我国西北地区地下管廊防腐防水刍议暨中核2000介绍
我国西北地区地下管廊防腐防水刍议暨中核2000介绍
---主稿人：天津中核：王大桐、甘肃建科院：李德荣
1 引言
我国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（简称“十三五”规划（2016－2020年））中，将地下管廊建设列为国内基建重点项目。地下管廊也称为“综合管廊”或“共同沟”,即在城市地下建造一个隧道空间，将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集中置于其内。根据《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）,其结构为钢筋混凝土，所用材料应考虑耐久性、可靠性和经济性。为此，规定了混凝土的强度等级和抗渗等级。实际上，这种管廊与地铁隧道相似，结构、材料完全相同，只是容积相对较小而已。
地铁隧道混凝土衬砌目前普遍存在渗漏问题，对于其渗漏成因分析和治理对策，已有很多论述，本公司也有专题研究报告；这些，完全适用于地下管廊结构，只是地区不同，结构破坏的机理和程度有所差异。
以下就西北地区地下管廊结构的耐久性问题做初步探讨。
2 西北地区土壤环境及其对混凝土构筑物的侵蚀
2.1 土壤类别及特点
我国西北地区的土壤类别属内陆盐土，有明显的盐积层，其易溶盐含量高达50％～60％。土壤pH值为8.0～9.5。土壤中SO42-、CL-、Mg2+的含量分别高达土壤重量的1.43％、0.82％；和0.62％。此种土壤对混凝土材料产生极严重的膨胀性腐蚀破坏，属强腐蚀或极强腐蚀性土壤。
2.2 对混凝土结构的侵蚀机理
混凝土是由多种材料混合而成的非均质复合材料，具有多孔结构，其孔隙率高达总体积的25%左右；同时，在施工过程中，因温、湿度等的变化所产生的收缩或膨胀也不可避免地产生裂纹(或裂缝)。这些孔隙和裂缝给水分及各种有害介质提供了通道，是使混凝土结构受到腐蚀破坏的内在的、结构的因素；土壤中的有害介质是致使其腐蚀破坏的外部的、环境的因素。环境因素导致的混凝土劣化的机理如下。
2.2.1 碳化
土壤气相中所含CO2的含量比大气中多，约0.74～9.74﹪，由土壤中微生物的代谢和分解、有机质的腐烂、植物根的活动等产生；地下水中也有CO2。
碳化也称中性化，即土壤中的酸性气体与水泥石液相中的碱性物质发生反应，生成盐和水，使混凝土的碱度降低，结构破坏。典型的反应如下：
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减少，破坏了水泥石中的Ca(OH)2固、液态的平衡，促使Ca(OH)2的进一步溶解和生成，从而改变了水泥的构成，反应方程式如下：
2（3CaO·SiO2）+ 6H2O = 3CaO·2SiO2•3H2O + 3Ca(OH)2
2（2CaO·SiO2）+ 4H2O = 3CaO·2SiO2•3H2O + Ca(OH)2
混凝土的高碱度对于水泥水化产物的稳定性至关重要,混凝土的碱度降低和中性化所导致的水泥水化产物的分解，会使混凝土自身强度降低甚至丧失。
其次，碳化生成的硫酸盐（Ca SO4·2H2O）会使混凝土体积膨胀，而Ca SO4还会与混凝土中的C3A反应生成硫铝酸钙，产生第二次体积膨胀：
3CaO•Al2O3•6H2O + 3（CaSO4•2H2O）+ 19H2O = 3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O
此种体积膨胀在混凝土内部的微裂隙中进行，膨胀应力使混凝土胀裂、变酥。
第三，混凝土的碳化诱发钢筋锈蚀。混凝土的高碱度对保护钢筋极为重要，当pH >11.5时，钢筋才能完全处于钝化状态，一旦pH <11.5，则将诱发钢筋锈蚀。
混凝土的碳化作用不仅使自身的性能劣化,而且,腐蚀性气体和水的侵入将导致钢筋的腐蚀破坏。
