摘 要: 西北鹽漬土地區的鋼筋混凝土排水管道普遍存在腐蝕現象, 影響城市排水系統的正常運行, 甚至造成路面塌陷。以安西縣鋼筋混凝土排水管腐蝕為例, 研究了鹽漬土地區鋼筋混凝土排水管道的腐蝕原因, 初步探討了鋼筋混凝土腐蝕機理。
關鍵詞: 排水管道; 鋼筋混凝土管道; 管道腐蝕; 鹽漬土
中圖分類號: TU 991. 36 文獻標識碼: A 文章編號: 16722643X (2008) 0120019203
城市排水管道多為鋼筋混凝土管道, 承擔著收集、輸送城市居民生活污水和工業企業污廢水的任務, 為城市排污發揮了重要作用, 在城市環境保護中處于舉足輕重的地位。但是, 近年來許多地區發現排水管道普遍存在腐蝕現象, 這種現象在鹽漬土地區尤為嚴重。鹽漬土是指易溶鹽含量大于且具有吸濕、松脹等特性的土[ 1 ]。排水管道的腐蝕, 影響到城市排水系統的運行, 使得污水外溢造成環境污染, 給居民的生活帶來諸多不便; 引起路面塌陷事件, 影響到道路的正常狀態, 同時也造成了嚴重的經濟損失。為了使鋼筋混凝土排水管腐蝕問題得以解決, 防止因管道腐蝕而引起的路面塌陷等道路問題, 保證城市污水順利排放, 減少由此而引起的經濟損失, 需要查清腐蝕原因和機理, 才能提出合理的解決措施。本文以安西縣鋼筋混凝土排水管道的腐蝕為例, 研究了西北地區鹽漬土地區排水管道腐蝕的原因和機理。
1 調查和實驗
1. 1 現場勘測現狀
安西縣位于甘肅省河西走廊最西端, 其區域內土壤含鹽量很高, 排水管道腐蝕現象普遍。現場調查表明, 安西鹽堿地地段的巖土條件大致如下: 0～ 1. 0m , 鹽漬土, 地表為灰白色鹽殼, 其下為褐黃色, 稍濕, 疏松狀態, 粉細砂含量高; 1. 0～ 4. 0 m , 粉質粘土, 淺灰色或褐色, 硬塑～ 可塑, 水平層理明顯, 混紅粘土團塊, 有機質含量高; 4. 0m 以下, 角礫。土壤鹽分類型主要以硫酸鹽、氯化物為主, pH 為8. 2～8. 8。地下水埋深2～ 3 m , 年變化幅度約2 m。
在打開檢查井檢查時發現, 除排水管道總排出口約50～ 60 m 管道腐蝕情況較輕微外, 其余各井管道端部腐蝕較嚴重。管道頂部未被腐蝕部分的殘留厚度僅有3～ 10 mm 左右。其腐蝕部位位于管道斷面上半部的非過流部分, 腐蝕狀態由流水面向上逐漸加劇, 以管道頂部最為嚴重, 已有蝕穿管道, 引起路面塌陷事件。
1. 2 實驗方法
本實驗采用氣相色譜法進行分析測試。
1. 2. 1 取樣 實驗分別取排水管道中散發的氣體和已被腐蝕管道的部分固體作為樣品。氣體取樣器由采氣管、真空泵、干燥器、軟管、進氣口、集氣瓶組成。采集污水管道中的氣體樣品時, 先將集氣瓶抽真空五分鐘, 把進氣口固定在鋼筋上, 放入檢查井中,抽氣約20 分鐘, 密封采氣管并進行標識。
1. 2. 2 主要儀器 CP - 3800 型氣相色譜儀;Satu rn 2000 GC/M S 型氣相色譜與質譜聯用儀。
1. 3 實驗結果
應用氣相色譜質譜聯用儀質譜確定氣體的種類, 同時應用氣相色譜F ID、TCD 檢測器輔助驗證。
1. 3. 1 樣品氣體的成份分析 氣體成分分析譜圖見圖1、圖2。
從圖1、圖2 中可以看出來: 氮氣在空氣中含量最大, 因此氮氣在譜圖中峰值最高, 反映的信號強度最大; 氧氣在空氣中也占有相當的比例, 因此氧氣在譜圖中峰值很高; 生活污水中有機物含量非常高, 有機物反應發酵后產生相當數量的沼氣, 故H2、CO、CH4 在譜圖中的峰值也較高, 基本與氧氣所占比例相同; 含硫氣體主要來源于動物蛋白的腐爛分解及洗滌用品中的表面活性劑帶入, 如十二烷基苯磺酸鈉等; 含氮氣體主要來自于土壤, 如化肥的使用; 而其余氣體的含量均不多。
1. 3. 2 與腐蝕有關氣體質譜監測分析 在樣品氣體中, 腐蝕管道的氣體主要有H2S、SO 2、CO 等氣體。
這些氣體的質譜分析圖(標準圖譜與實驗結果對比圖) 見圖3、圖4、圖5。其中上部為N IST 譜庫國際標準圖譜, 下部為實驗結果對比圖。
1. 3. 3 有機氣體含量分析 有機氣體含量檢測結果見圖6、圖7。
從譜圖分析可看到: 排水管道所散發的氣體中,有機氣體成份復雜, 但各種氣體成份含量都不高。
