滨海地区因靠近海洋所以地下水中含有较高浓度的硫酸盐和氯盐等腐蚀性介质, 而这些高浓度的离子会对钢铁材料、钢筋混凝土结构产生较大的腐蚀。据统计, 我国滨海地区的建筑物腐蚀情况普遍比较严重, 2013年因海洋环境造成的腐蚀损失至少达到5 000亿元^[1]。

　　 城市的市政基础设施非常重要, 而滨海地区的市政基础设施因易受腐蚀, 其防腐设计更显重要。市政管网主要包括管道及其附属构筑物, 防腐内容涉及到较多规范, 所以有必要加以总结和凝练。本文将依托海花岛项目分析滨海城市市政管网的主要防腐设计措施。

　　 海花岛位于中国海南省儋州市西部的沿海海域, 介于白马井滨海新城和洋浦经济开发区之间, 原地貌属浅海区, 为人工吹填而形成的人工岛, 由3座人工海岛 (分别为1#岛、2#岛、3#岛) 组成, 俯瞰犹如三朵盛开的花朵, 绽放在儋州的美丽海滨。

　　 本次市政工程设计系统主要包括雨水、污水、给水和再生水管道及其附属构筑物的设计。

　　 海花岛地下水主要为孔隙潜水。其中1#岛场地内地下水水位埋深-0.50~8.70 m, 水位标高0.47~2.85m;2#岛场地内地下水位埋深0.20~4.90m, 水位标高1.36~2.22m;3#岛场地内地下水位埋深0.30~3.20m, 水位标高2.10~3.00m。地下水位均受到海水涨落潮的影响, 场地区地下水位年变幅2.0m左右。

　　 岛上分别取地表水样、地下水样和扰动土样, 在室内进行腐蚀性指标测试, 结果见表1和表2。

　　 依据测试结果, 本项目地址特点如下: (1) 场地附近海水对混凝土结构具弱腐蚀性, 在长期浸水的条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性;在干湿交替的条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性; (2) 场地浅层土对混凝土结构具弱腐蚀性, 对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性。

　　 按照腐蚀过程的特点和机理, 腐蚀可分为化学腐蚀 (气体腐蚀和非电解质溶液中的腐蚀) 、电化学腐蚀和物理腐蚀3大类。

　　 埋设于地下的市政管道与土壤直接接触, 故主要发生的是土壤腐蚀。土壤腐蚀属于电化学腐蚀, 因为土壤是一种混合物, 它含有空气、水分以及各种盐类, 具有电解质的一般特征和作用^[2]。土壤含盐量越高, 土壤腐蚀速度越快, 二者呈正相关的关系。土壤中氯化物破坏性最大, 氯化物含量越高土壤腐蚀性越强, 所以沿海地区因土壤中含有大量的氯离子比一般区域对管道的腐蚀性更强。

　　 滨海地区钢筋混凝土的腐蚀主要来源于硫酸盐和氯盐的化学腐蚀。长期处于氯盐环境, 氯离子易侵入到混凝土内部到达钢筋表面, 破坏钢筋表面的钝化膜, 使被保护的钢筋受到严重腐蚀, 锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落, 严重威胁混凝土结构物的安全性与使用性^[1]。

　　 项目中1#岛水位标高为0.47~2.85m;2#岛水位标高为2.10~3.00 m;3#岛水位标高为1.36~2.22m, 水位年变幅均为2.0m左右。本工程雨水管、污水管、给水管和再生水管及其附属构筑物埋深为0.7~5.0m, 属于地下水波动范围。依据地质情况分析, 场地地下水属于Ⅱ类环境, SO₄^2-浓度为150~1 000mg/L, Cl^-浓度为100~7 500mg/L;场地土壤属于Ⅱ类环境, SO₄^2-浓度为650~1 000mg/L, Cl^-浓度为2 500~6 500mg/L。所以埋地管道及钢筋混凝土构筑物主要受到化学和电化学腐蚀作用, 且在干湿交替的条件下钢筋混凝土结构受到强腐蚀性。因此, 本工程市政管道及其附属构筑物应按照强腐蚀性评价等级进行防腐设计。