本来，水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土孔隙中充满了氢氧化钙溶液，混凝土的pH值可达12～13.5，这种碱性介质既保证了混凝土自身的稳定，又对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3或Fe3O4的钝化膜。但是，如上所述，当空气中的酸性气体、水及一些离子扩散（渗透）到混凝土内，与这些碱性物质反应，这种碳化（或中性化）作用使混凝土的碱性减弱，当混凝土的pH值＜11.5时，钢筋的钝化层已不稳定，并逐渐受到腐蚀。
钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程，即微电池效应，是阳极反应和阴极反应的组合：
阳极反应：Fe → Fe2+ + 2e－
阴极反应：O2 + H2O + 2e─ → 2OH─
综合： Fe + O2 + H2O → Fe（OH）2
O2 H2O
Fe（OH）3
H2O Fe（OH）2·3H2O
钢筋的锈蚀产物产生的体积膨胀（2～4），使混凝土受内应力作用产生裂纹，气相或气溶胶腐蚀物由裂纹侵入，进一步加剧了混凝土自身的碳化和钢筋的锈蚀，导致建筑结构整体劣化。
第四，碳化产生的SO32-，SO42-离子还可直接促进钢筋的电化学腐蚀；碳化作用还使更多的自由氯离子从只有在高pH值下才稳定的氯化铝酸盐中游离出来，使孔隙中氯离子浓度增加，加速钢筋的锈蚀。混凝土碳化作用的部位主要是室内外建筑结构的构配件。先是混凝土自身劣化，而后诱发钢筋锈蚀，最终导致混凝土结构整体破坏。
2.2.2 盐的腐蚀
如上所述，我国西部盐渍土地区硫酸盐、氯盐、镁盐的含量很高，因此对混凝土结构产生严重腐蚀，混凝土结构物基本上“一年粉化，三年坍塌”，防治问题已刻不容缓。
a. 硫酸盐的腐蚀
硫酸盐的侵蚀可分为以下类型：
(1) 当阳离子为Na、K时，与水泥石反应生成钙钒石（AFt）：
Na2SO4·10H2O ＋Ca(OH)2＝ CaSO4·2H2O ＋ 2NaOH ＋ 8H2O
4CaO·Al2O3·12H2O ＋ 3(CaSO4·2H2O)＋14H2O＝3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O＋Ca(OH)2
此时的AFt的体积比原有体积增大1.5倍以上，在水泥石内形成很大的内应力，致水泥石结构膨胀开裂，严重时使其强度丧失，是混凝土的“顽症”之一。
（2）当阳离子为Mg时（此时也称为镁盐的腐蚀），反应如下：
Ca(OH)2＋MgSO4＋2H2O＝CaSO4·2H2O＋Mg(OH)2
Mg(OH)2在水中的溶解度很低，其饱和溶液的pH值仅为10.5，在此酸度下C-S-H凝胶呈不稳定状态，且因Mg和Ca价态相同，半径相近，极易发生以下反应：
C-S-H＋MgSO4＋H2O→CaSO4＋Mg(OH)2＋mSiO2·nH2O
生成的Mg(OH)2继续与硅胶反应，生成水化硅酸镁M-S-H
Mg(OH)2＋mSiO2·nH2O→M-S-H＋H2O
而M-S-H无胶结力，导致混凝土强度丧失。
（3）碳硫硅钙石型腐蚀
对此类型的腐蚀，较长时间未被人们所重视。当混凝土结构中同时存在钙离子、硅酸盐、碳酸盐及水时，侵入的硫酸盐会与其发生反应，生成碳硫硅钙石：
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由碳化反应产生CaCO3继续参与上述反应过程，如此循环往复。因此，碳硫硅钙石型的腐蚀不断消耗了C-S-H凝胶和C3AC4AF等水化物，使水泥石结构松散，比一般硫酸盐的腐蚀更为严重。
b 氯盐的腐蚀
(1) 对混凝土层的腐蚀破坏
Cl-的存在会大大提高混凝土中Ca(OH)2的溶解度，加速Ca(OH)2的溶蚀；渗入的氯盐有可能与水泥中的铝酸三钙（C3A）作用，生成含水的氯化铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O和3CaO·Al2O3·CaCl2·3H2O），会产生结晶膨胀；而一旦混凝土遭遇“中性化”，这些复盐中Cl-即游离出来，对钢筋产生腐蚀破坏.