2 管道腐蝕成因分析及機理研究
2. 1 鹽漬土的影響
安西縣屬典型的鹽漬土土壤, 土壤的pH 值大都在8. 0～ 9. 0 之間。土壤中的SO 42- 、Cl- 和M g2+ 含量最高可分別達到土壤重量的1. 43 %、0. 82 % 和0.62 %。這種土壤對鋼筋混凝土管道的腐蝕危害最大, 無論是在排水管道的制作方面, 還是在排水管道的使用方面都非常不利。其影響表現在兩方面:(1) 管道制作的影響。內陸鹽土壤中的SO 42- 、Cl- 和M g2+ 等溶入地下水, 管道制作時用此種高含鹽量的地下水拌和混凝土, 給鋼筋混凝土管道就已經埋下了隱患, 在管道成形硬化過程中便開始產生膨脹和對鋼筋的腐蝕。而調研中得知安西縣城排水系統所用的鋼筋混凝土混凝土管道均由該縣就地自制, 而且制管用水是鹽漬土土壤的滲集水和地下水。
一般鋼筋混凝土制作用水的氯含量不得大于1 000 ppm , 預應力混凝土及橋面板混凝土用水的氯含量不得大于500 ppm , 硫酸鹽含量不得大于500ppm。而安西縣的排水系統管道的制作用水和混凝土材料氯含量和硫酸鹽含量過高, 這勢必會影響到排水系統的使用年限[ 2 ]。
(2) 管道鋪設后的影響。鋼筋混凝土管道鋪設在當地鹽漬土土壤中, 土壤本身具有極強的腐蝕性,加上降雨滲濾、地下水滲入及管道內污水外滲在管道內外尤其在管道接頭處形成了極強的腐蝕環境。
2. 2 管道系統中污水及氣體的影響
由于安西縣排水系統的流量一般都很小, 污水在管道內的不能及時排出, 停留時間過長, 產生了過多的腐蝕性氣體, 其中以H2S 為主。在根據現場開井檢查時, 有強烈的臭雞蛋味的氣體溢出, 可見污水中含有較高的H2S。H2S 氣體是城市排水系統中最常見的異味氣體, 它是在厭氧條件下細菌還原硫而形成的, 反應式見式(1)、式(2)。
SO 42- + 有機物S2- + H2O + CO 2 (1)
S2- + 2H+ H2S (2)
H2S 氣體上升到污水表面或溢出到空氣層, 與污水表面溶解氧相遇, 在硫化細菌或硫磺細菌的氧化作用下, 生成H2SO 4, 再與管壁的凝結水結合, 造成管壁腐蝕。
硫化氫引起的腐蝕過程如圖8 所示。
H2S 釋放到管道的空氣中后, 腐蝕過程的第二步就是它轉移到管頂。管頂由于吸附凝結水而潮濕,
管道空氣中的H2S 一旦接觸到這些潮濕的表面, 就立即被吸附, 滯留在這層潮濕凝結水層中的H2S 接著就會被硫桿菌屬的好氧菌轉換成H2SO 4。
H2SO 4可以和混凝土管的水泥發生反應, 如果H2SO 4 的生成足夠慢, 那么幾乎所有生成的H2SO 4都會同水泥反應, 生成一種漿狀物, 松散地固結在管道上, 將管道充滿時, 部分漿狀物塊被剪切下來, 或從管道壁上剝落下來, 管道繼續腐蝕, 這個過程會重復進行[ 3 ]。通常在管頂和靠近液面的兩側管壁腐蝕最嚴重, 見圖9。
3 結 語
安西縣鋼筋混凝土排水管道腐蝕的原因涉及到鋼筋混凝土排水管道的制作、管道埋設使用環境、管內輸送的污水水質等方面。主要是鹽漬土的強腐蝕性和管道內污水產生的氣體引起。
(1) 安西縣屬典型的鹽漬土土壤, 這種土壤對鋼筋混凝土管道的腐蝕危害最大, 無論是在排水管道的制作方面, 還是在排水管道的使用方面都非常不利。
(2) 安西縣排水管道內的水流量很小, 污水在管道內不能及時排出, 停留時間過長, 產生了過多以H2S 為主的腐蝕性氣體, H2S 上升到污水表面或溢出到空氣層, 在硫化細菌或硫磺細菌的氧化作用下,生成H2SO 4, 再與管壁的凝結水結合, 造成排水管壁腐蝕。
(3) 安西縣排水管道內部環境非常適宜硫酸鹽菌的生長, 無論是在溫度、pH 值、鹽度, 還是在碳源、氮源的供給方面, 都非常適宜硫酸鹽菌的生長繁殖。也是安西縣排水管道受到腐蝕的重要原因。
參考文獻:
[1 ] 谷云峰, 王國體, 俞競偉. 鹽漬土的基本特性及其工程治理[J ]. 安徽建筑, 2004, (1) : 84- 86.
[ 2 ] 周培華. 鋼筋混凝土結構的腐蝕機理及預防措施[J ]. 云南建筑, 2006, (3) : 33- 36.
[3 ] 張敏. 路橋工程中鋼筋混凝土的腐蝕與防護[J ]. 福建建材, 2006, (4) : 46- 47.