　　 管材的选择是市政管网设计的重要一环。工程常用的市政管材可分为两大类, 分别为金属管 (钢管和铸铁管) 和非金属管 (包括塑料管、混凝土管和复合管) 。

　　 依据上述防腐需求分析, 敷设于市政道路下的整个管网均受到地下水和场地土的强腐蚀作用。若要满足管道的设计使用寿命, 管道必须具备一定的防腐性能, 或采取相应的防腐措施。所以管材防腐性能是管材的选择过程必须考虑的重要因素。

　　 目前国内常用的排水管管材主要有钢筋混凝土管和HDPE管。

　　 两者特点如下: (1) 钢筋混凝土管材:价格便宜, 性能稳定, 是排水行业的最主要的管材。但钢筋混凝土管管内粗糙系数最高, 水力性能差。另外, 钢筋混凝土管每节长度较短, 一般约为2m, 所以接头较多。 (2) HDPE管:主要特点为内壁光滑, 水头损失小;材质轻, 便于运输与施工安装;耐腐蚀, 使用寿命长。

　　 本工程污水管道设计有如下特点: (1) 污水管道流程长, 起始覆土相对较深, 所以污水管埋深较深, 施工难度较大; (2) 污水本身具有一定腐蚀性; (3) 最大污水管径为DN800。相对于钢筋混凝土管而言, 污水管采用HDPE管可以起到减小管道埋深的作用, 而且HDPE管具有较好的耐腐性能, 不需要额外进行内外防腐。另外, 管径为DN800及以下的HDPE管的费用也并不是太昂贵, 所以本工程污水管采用HDPE管。

　　 本工程雨水管道管径较大 (DN800~1 500) , 大管径采用HDPE管不仅费用昂贵, 且埋深较深时对管材性能有更高的要求。结合海南当地雨水管材的使用习惯, 本工程雨水管道管径≤DN1 500时采用钢筋混凝土管;>DN1 500时采用箱涵。

　　 本工程地质情况较差, 排水检查井埋深为3~6m, 所以检查井均采用钢筋混凝土材质, 具体做法参照国标图集《市政排水管道工程及附属设施》 (06MS201) 。考虑到海花岛为吹填而成, 地质较差, 所以在参照图集时, 井壁、底板及顶板厚度均增加50mm, 钢筋直径均放大一档。

　　 市政工程常用的给水、再生水管材有钢管﹑球墨铸铁管、聚乙烯管 (PE) 、玻璃钢夹砂管、硬聚氯乙烯管 (PVC-U) , 以及钢骨架增强聚乙烯复合管等, 其特点和适用范围各不相同。

　　 (1) 钢管:具有较高的强度, 在抗弯、抗拉韧性、耐冲击、耐震动上具有优势。主要缺点是易腐蚀, 防腐要求高。

　　 (2) 球墨铸铁管:具有较高的耐冲击﹑耐震动﹑耐腐蚀﹑抗压及延伸性能良好等优点。近年来, 国内给水工程使用较多, 特别适合中小口径管道使用。

　　 (3) PE管:具有质轻、柔韧性好、摩擦系数小、过水能力强、耐腐蚀性佳、卫生性能好 (无毒、不结垢) 等优点。

　　 (4) 玻璃钢夹砂管:特点是材质轻, 内壁粗糙系数值较小, 不需作防腐处理。缺点是抗压剪强度及弹性模量相对小于钢管和球墨铸铁管, 施工要求高。

　　 (5) PVC-U管:特点是材质轻, 耐压强度好, 无需内外防腐, 摩阻系数较小, 输水能力较高, 使用寿命长等特点。缺点是管材较脆、不易受重压, 施工回填要求较高。

　　 (6) 钢骨架增强聚乙烯复合管:具有材质轻, 耐压强度高, 摩阻系数较小, 输水能力较高, 耐化学腐蚀性能强, 内壁不结垢, 卫生条件好等特点。缺点是管配件费用较高。

　　 本工程给水、再生水管道设计有如下特点: (1) 管道位于海边, 场地水、土腐蚀性较强; (2) 给水主干管管径较大为DN400~800;再生水主干管管径较小为DN100~250; (3) 工程地质条件较差, 对管道的强度和韧性要求较高。

　　 综合考虑管材技术、质量的可靠性、先进性、经济性和防腐性, 同时结合本项目地质条件较差的特点, 本工程埋地部分给水管道采用球墨铸铁管。再生水管道采用耐腐蚀性能佳、过水能力强的PE管。