（2）对钢筋的腐蚀破坏
氯离子的渗入对钢筋腐蚀产生重要影响。Cl─半径小，活性大，具有很强的穿透能力，渗入混凝土中到达钢筋表面，吸附于钝化膜处，使该处的pH值迅速降低到4以下，致使局部被钝化破坏；而后，Cl─与未被破坏的钝化膜之间形成电位差，诱发点腐蚀迅速发展，而点腐蚀发展快，比均匀腐蚀危害更大；由于FeCl2的生成加速了对Fe2+的搬运，从而加速了阳极过程；另外，由于Cl─的导电作用，使阴阳极之间的电阻降低，腐蚀电池效率提高,电化学腐蚀破坏加速。反应式如下：
Fe2+ + 2Cl─ +4H2O → Fe Cl2•4H2O
Fe Cl2•4H2O →Fe（OH）2 + 2Cl─ + 2H++ 2H2O
可见，氯离子对钢筋的腐蚀仅起诱发、活化或“搬运”作用，不参与或改变腐蚀产物的组成，其含量不随腐蚀反应的进行而降低，因此其危害性也就更大。
2.2.3 微生物的腐蚀
土壤中存在硫酸盐还原菌等各种微生物，与混凝土发生生化反应，使混凝土的碱性降低，加速了混凝土的中性化。
微生物对混凝土的侵蚀机制极为复杂，有多种形式。包括：微生物（如好氧菌）以代谢产物形式分泌的无机酸（如硫酸、亚硫酸、碳酸等）、有机酸（如蚁酸、醋酸、异戊酸等）；这些酸与水泥石里的阳离子生成的盐；有机酸与阳离子生成的络合物；厌氧微生物产生的硫化氢以及生物膜的腐蚀破坏等。研究人员发现，有40余种细菌参与腐蚀，因其繁殖很快，对混凝土的破坏性极大。
2.3 环境腐蚀的危害
研究证实，埋设于盐渍土中的混凝土构筑物，由于盐类的腐蚀，其强度在1~5年后即急剧下降，降幅可高达30%；在严寒地区如存在冻融循环破坏时，与“盐胀腐蚀”同时作用产生“盐冻破坏”，其危害更为严重，普通混凝土建筑物使用寿命甚至不到一年。
地下综合管廊如出现渗、漏水现象，则会损害管廊内各种管线设施，严重影响生产活动和居民生活，必须严加防范。
3 防治对策
西北地区盐渍土地下环境对混凝土构筑物的侵蚀后果严重，不容忽视；特别是对地下管廊而言，其使用寿命要求极高，因此必须对其实施防腐防水保护。
与地铁隧道相似，地下综合管廊结构分为现浇混凝土结构和预制拼装结构。建议在有一定的施工空间的条件下，选择最佳的材料和工艺，对管廊的外表面或内壁做涂层保护处理。
3.1 材料选择
混凝土结构的防水材料（包括封堵材料、注浆材料、面涂材料或卷材）可分为有机和无机两大类。前者包括沥青类、环氧树脂类、聚氨酯类以及聚脲等；后者为水泥基材料。根据防治地下混凝土设施渗漏水病害的要求，材料的选择应主要从物理力学性能、防水性能、耐腐蚀性能、耐久性、施工性、安全和环保性等个方面加以考虑。
3.1.1 几种材料主要性能比较
现将上述两大类几种材料的主要性能比较如下（见附件例表）。
3.1.2 水泥基防腐防水材料（CN2000系列）
a 主要性能和国内外权威机构的研究实验结果
见下表（依据标准：核行业标准《核工程水泥基防腐防水材料规范》（EJ/T 20070-2014）。
主要性能和国内外权威机构的研究实验结果
| 项目 |
检测结果 |
依据标准 |
研究测试单位 |
| 抗渗压力 |
1.5Mpa
（7d） |
GB-18445 |
国家建筑材料工业房建材料质量监督检测测试中心 |
渗透（水）
深度 |
＜2mm
(涂层厚度：2mm) |
欧洲标准
《EN12390—8: 2000》
美国标准
《ASTM C 642-1997》
德国标准《DIN1048》
北欧标准
《NT Build369》
中国标准
《GB/T 50082—2009》 |
香港Fugro发展中心MateriaLab检测部 |
| 透水率 |
水压3.3Mpa下与未涂敷比较，可有效地减少漏水量22倍。 |
—— |
加拿大皇后大学 |
| 轴心拉伸强度增加值和极限拉伸值增加值 |
均＞20% |
DL/T 5150 |
核工业理化工程研究院 |
耐腐蚀
系数 |
K6=0.9 |
EJ/T 20070-2014 |
核工业理化院 |
| 钢筋保护 |
涂敷在钢筋表面上显著改善了钢筋的抗腐蚀性，达到严重腐蚀的活性阈值为9个月甚至更长；
涂覆在混凝土表面上的试样暴露于氯化物溶液中一年后没有腐蚀迹象。 |
ASTM C876 |
加拿大皇后大学 |
抗碳化
性能 |
平均碳化深度减少率≥60% |
GB/T 50082-2009 |
天津市建筑工程
质量检测中心 |
| 抗氯离子渗透性能 |
电通量明显减少，抵抗氯离子穿透混凝土试样的能力增强。 |
ASTM C1202 --97 |
