服役地下排水渠道耐久性環(huán)境因素分析

王永杰，陳善長，楊建宇

（1長沙市公共工程建設(shè)中心，湖南長沙 410013；2長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114）

0 引言

隨著城市化不斷推進(jìn)，早期建造的磚混地下排水渠道輸送的污水量逐漸增多、腐蝕性逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致其由環(huán)境作用引起的耐久性問題日漸突出。而由于排水渠道埋于地下，其耐久性問題不被重視。目前，國內(nèi)對渠道結(jié)構(gòu)的研究大多圍繞缺陷檢測、健康評估等展開[1-3]，而對渠道結(jié)構(gòu)腐蝕原因與機(jī)理的研究相對較少。

環(huán)境作用研究是渠道結(jié)構(gòu)耐久性研究的基礎(chǔ)。為厘清影響地下排水渠道耐久性的原因及其腐蝕機(jī)理，本文以長沙市紅旗渠修復(fù)工程為例，開展對服役地下排水渠道耐久性環(huán)境因素的研究。研究成果可為城市老舊渠道結(jié)構(gòu)修復(fù)或新建渠道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及施工提供參考。

1 工程背景

長沙市紅旗渠主渠始建于上世紀(jì)七十至九十年代，長度約9.6km，結(jié)構(gòu)以磚拱涵、混凝土拱涵、蓋板涵為主，側(cè)墻主要為砌體形式。2015至2018年發(fā)生了四次塌陷事故，表明渠體結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患。根據(jù)主渠檢測結(jié)果，約60%的主渠結(jié)構(gòu)存在明顯的耐久性問題（圖1），約38%的主渠結(jié)構(gòu)存在重大或嚴(yán)重缺陷，需進(jìn)行重點修復(fù)。

圖1 長沙市紅旗渠主渠破壞現(xiàn)狀

2 服役渠道結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境作用及腐蝕機(jī)理

2.1 渠道結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境作用

服役地下排水渠道結(jié)構(gòu)（簡稱服役渠道結(jié)構(gòu)）與含有較多侵蝕性介質(zhì)的污水、淤泥長期接觸，渠道內(nèi)部形成的淤積環(huán)境為大量微生物提供了絕佳生存條件，此外，渠道未充水部分空氣中的CO2對結(jié)構(gòu)的碳化也不能忽視。上述化學(xué)、生物作用都會對磚混渠道結(jié)構(gòu)造成長期腐蝕。

服役渠道結(jié)構(gòu)還長期遭受荷載、干濕循環(huán)、沖刷等物理作用的影響。其中，荷載包括覆土、車輛荷載等，由于荷載的存在，使渠道結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力腐蝕狀態(tài)；由于季節(jié)降水等原因，導(dǎo)致渠道內(nèi)側(cè)污水流量時刻變化，在液面變化區(qū)存在干濕循環(huán)作用；再加上污水的沖刷作用，在很大程度上促進(jìn)了渠道結(jié)構(gòu)受腐蝕的發(fā)展。

綜上，惡劣的環(huán)境因素是導(dǎo)致服役渠道結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要原因，渠道結(jié)構(gòu)往往處于多種因素共同作用的腐蝕環(huán)境中，下面將結(jié)合相關(guān)環(huán)境調(diào)查對渠道進(jìn)行腐蝕機(jī)理分析。

2.2 污水及淤泥腐蝕性調(diào)查及影響分析

2.2.1 腐蝕性成分檢測

為探究污水及淤泥的腐蝕性成分，在紅旗渠不同地點對污水及淤泥進(jìn)行取樣，并對其中可能存在的腐蝕性成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 污水及淤泥腐蝕性成分檢測（表中為峰值濃度）

檢測結(jié)果表明，污水及淤泥中含有多種腐蝕性介質(zhì)，服役渠道結(jié)構(gòu)遭受多種環(huán)境腐蝕作用，無論污水還是淤泥，其中的硫酸根離子濃度均最高，由此可推理出服役渠道結(jié)構(gòu)主要遭受硫酸鹽腐蝕。

