2H2O＝CaSO4·2H2O＋Mg(OH)2
Mg(OH)2在水中的溶解度很低，其飽和溶液的pH值僅為10.5，在此酸度下C-S-H凝膠呈不穩定狀態，且因Mg和Ca價態相同，半徑相近，極易發生以下反應：
C-S-H＋MgSO4＋H2O→CaSO4＋Mg(OH)2＋mSiO2·nH2O
生成的Mg(OH)2繼續與硅膠反應，生成水化硅酸鎂M-S-H
Mg(OH)2＋mSiO2·nH2O→M-S-H＋H2O
而M-S-H無膠結力，導致混凝土強度喪失。
（3）碳硫硅鈣石型腐蝕
對此類型的腐蝕，較長時間未被人們所重視。當混凝土結構中同時存在鈣離子、硅酸鹽、碳酸鹽及水時，侵入的硫酸鹽會與其發生反應，生成碳硫硅鈣石：
Ca3Si2O3·3H2O＋2CaSO4·2H2O＋2CaCO3＋24H2O→
Ca6［Si(OH)6］2·24H2O·［(SO4)2·（CO3）2］＋Ca(OH)2
生成的 Ca(OH)2由碳化反應產生CaCO3繼續參與上述反應過程，如此循環往復。因此，碳硫硅鈣石型的腐蝕不斷消耗了C-S-H凝膠和C3AC4AF等水化物，使水泥石結構松散，比一般硫酸鹽的腐蝕更為嚴重。
b 氯鹽的腐蝕
(1) 對混凝土層的腐蝕破壞
Cl-的存在會大大提高混凝土中Ca(OH)2的溶解度，加速Ca(OH)2的溶蝕；滲入的氯鹽有可能與水泥中的鋁酸三鈣（C3A）作用，生成含水的氯化鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O和3CaO·Al2O3·CaCl2·3H2O），會產生結晶膨脹；而一旦混凝土遭遇“中性化”，這些復鹽中Cl-即游離出來，對鋼筋產生腐蝕破壞.
（2）對鋼筋的腐蝕破壞
氯離子的滲入對鋼筋腐蝕產生重要影響。Cl─半徑小，活性大，具有很強的穿透能力，滲入混凝土中到達鋼筋表面，吸附于鈍化膜處，使該處的pH值迅速降低到4以下，致使局部被鈍化破壞；而后，Cl─與未被破壞的鈍化膜之間形成電位差，誘發點腐蝕迅速發展，而點腐蝕發展快，比均勻腐蝕危害更大；由于FeCl2的生成加速了對Fe2+的搬運，從而加速了陽極過程；另外，由于Cl─的導電作用，使陰陽極之間的電阻降低，腐蝕電池效率提高,電化學腐蝕破壞加速。反應式如下：
Fe2+ + 2Cl─ +4H2O → Fe Cl2•4H2O
Fe Cl2•4H2O →Fe（OH）2 + 2Cl─ + 2H++ 2H2O
可見，氯離子對鋼筋的腐蝕僅起誘發、活化或“搬運”作用，不參與或改變腐蝕產物的組成，其含量不隨腐蝕反應的進行而降低，因此其危害性也就更大。
2.2.3 微生物的腐蝕
土壤中存在硫酸鹽還原菌等各種微生物，與混凝土發生生化反應，使混凝土的堿性降低，加速了混凝土的中性化。
微生物對混凝土的侵蝕機制極為復雜，有多種形式。包括：微生物（如好氧菌）以代謝產物形式分泌的無機酸（如硫酸、亞硫酸、碳酸等）、有機酸（如蟻酸、醋酸、異戊酸等）；這些酸與水泥石里的陽離子生成的鹽；有機酸與陽離子生成的絡合物；厭氧微生物產生的硫化氫以及生物膜的腐蝕破壞等。研究人員發現，有40余種細菌參與腐蝕，因其繁殖很快，對混凝土的破壞性極大。
2.3 環境腐蝕的危害
研究證實，埋設于鹽漬土中的混凝土構筑物，由于鹽類的腐蝕，其強度在1~5年后即急劇下降，降幅可高達30%；在嚴寒地區如存在凍融循環破壞時，與“鹽脹腐蝕”同時作用產生“鹽凍破壞”，其危害更為嚴重，普通混凝土建筑物使用壽命甚至不到一年。
地下綜合管廊如出現滲、漏水現象，則會損害管廊內各種管線設施，嚴重影響生產活動和居民生活，必須嚴加防范。