　　 另外, 岛上给水管网系统近期由岛外现状水厂单独供水, 岛外输水主干管通过敷设于跨海堤坝的廊道内引入海花岛。

　　 管道沿过海堤坝敷设, 与普通城市给水管相比较有以下几个特点: (1) 管道为明敷。管道受海洋盐雾影响, 所以必须考虑管线的防盐雾腐蚀。 (2) 管道敷于堤坝廊道内, 一方面受到桥面车辆行驶引起的振动, 另一方面, 受到堤坝本身热胀冷缩的作用。所以对管道的强度和韧性要求较高。通过对管道接口、过水能力、整体性、施工维护、管材强度等方面的比较, 钢管和钢骨架塑料复合管均优于球墨铸铁管。而钢管和钢骨架塑料复合管在该工程使用中又各有优缺点, 主要表现在后者过水能力、防腐能力比前者强, 但造价比前者高很多;前者使用较成熟, 造价比后者便宜, 但防腐能力差。经综合比较, 过海给水管采用钢管, 钢管的防腐问题可以采用外涂防腐涂层的方法解决。

　　 综上分析, 本工程中雨水管道、排水检查井和给水管道等需要采取相应防腐措施。

　　 本工程雨水管管径为DN800~4 000×2 000 (宽×高) mm, 其中管径小于等于DN1 500采用钢筋混凝土管道, 管径大于DN1 500均采用箱涵形式。

　　 钢筋混凝土管道和箱涵均属于钢筋混凝土结构, 所以防腐主要考虑以下2个方面: (1) 混凝土的表层处理。即采用一定的内外防腐措施使混凝土与侵蚀物质隔离。本工程雨水排放口处均设置拍门防止海水的倒灌, 所以钢筋混凝土管道和箱涵内壁不会受到海水的浸湿, 不用采取内防腐措施。 (2) 混凝土和钢筋的保护。即需要考虑混凝土的材料、等级和裂缝宽度等因素, 此外还要考虑混凝土保护层厚度。

　　 混凝土表面涂覆的保护层是防止腐蚀介质渗入混凝土的第一道屏障, 保护层将大幅度减小混凝土内侵入氯离子含量^[3]。研究成果表明, 目前混凝土防腐最有效的方法就是在其表面涂覆防腐涂料^[1]。

　　 依据《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB 50046-2008) 4.8.5条, 对于强腐蚀性评价等级, 基础的表面防护可采用聚合物水泥砂浆、环氧沥青和聚氨酯沥青等材料进行防腐。3种材料各有优缺点, 结合本工程特点, 需重点考察防腐蚀保护涂层的透水性、粘结强度、耐碱性和施工便捷性等方面。

　　 本工程钢筋混凝土管道为预制成品管道, 现场若采用聚合物水泥砂浆防腐有较大的施工难度, 因为水泥砂浆很难附着于管道表面, 粘结强度较差。聚氨酯涂料对施工环境要求较高, 有遇潮起泡等问题。而环氧沥青涂料对混凝土耐久性的改善作用非常明显, 是重要的海洋钢筋混凝土防腐涂料, 在海港中的应用尤其突出^[5]。故钢筋混凝土管道和箱涵外表面考虑采用环氧沥青防腐, 厚度≥500μm, 做法四油一布^[4]。

　　 在腐蚀环境下, 保证结构混凝土的耐久性是防腐设计的重要环节, 《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB 50046-2008) 4.2.3条也以强条的形式作出了相关要求, 包括最低混凝土强度等级、最小水泥用量、最大水灰比。规范中关于混凝土和钢筋的保护具体简述如下:

　　 (1) 混凝土的抗渗性能。国内外关于氯离子在混凝土中的扩散机理有较多研究, 结果均表明氯盐是导致海洋环境下混凝土结构腐蚀的首要因素^[5]。所以混凝土的抗渗性能直接影响到其被腐蚀速度, 提高混凝土的抗渗性能可以抑制氯离子渗入混凝土, 减弱对钢筋的腐蚀。所以加强钢筋混凝土结构的抗渗性能是保持其长期耐久性的一个最基本的前提。