2.2.2 腐蝕性介質(zhì)影響分析

（1）硫酸鹽腐蝕

經(jīng)實地調(diào)查及強(qiáng)度檢測得知，渠道內(nèi)墻身砌塊基本完好，但砂漿存在剝落情況（圖2），表明其遭受過腐蝕，而污水侵蝕區(qū)的砂漿強(qiáng)度劣化較非侵蝕區(qū)嚴(yán)重。此外，混凝土構(gòu)件污水侵蝕區(qū)也有粗骨料漏出。這主要是污水中SO2-4通過孔隙進(jìn)入混凝土、砂漿內(nèi)部與其水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一方面，反應(yīng)會消耗Ca（OH）2等水化產(chǎn)物，破壞膠凝體結(jié)構(gòu)；另一方面，根據(jù)污水SO2-4濃度及文獻(xiàn)[4-5]可知，反應(yīng)產(chǎn)物為鈣礬石，體積增大1.5倍以上。膨脹產(chǎn)物在混凝土、砂漿內(nèi)部孔隙積累形成膨脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于混凝土、砂漿抗拉強(qiáng)度時，將導(dǎo)致其開裂，強(qiáng)度降低。在水流沖擊等作用下，表面混凝土、砂漿極易疏松脫落。

圖2 渠道砌體遭受污水腐蝕

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在渠道內(nèi)液面變化區(qū)，渠道結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象更嚴(yán)重，這可能是由于此區(qū)域存在干濕循環(huán)作用，使得渠道結(jié)構(gòu)不僅發(fā)生硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)，同時還發(fā)生鹽結(jié)晶物理反應(yīng)。

（2）軟水侵蝕

引起混凝土、砂漿劣化的另一個原因是受軟水侵蝕影響。軟水侵蝕又稱溶蝕，服役渠道結(jié)構(gòu)會受到自然溶蝕及酸性介質(zhì)溶蝕的作用。水化良好的水泥漿體pH值一般在12.5～13.5之間，當(dāng)pH＜12.5時，混凝土與砂漿可能因水化產(chǎn)物穩(wěn)定性減弱而劣化。紅旗渠污水的pH值為7.3，遠(yuǎn)小于12.5，外加混凝土、砂漿內(nèi)部與污水之間的鈣離子濃度差以及污水沖刷作用，混凝土、砂漿孔隙溶液中的鈣離子會不斷向污水中擴(kuò)散，導(dǎo)致水化產(chǎn)物分解，混凝土與砂漿劣化?？紤]到渠道長期被污水浸沒，混凝土、砂漿的自然溶蝕會持續(xù)緩慢進(jìn)行。

污水中還含有較多酸性介質(zhì)（如游離CO2、H2S等），會對混凝土、砂漿產(chǎn)生酸性軟水腐蝕。調(diào)查現(xiàn)場有刺鼻臭雞蛋味溢出，說明渠道內(nèi)部含有較多H2S氣體。污水中酸性介質(zhì)與混凝土、砂漿中難溶的Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，生成易溶解的Ca（HCO3）2和Ca（HS）2而隨污水流失[6]。久而久之，混凝土、砂漿內(nèi)部堿度逐漸降低，水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣逐漸分解，混凝土、砂漿強(qiáng)度下降。

（3）微生物腐蝕

服役渠道結(jié)構(gòu)與其他工程結(jié)構(gòu)所處腐蝕環(huán)境的最大不同點是還會遭受微生物腐蝕，如圖3所示。經(jīng)調(diào)查，主渠有95%的渠段存在不同程度的淤積問題，厚度為0.2～0.7m，最深可達(dá)1m。在淤泥層形成了富含有機(jī)物，具有適宜pH值、溫度的厭氧環(huán)境，為硫酸鹽還原菌提供了絕佳的生存條件。

圖3 渠道混凝土蓋板受腐蝕

Thistle-thwayte[7]提出了污水管道微生物腐蝕原理。對于服役渠道結(jié)構(gòu)，污水、淤泥中的SO2-4會被硫酸鹽還原菌還原，通過生物化學(xué)反應(yīng)生成H2S。反應(yīng)中釋放出來的H2S氣體從污水中溢出（渠道內(nèi)有濃烈臭雞蛋味），聚集到渠道上部與磚、混凝土拱頂或頂板接觸。接著H2S被硫氧化菌氧化生成硫酸（圖4），與混凝土、砂漿中Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致渠道頂部遭受嚴(yán)重腐蝕。

