预应力钢筒混凝土管 (简称PCCP管) 的水泥砂浆保护层对管材的防腐起到极为关键的作用, 其防腐机理比埋地钢管要复杂得多。水泥砂浆保护层通过两个重要的防腐机理来保护PCCP管中的预应力钢丝, 一是屏障保护外壳, 另一个是通过电化学反应使钢材钝化。

钝化是在钢材表面生成具有致密结构的水化氧化铁薄膜 (n-Fe₂O₃-mH₂O) , 它是一种致密、稳定的共格结构, 并紧密地覆盖在金属表面, 水和氧气不能渗透过去, 使金属表面转化为不易被氧化的状态。形成钢材钝化的主要原因是水泥砂浆中pH高达12.5, 造成如此高的碱性主要是氢氧化钙, 而氢氧化钙产生于水泥中的游离石灰 (Na₂O、K₂O) 与砂浆中水的化学反应。

科学研究表明, 在大多数天然土壤和水环境中, 不会构成对水化氧化铁薄膜的破坏, 腐蚀的关键因素是氧的存在。对于氧作用下的腐蚀, 即氧开始进入没有物理破坏和化学变化的PCCP管, 并开始接触到钢材, 必须同时具备以下3种因素: (1) 氯离子的浓度非常高, 在预应力钢丝保护层面上超过700/1 000 000侵蚀度; (2) 砂浆保护层处于非常潮湿的状态; (3) 大气中的氧气不断地侵入砂浆保护层, 并与管道中的钢材紧密接触。但这3种情况同时发生的概率是极小的, 即使是同时发生, 由经验可知, 其腐蚀程度也不会很大, 除非周围有快速的氧气补给, 或者砂浆保护层在安装时已经被破坏。

实践也证明, 水泥砂浆保护层确实对PCCP管内钢材的防腐蚀起到关键作用, 只要钢材保持在碱性环境中, 并且不存在游离氧, 即使有很高浓度的氯离子, 钢材也不易被腐蚀。

高氯离子土壤一般多出现在铁铝土中, 常出现在处于年降雨量在600 mm以上 (通常在600~1 000mm) 、属于潮湿气候和气候温度适中的地区, 土壤常年潮湿, 也可称为湿性土壤。在土壤分布中, 铁铝土多出现在亚热带以及潮湿气候的地区, 一般为森林和植被下的土壤, 在我国大部分南方地区, 如海南、广东、广西、福建、台湾、江西、湖南、云南、贵州及四川等省 (区) 均可见到, 在中国土壤分类中, 铁铝土被划分为砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤和燥红土类。

图1为铁铝土形成过程示意, 铁铝土由氧化铁、粘土或二者共同堆积在图1的B层中, B层是紧接在表层土之下的土壤。通常情况下, 可溶性材料如碳酸钙或碳酸镁不会存在于铁铝土中。铁铝土的形成过程是, 包含着一定的可溶性成分, 特别是包含着的钠、钙和镁离子通过水迅速地从A层 (地表层) 渗透到土壤中。这些可溶性化合物通过地下水渗透到B层中, 不溶性铁的氧化物和粘土则沉积在B层, 使B层呈现褐色到红色。铁铝土相对钙层土呈弱腐蚀性和酸性, 是因为大多数侵蚀性元素, 如氯离子都被冲洗进入B层和C层。

如果以湿度线来定义, 通常情况下铁铝土地区的土壤湿度线非常接近地平线 (见图2) 。图2中可根据湿度线和水位线距离d值的大小可区分出土壤的类别, d是气温、气候条件及降水量的函数值。若地下水位线上下波动, 湿度线也随之在一定时间后上下波动。在铁铝土地区敷设的管道, 通常处在恒定的多雨或潮湿的环境中, 且大部分铺设于地下1 500~2 000mm, 甚至更深, 即使考虑湿度线最大的波动, 管道始终处于湿度线以下。因此, 如果仅考虑湿度独自的影响, 土壤中的氯离子浓度不高时, 土壤对管道潜在的腐蚀强度较低。