　　 而混凝土的抗渗性能与混凝土的水灰比和水泥用量有较大相关性。许多试验结果表明当水灰比增大时, 混凝土的渗透性、氯离子的扩散系数都有不同幅度的提高。当水灰比从0.4增加到0.6时, 氯离子的扩散速率增加4~5倍^[6]。对于强腐蚀评价等级, 规范要求混凝土结构的最大水灰比值要小于等于0.4^[4]。水泥用量与混凝土的碳化系数之间也存在线性关系, 当水泥用量小于300kg/m³时, 两者之间的相关系数明显增加。所以对于强腐蚀评价等级, 规范要求最小水泥用量值为340kg/m³。

　　 混凝土中的矿物掺和料的添加也可以提高混凝土的抗渗性。但是需要保证带入混凝土中的氯离子总量不得超过混凝土中水泥重量的0.08%, 其次, 掺和料的氯离子扩散系数[D_RCM (28d龄期) ×10^-12m²/s]要低于10。

　　 另外, 与混凝土的抗渗性间接相关的因素还有混凝土的等级。提高混凝土的等级可增加混凝土的立体抗压强度, 有效地减少混凝土内部孔隙, 降低氯离子的扩散系数, 最终增加钢筋混凝土结构的寿命^[3]。规范中对于强腐蚀性等级, 给出了最低混凝土强度等级C40的指标值^[4]。

　　 (2) 混凝土的裂缝宽度。混凝土构件的横向裂缝宽度对耐久性也有一定影响, 裂缝宽度过大将导致钢筋的腐蚀。对于强腐蚀评价等级, 规范要求钢筋混凝土结构最大裂缝宽度允许值为0.15mm^[4]。

　　 (3) 钢筋的混凝土保护层厚度。混凝土对钢筋的保护, 除需要一定密实度的混凝土外, 还需要一定厚度的保护层。混凝土保护层厚度不仅可以影响混凝土中性化层到达钢筋表面的时间, 还可以增强抵抗钢筋腐蚀造成的胀裂力。《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 (JTJ 275-2000) 4.2.7条, 要求水位变动区钢筋混凝土最小保护层厚度为50mm, 同样《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB 50046-2008) 4.2.5条也规定混凝土最小保护层厚度为50mm。

　　 综合以上论述, 本工程钢筋混凝土管道和箱涵所采用的混凝土相关性能要求见表3。

　　 本工程排水检查井埋深较深, 处于场地地下水浸泡区域, 所以必须采取一定的防腐措施。一方面提高检查井图集中混凝土的等级改用C40, 抗渗等级改为P6, 同时采取外防腐措施, 做法同雨水钢筋砼管道外防腐做法。

　　 另外, 污水本身具有一定的腐蚀性。研究表明, 混凝土的腐蚀与污水环境中微生物的新陈代谢作用有关, 硫酸盐还原细菌和硫氧化细菌的新陈代谢生成硫酸导致混凝土腐蚀^[7]。所以污水检查井还需采取一定的内防腐措施, 最有效的方法是在混凝土内壁表面制作防护层把混凝土与腐蚀介质隔离, 防止由硫氧化细菌生成的硫酸从混凝土表面的侵入。

　　 混凝土内防腐常采用防腐树脂在混凝土表面涂刷, 形成具有防腐效果的复合层结构。常用的防腐树脂有环氧树脂、乙烯基酯、聚氨酯和聚脲树脂等。环氧树脂的粘结力、耐化学介质性能较好。乙烯基酯树脂具有优良的抗硫酸性和隔绝性, 广泛应用于重防腐行业。速硬化喷涂聚氨酯和聚脲树脂具有不开裂、工期短、耐化学腐蚀性能好等优点^[8]。考虑到污水的腐蚀原理, 应优先选用耐酸性较强的树脂涂层。依据《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB 50046-2008) 的附录A, 耐酸的有机树脂涂层主要有环氧树脂、聚酯树脂、脲醛树脂及丙烯酸树脂等。

　　 结合本项目特点, 污水检查井内壁采用聚氨酯和环氧树脂涂料防腐, 二底二面, 干膜总厚度不小于200μm。

　　 本工程给水管道采用球墨铸铁管, 因为球墨铸铁管本身就具有耐腐蚀性、使用寿命长等特点。设计中明确要求球墨铸铁管在出厂时应作好内外防腐。依据《水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》 (GB/T 13295-2013) , 球墨铸铁管内防腐应采用水泥砂浆衬里, 涂覆内衬前金属表面不应有松散杂质、油或润滑剂。球墨铸铁管外防腐采用涂锌处理, 环氧煤沥青二道防腐, 其平均厚度不小于70μm, 最小厚度不小于50μm。喷锌量以单位面积锌涂层平均质量不应小于200g/m², 局部最小值不应小于170g/m²来控制。