圖4 渠道結(jié)構(gòu)微生物腐蝕機(jī)理示意圖

（4）其他腐蝕

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，Cl-為污水中第二大侵蝕性離子，其主要通過擴(kuò)散作用沿孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，最終到達(dá)鋼筋表面，形成腐蝕電池并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋發(fā)生銹蝕。此外，鋼筋的銹脹作用對混凝土形成膨脹應(yīng)力，加快混凝土劣化。由于紅旗渠老結(jié)構(gòu)浸水部分大多為砌體側(cè)墻，氯離子導(dǎo)致鋼筋銹蝕情況并不明顯，但在新建排水渠道或渠道修復(fù)時需引起足夠重視。

污水及淤泥中還含有會對渠道混凝土、砂漿產(chǎn)生腐蝕的Mg2+，淤泥中相對較多。Mg2+會與水泥漿體中的Ca（OH）2反應(yīng)生成難溶的Mg（OH）2，此過程會破壞水泥漿體的堿性環(huán)境，導(dǎo)致其劣化。一般而言，污水中Mg2+含量很低，可認(rèn)為是導(dǎo)致服役渠道結(jié)構(gòu)腐蝕的次要因素。

2.3 碳化環(huán)境調(diào)查分析

服役渠道結(jié)構(gòu)上部未充水部分會遭受空氣中CO2對混凝土、砂漿的碳化作用。其原理是CO2氣體向混凝土、砂漿內(nèi)部擴(kuò)散，溶于孔隙中的水再與Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，破壞水泥漿體的堿性環(huán)境，最后導(dǎo)致混凝土、砂漿疏松劣化、強(qiáng)度下降。當(dāng)擴(kuò)散到鋼筋表面時，還會引起鋼筋銹蝕。

溫度與濕度是影響碳化的主要因素。經(jīng)調(diào)查，紅旗渠渠道內(nèi)溫度一般在11℃～21℃之間，此溫度段地面潔凈空氣CO2濃度約為0.04%，而渠道內(nèi)大氣壓一般高于地面，可推測出其空氣中CO2濃度要高于地面，面臨的碳化作用可能比地面嚴(yán)重。一般而言，在中等濕度（50%～70%）情況下，碳化作用最快。經(jīng)調(diào)查，紅旗渠渠道內(nèi)濕度為85%以上，高于長沙市地面平均濕度76%（2012年數(shù)據(jù)），從濕度方面評價其碳化速率又要低于地面。

為探明服役渠道結(jié)構(gòu)面臨的碳化作用的具體大小，對紅旗渠修復(fù)工程試驗段渠道結(jié)構(gòu)（磚拱涵）進(jìn)行了碳化深度檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 紅旗渠磚拱涵碳化調(diào)查

結(jié)果表明，渠道砌體砂漿的碳化深度普遍很淺，考慮到紅旗渠主渠已服役30～50年，表明渠道受碳化作用影響較小，因碳化作用而導(dǎo)致渠道結(jié)構(gòu)耐久性問題的風(fēng)險較低。

3 環(huán)境因素對服役渠道結(jié)構(gòu)缺陷形成的影響

3.1 服役渠道結(jié)構(gòu)缺陷調(diào)查

通過對紅旗渠主渠結(jié)構(gòu)性缺陷的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主渠結(jié)構(gòu)有60%存在缺陷，且缺陷種類較多，主要包括沖刷侵蝕破壞、破裂、風(fēng)化等，各缺陷占比如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)性缺陷統(tǒng)計圖

（1）渠道基礎(chǔ)及墻身受污水沖刷侵蝕破壞占比最大（31%），沖刷破壞中又有88%的渠段結(jié)構(gòu)性缺陷評定等級為Ⅲ、Ⅳ級（嚴(yán)重、重大缺陷），沖刷侵蝕深度大多為0.2～1m，最深達(dá)到1.5m，表明渠道結(jié)構(gòu)面臨著非常嚴(yán)重的污水沖刷侵蝕作用。