3 防治對策
西北地區鹽漬土地下環境對混凝土構筑物的侵蝕后果嚴重，不容忽視；特別是對地下管廊而言，其使用壽命要求極高，因此必須對其實施防腐防水保護。
與地鐵隧道相似，地下綜合管廊結構分為現澆混凝土結構和預制拼裝結構。建議在有一定的施工空間的條件下，選擇最佳的材料和工藝，對管廊的外表面或內壁做涂層保護處理。
3.1 材料選擇
混凝土結構的防水材料（包括封堵材料、注漿材料、面涂材料或卷材）可分為有機和無機兩大類。前者包括瀝青類、環氧樹脂類、聚氨酯類以及聚脲等；后者為水泥基材料。根據防治地下混凝土設施滲漏水病害的要求，材料的選擇應主要從物理力學性能、防水性能、耐腐蝕性能、耐久性、施工性、安全和環保性等個方面加以考慮。
3.1.1 幾種材料主要性能比較
現將上述兩大類幾種材料的主要性能比較如下（見附件例表）。
3.1.2 水泥基防腐防水材料（CN2000系列）
a 主要性能和國內外權威機構的研究實驗結果
見下表（依據標準：核行業標準《核工程水泥基防腐防水材料規范》（EJ/T 20070-2014）。
主要性能和國內外權威機構的研究實驗結果
| 項目 |
檢測結果 |
依據標準 |
研究測試單位 |
| 抗滲壓力 |
1.5Mpa
（7d） |
GB-18445 |
國家建筑材料工業房建材料質量監督檢測測試中心 |
滲透（水）
深度 |
＜2mm
(涂層厚度：2mm) |
歐洲標準
《EN12390—8: 2000》
美國標準
《ASTM C 642-1997》
德國標準《DIN1048》
北歐標準
《NT Build369》
中國標準
《GB/T 50082—2009》 |
香港Fugro發展中心MateriaLab檢測部 |
| 透水率 |
水壓3.3Mpa下與未涂敷比較，可有效地減少漏水量22倍。 |
—— |
加拿大皇后大學 |
| 軸心拉伸強度增加值和極限拉伸值增加值 |
均＞20% |
DL/T 5150 |
核工業理化工程研究院 |
耐腐蝕
系數 |
K6=0.9 |
EJ/T 20070-2014 |
核工業理化院 |
| 鋼筋保護 |
涂敷在鋼筋表面上顯著改善了鋼筋的抗腐蝕性，達到嚴重腐蝕的活性閾值為9個月甚至更長；
涂覆在混凝土表面上的試樣暴露于氯化物溶液中一年后沒有腐蝕跡象。 |
ASTM C876 |
加拿大皇后大學 |
抗碳化
性能 |
平均碳化深度減少率≥60% |
GB/T 50082-2009 |
天津市建筑工程
質量檢測中心 |
| 抗氯離子滲透性能 |
電通量明顯減少，抵抗氯離子穿透混凝土試樣的能力增強。 |
ASTM C1202 --97 |
加拿大國家研究委員會 |
496C，（6hr）
204C，289 C， （28d）
電通量等級屬于“很低”級 |
ASTM C1202 --97 |
香港Fugro發展中心MateriaLab檢測部 |
| 抗凍融循環性能 |
經347次凍融循環后，
質量損失最大值~ 1%
動彈模量變化率最大值~30% |
GB50085-2009； ASTM 666
≤5%
≤40% |
加拿大蒙特利爾研究機構 |
水泥基防腐防水材料不僅具有上述低透水率、高抗滲壓、對機體有補強作用、耐腐蝕、耐久性優異等性能之外，其施工簡易，施工周期短；對基面無特殊要求（只要無油漬，施工前噴淋水使其達到濕飽和即可）。因此，該類材料業已在核工程、軍事工程以及水利、能源、交通、環保、工民建等各個領域中的廣泛應用。
b CN2000系列所獲專利
▲ 國防專利，國密號：第39692號，授權日：2015.9.2