加拿大国家研究委员会 |
496C，（6hr）
204C，289 C， （28d）
电通量等级属于“很低”级 |
ASTM C1202 --97 |
香港Fugro发展中心MateriaLab检测部 |
| 抗冻融循环性能 |
经347次冻融循环后，
质量损失最大值~ 1%
动弹模量变化率最大值~30% |
GB50085-2009； ASTM 666
≤5%
≤40% |
加拿大蒙特利尔研究机构 |
水泥基防腐防水材料不仅具有上述低透水率、高抗渗压、对机体有补强作用、耐腐蚀、耐久性优异等性能之外，其施工简易，施工周期短；对基面无特殊要求（只要无油渍，施工前喷淋水使其达到湿饱和即可）。因此，该类材料业已在核工程、军事工程以及水利、能源、交通、环保、工民建等各个领域中的广泛应用。
b CN2000系列所获专利
▲ 国防专利，国密号：第39692号，授权日：2015.9.2
▲ 国际专利，专利号 ：US7901506 B2，日期：2011.3.8
▲ 中国发明专利，专利证号：第 号，授权日：2012.9.19
▲ 中国实用新型专利，共4项，2007~2008年授权。
c CN2000系列评价
▲ 2001年，经中国国防科学技术工业委员会鉴定，结论为“该系列产品综合性能和技术指标达到了国际先进水平”；
▲ 2002年，经国家经贸委评审认定为“国家重点新产品”；
▲ 2003年，被国家列入“中国和平利用军工技术出口产品目录”；
▲ 2006年，公司获天津市提供的科研发展基金；
▲ 2008.12，本公司产品《中核2000系列防水材料》被奥组委评为《 2008北京奥运绿色建筑》优秀科技品牌；
▲ 2008年，美国国际评价机构评价：CN2000B在全球“材料”、“混凝土”、“防水材料”和“建筑材料”4个领域中名列第一，并在www.yet2.com网上公布；
▲ 2009年，加拿大多伦多运输委员会对CN2000材料和工艺评价：非常满意；
▲ 2009年，中国环境保护产业协会、建设部科技发展促进中心给CN2000系列产品发布“中国绿色之星证书”；
▲ 2011年，产品唯一获加拿大政府工程“绿A认证证书”；
d 重大工程及隧道工程案例
▲ 核工程和军事工程（从略）；
▲ 三峡右岸地下电站注浆堵漏与喷涂防水工程；
▲ 长江三峡电源电站防腐防水工程；
▲ 长江三峡大坝及水利枢纽防腐防水工程；
▲ 重庆轻轨三号线江北机场站（地下）防水堵漏工程；
▲ 北京市三环、四环、五环、六环部分高架桥桥面防腐防水工程；
▲ 首都机场1号、3号航站指挥中心防水防渗工程；
▲ 2008年国家奥运会场馆水立方防腐防水工程；
▲ 2008年国家奥运会场馆“鸟巢” 防水防渗工程；
▲ 中国水利水电科学研究院大兴试验基地地下水库防水防渗工程 ；
▲ 水北调应急供水工程京石段渠道防水防渗工程；
▲ 中国甘肃《引大入秦》工程总干渠防水防渗工程；
▲ 天津、安徽、青海、内蒙等地污水处理厂污水处理装置防腐防水工程；
▲ 美国佛罗里达州圣约翰郡的SR-A1A桥桥墩维修工程；
▲ 加拿大蒙特利尔雅克·卡迪亚桥大桥护栏的防腐防水维修工程；
▲ 加拿大多伦多地铁地下通道防水防渗工程；
▲ 加拿大多伦多地下通道防水防渗工程；
▲ 维京群岛国际机场航站楼和飞机库防水工程；
▲ 加拿大多伦多机场地下设施防腐防水工程；
▲ 兰州铁路局西北铁路隧道防水、防渗工程；
▲ 兰州铁路局平凉段太禹公路隧道防渗工程；
▲ 兰州铁路局天水段大盘铁路隧道防渗工程
▲ 甘肃公路局定西段公路隧道防渗工程；
▲ 焦柳线石怀段铁路隧道扩能改造防水工程；
▲ 天津市地铁防水、防渗工程；
▲ 重庆市轻轨一号线曾家岩站、校场口站防水、堵漏维修工程；
▲ 重庆市轻轨三号线江北机场站防水、堵漏维修工程；
▲ 宝成铁路下行线陈家岩隧道防水工程；
▲ 佛罗里达公路涵洞防水、防腐工程；
▲ 四川遂宁唐家湾隧道喷涂防水工程；
▲ 加拿大多伦多中央岛湖底隧道防腐防水工程。
4 施工工艺
CN2000系列涂料的涂覆可采用刮涂、刷涂和喷涂，施工简易，周期短，对基面只要求无油漆、油渍或粉尘，涂刷前淋水使其达到湿饱和即可。施工工艺详见《中核2000系列防腐防水材料堵漏注浆技术规程》。
注：该文于2015年发表于“甘肃建工”杂志
天津中核防水材料有限公司：王大桐研究员
甘肃省建筑科学院原院长：李德荣专家教授
2015年10月
公司地址：成都市龙潭工业园川核地质大厦
电话：13550225921
公司邮箱：119642876@qq.com