（2）有15%的渠段存在破裂情況（包括渠頂、墻身破裂），破裂缺陷中又有90%的渠段結(jié)構(gòu)性評定等級為Ⅲ、Ⅳ級。

（3）其他結(jié)構(gòu)性缺陷包括起伏、錯口等。

3.2 結(jié)構(gòu)性缺陷成因分析

化學(xué)、生物、物理等環(huán)境因素往往會綜合作用，從而加速、加劇服役渠道耐久性下降過程，造成渠道提前破壞。渠道前三大缺陷往往是由環(huán)境綜合作用促進(jìn)形成的。

（1）沖刷侵蝕破壞

導(dǎo)致服役渠道墻身及基礎(chǔ)沖刷破壞的直接原因是污水物理沖刷作用，這點尤其在拐彎處更明顯，此處受到的沖刷力度更大，往往破壞更嚴(yán)重。而間接原因是遭受污水化學(xué)腐蝕，如硫酸鹽腐蝕、軟水侵蝕等，渠道側(cè)墻砌塊間的砂漿逐漸喪失粘結(jié)性能，強(qiáng)度降低，而混凝土底板從表到里逐漸劣化。在污水沖刷作用下，劣化的混凝土、砂漿被不斷沖走，構(gòu)件耐久性逐漸降低，進(jìn)一步演變成砌塊沿砂漿薄弱處整體脫落（圖1c），墻體及基礎(chǔ)逐漸被掏空。因此，沖刷侵蝕破壞是物理與化學(xué)綜合作用的結(jié)果。

（2）破裂

引起服役渠道結(jié)構(gòu)渠頂、墻身破裂的直接原因是受到大于自身承載的上部或側(cè)向壓力，而間接原因是渠頂、墻身面臨環(huán)境腐蝕，導(dǎo)致其耐久性下降、承載力降低。渠頂遭受著微生物腐蝕及碳化作用的影響，逐漸使混凝土、砂漿劣化，在上部壓力作用下，混凝土板發(fā)生破裂（圖1b），而磚塊沿砂漿薄弱處整塊脫落（圖6a）。渠道墻身砌體長期遭受著污水的沖刷腐蝕作用，砂漿粘結(jié)能力逐漸下降，在側(cè)向土壓力作用下，沿最薄弱的砂漿粘合處發(fā)生側(cè)墻破裂（圖6b）。可見，渠頂（受物理、化學(xué)、微生物綜合作用）、墻身（受物理、化學(xué)綜合作用）破裂都是由構(gòu)件長期處于很不利的應(yīng)力腐蝕狀態(tài)下引起的。

圖6 渠頂及墻身破裂

（3）風(fēng)化

風(fēng)化是結(jié)構(gòu)使用齡期的體現(xiàn)，使用齡期越久，風(fēng)化越嚴(yán)重。由于渠道內(nèi)部溫度、氣壓等環(huán)境因素較穩(wěn)定，物理風(fēng)化作用較弱，主要發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用?；瘜W(xué)風(fēng)化主要是碳化作用與微生物腐蝕綜合引起的結(jié)果，隨著時間的推移，導(dǎo)致混凝土、砌體表面粗糙、麻面（圖7），渠道耐久性下降。排水渠道是一類長期服役的構(gòu)筑物，面臨化學(xué)、微生物綜合作用引起的風(fēng)化不容忽略。

圖7 渠道結(jié)構(gòu)風(fēng)化情況

4 結(jié)論

（1）環(huán)境因素是導(dǎo)致服役地下排水渠道耐久性下降的主要原因，渠道結(jié)構(gòu)處于多種因素共同作用的腐蝕環(huán)境中，污水侵蝕區(qū)比非侵蝕區(qū)遭受腐蝕情況更嚴(yán)重。

（2）污水及淤泥中含有較多侵蝕性介質(zhì)，在長期腐蝕下，均會對渠道結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生一定影響。影響服役渠道結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境因素主要為硫酸鹽腐蝕、軟水侵蝕及微生物腐蝕，氯離子侵蝕需引起重視，而結(jié)構(gòu)受碳化作用影響較小。

（3）排水渠道結(jié)構(gòu)性缺陷中，沖刷侵蝕破壞、破裂、風(fēng)化為前三大缺陷。沖刷侵蝕破壞是水流沖刷與污水腐蝕綜合作用的結(jié)果，破裂是應(yīng)力腐蝕狀態(tài)下的結(jié)果，風(fēng)化是碳化與微生物腐蝕綜合作用的結(jié)果。