▲ 國際專利，專利號 ：US7901506 B2，日期：2011.3.8
▲ 中國發明專利，專利證號：第 號，授權日：2012.9.19
▲ 中國實用新型專利，共4項，2007~2008年授權。
c CN2000系列評價
▲ 2001年，經中國國防科學技術工業委員會鑒定，結論為“該系列產品綜合性能和技術指標達到了國際先進水平”；
▲ 2002年，經國家經貿委評審認定為“國家重點新產品”；
▲ 2003年，被國家列入“中國和平利用軍工技術出口產品目錄”；
▲ 2006年，公司獲天津市提供的科研發展基金；
▲ 2008.12，本公司產品《中核2000系列防水材料》被奧組委評為《 2008北京奧運綠色建筑》優秀科技品牌；
▲ 2008年，美國國際評價機構評價：CN2000B在全球“材料”、“混凝土”、“防水材料”和“建筑材料”4個領域中名列第一，并在www.yet2.com網上公布；
▲ 2009年，加拿大多倫多運輸委員會對CN2000材料和工藝評價：非常滿意；
▲ 2009年，中國環境保護產業協會、建設部科技發展促進中心給CN2000系列產品發布“中國綠色之星證書”；
▲ 2011年，產品唯一獲加拿大政府工程“綠A認證證書”；
d 重大工程及隧道工程案例
▲ 核工程和軍事工程（從略）；
▲ 三峽右岸地下電站注漿堵漏與噴涂防水工程；
▲ 長江三峽電源電站防腐防水工程；
▲ 長江三峽大壩及水利樞紐防腐防水工程；
▲ 重慶輕軌三號線江北機場站（地下）防水堵漏工程；
▲ 北京市三環、四環、五環、六環部分高架橋橋面防腐防水工程；
▲ 首都機場1號、3號航站指揮中心防水防滲工程；
▲ 2008年國家奧運會場館水立方防腐防水工程；
▲ 2008年國家奧運會場館“鳥巢” 防水防滲工程；
▲ 中國水利水電科學研究院大興試驗基地地下水庫防水防滲工程 ；
▲ 水北調應急供水工程京石段渠道防水防滲工程；
▲ 中國甘肅《引大入秦》工程總干渠防水防滲工程；
▲ 天津、安徽、青海、內蒙等地污水處理廠污水處理裝置防腐防水工程；
▲ 美國佛羅里達州圣約翰郡的SR-A1A橋橋墩維修工程；
▲ 加拿大蒙特利爾雅克·卡迪亞橋大橋護欄的防腐防水維修工程；
▲ 加拿大多倫多地鐵地下通道防水防滲工程；
▲ 加拿大多倫多地下通道防水防滲工程；
▲ 維京群島國際機場航站樓和飛機庫防水工程；
▲ 加拿大多倫多機場地下設施防腐防水工程；
▲ 蘭州鐵路局西北鐵路隧道防水、防滲工程；
▲ 蘭州鐵路局平涼段太禹公路隧道防滲工程；
▲ 蘭州鐵路局天水段大盤鐵路隧道防滲工程
▲ 甘肅公路局定西段公路隧道防滲工程；
▲ 焦柳線石懷段鐵路隧道擴能改造防水工程；
▲ 天津市地鐵防水、防滲工程；
▲ 重慶市輕軌一號線曾家巖站、校場口站防水、堵漏維修工程；
▲ 重慶市輕軌三號線江北機場站防水、堵漏維修工程；
▲ 寶成鐵路下行線陳家巖隧道防水工程；
▲ 佛羅里達公路涵洞防水、防腐工程；
▲ 四川遂寧唐家灣隧道噴涂防水工程；
▲ 加拿大多倫多中央島湖底隧道防腐防水工程。
4 施工工藝
CN2000系列涂料的涂覆可采用刮涂、刷涂和噴涂，施工簡易，周期短，對基面只要求無油漆、油漬或粉塵，涂刷前淋水使其達到濕飽和即可。施工工藝詳見《中核2000系列防腐防水材料堵漏注漿技術規程》。
注：該文于2015年發表于“甘肅建工”雜志
天津中核防水材料有限公司：王大桐研究員
甘肅省建筑科學院原院長：李德榮專家教授
2015年10月
公司地址：成都市龍潭工業園川核地質大廈
電話：13550225921
公司郵箱：119642876@qq.com