　　 本工程岛外输水主干管通过敷设于跨海堤坝的廊道内引入海花岛。虽然给水管道敷设于廊道内, 不与土壤接触, 但是海洋大气环境中, 空气中相对湿度较大, 海水、盐雾对钢铁均具有很强的腐蚀性, 所以给水钢管必须应采取严格的防腐措施。

　　 给水钢管的防腐措施同样考虑两方面的因素。一是钢管的表面处理, 即钢管的外防腐措施;二是钢管的壁厚, 因为钢管的壁厚直接决定了钢管的使用寿命。

　　 依据《给排水管道工程施工及验收规范》 (GB50268-2008) , 钢管内外防腐层须在厂内完成, 现场连接的补口也要做相应处理。

　　 (1) 钢管的表面处理。目前规范上推荐的外防腐做法主要有石油沥青涂料、环氧煤沥青涂料和环氧树脂玻璃钢。

　　 石油沥青涂料和环氧煤沥青涂料均具有良好的表面润湿性, 对于表面处理要求相对较低。但是环氧煤沥青采用冷涂覆工艺, 较热涂覆的石油沥青有很大的优越性, 减少了城市空气污染。环氧树脂涂料具有极好的附着力、优异的耐腐蚀性、良好的力学性能。但是环氧树脂涂料不耐紫外线、易粉化, 对施工有着较高的要求^[9]。

　　 所以本工程钢管外防腐采用环氧煤沥青涂料涂层。涂底料前, 除锈要达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》 (GB/T 8923-2011) 中的Sa2.5级。采用加强级防腐措施, 即四油一布环氧煤沥青防腐层, 厚度不小于400μm。

　　 目前规范上推荐的内防腐做法主要有水泥砂浆内衬和液体环氧涂料。

　　 液体环氧涂料指室温下呈液态的环氧涂料。液体环氧涂料目前使用过程存在一些问题, 如耐久性不强, 经水长期冲刷浸泡可能脱落, 存在出水有异味等。而钢管内衬水泥砂浆的缺点在于两种材料胀缩系数不同, 若涂敷质量控制不到位, 在热胀冷缩及外界动荷载长期作用下, 可能发生内衬脱落坍塌^[9]。

　　 鉴于给水工程对于输水的高度安全性的要求, 本工程钢管内防腐采用水泥砂浆衬里, 具体要求如下:内壁除锈要求达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》 (GB/T 8923-2011) 中的Sa2.5级。钢管水泥砂浆防腐层厚度依据管径而定, DN500~700防腐层厚度为8mm, DN800~1 000防腐层厚度为10mm。

　　 (2) 钢管壁厚。本工程钢管的壁厚除满足强度、刚度与稳定性外, 还需考虑到壁厚腐蚀余量。钢管壁厚腐蚀余量设计取决于钢管在大气中的平均腐蚀速度。按照强腐蚀性等级, 埋地钢管的平均腐蚀速度为0.2~1 mm/年。过海钢管采用明敷形式, 且采取了外防腐措施, 故钢管的腐蚀速度可取下限值。按照管道30年的设计使用寿命, 给水钢管的设计壁厚至少要大于6mm。所以本工程输水钢管的设计壁厚取为10mm。

　　 滨海城市的市政管网防腐设计直接影响到整个管网的运行状况, 严格的防腐设计是保证设施良好运行的第一道防线。依据地质分析报告, 海花岛工程防腐等级为强腐蚀等级, 故对于埋地管道及附属构筑物必须采取相应防腐措施。市政管网防腐设计牵涉内容较多, 不同规范对于管道和钢筋混凝土结构均有论述。针对滨海城市市政工程设计的特殊性, 本文对项目设计过程中采取的一系列防腐措施进行了总结, 指出了引用的相关规范, 并对规范中的不同防腐措施进行了比较, 以期为滨海城市市政工程的设计提供一些思路和帮助。