管道在铁铝土地区敷设时, 土壤中氯离子浓度非常高, 当达到一定量时, 嵌埋在PCCP管水泥砂浆保护层里的预应力钢丝表面的钝化 (水化氧化铁薄膜) 会遭到损坏, 但预应力钢丝不会因表面钝化的损坏而遭到腐蚀性破坏。要造成钢丝真正的腐蚀, 同时要有游离氧在预应力钢丝的表面, 从而构成最终的腐蚀性断裂破坏。对完全敷设于水体中的管道, 嵌埋在PCCP管水泥砂浆内的钢材不会受到腐蚀, 这是因为水阻断了大气中的氧气, 水中的饱和氧没有能力穿透完好的砂浆保护层。

管道周围区域存在着干湿循环的变换, 其后果会导致氯离子浓度非常高, 若同时又有大量游离氧聚集在水泥砂浆保护层外侧, 那么氯离子最终会侵蚀钢材表面。经验表明, 这种情况大多数发生在土壤电阻率低于1 500Ω·cm的情况, 通常预示着可溶性盐 (如氯化物) 的浓度很高。这时, 一定要谨慎地在外部砂浆保护层表面再喷涂附加的阻断保护层 (如环氧煤沥青等) 或用钢带将所有管接头连接起来, 并定期监视管线的腐蚀状况。

高硫酸盐含量土壤一般为钙层土, 其常出现在处于年降水量在600mm (一般在150~450mm) 以下、高温高蒸发量和土壤干湿变化大的地区, 为碳酸钙沉积层土质, 偏碱性, 干性或半干性土壤。钙层土主要分布在我国内蒙古高原的中东部, 并与宁夏、甘肃、青海、陕西等省 (区) 的交接地段, 并有部分在黑龙江省的松辽平原、新疆的昭苏盆地以及天山、阿尔泰山、昆仑山等山地。

钙层土的形成是碳酸钙和极少量的碳酸镁沉积在土壤层中, 特别是在图3的B层中。这种沉积状况的形成, 多发生在温度高、降雨少且大多数时间干旱的气候条件下。

图3为钙层土形成过程示意, 由图3知, 不时的降雨, 雨水携带可溶性物质从图3中的A层 (地表层) 到B层, B层是当水蒸发时的沉淀层。当发生气候持续干燥的情况, 可溶性物质也可从下层土壤移动到上层土壤, 此时, 地表下的水或更深的地下水通过土壤中的毛细孔渗透到上层土壤。当上层部分水进一步蒸发时, 可溶物质就沉积下来了。这种低降水和高蒸发带来干湿交替变化大的气候条件, 会引起固体物质在混凝土结构层中沉积, 导致高浓度的可溶性沉积物增加了土壤对黑色金属的侵蚀。

图3中的B层就是碳酸钙聚积层, 含有很高的硫酸盐, 其厚度一般在20~60cm, 距地表面约75~100cm。聚积的形态有层状、眼斑状、结核状、假菌丝状、粉末斑点状等, 其中结核状又被称为砂礓或料礓石, 硬度比较大。钙层土碳酸钙含量一般为10%~30%, 高的可达40%, 个别更高达70%~80%, 整层都是白色石灰状, 并不是土壤钙化过程的产物, 而是与过去的地球化学沉积过程有密切关系。

在钙层土环境下, 管道敷设可能会出现3种情况: (1) 管道敷设位子明显高于湿度线 (见图4a) , 管道始终处在干燥的环境中, 防腐要求不高; (2) 管道刚好敷设在湿度线上 (见图4b) , 管道底部处在干湿交替变化之中, 这种情况比较前一种情况, 需增加防腐保护的力度; (3) 管道一部分在湿度线上 (见图4c) , 一部分在湿度线下, 这种湿和干的共同作用, 对于防腐要求比较高。

在钙层土地区, 土壤中含有很高的硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁和硫酸盐, 这种土壤在一定条件下能够对混凝土建筑结构产生化学侵蚀, 尤其对那些距离接近地平面部分的混凝土结构, 聚集起的高浓度硫酸盐通过毛细作用对其侵蚀, 这部分腐蚀的土壤主要集中在图3中的B层。但是, 对于建设在地下较深的混凝土结构, 包括铺设在地下较深的混凝土管道, 土壤中不会发生高浓度的硫酸盐的集结, 因此, 很少遭受硫酸盐的侵蚀。为安全考虑, 虽然PCCP管已被证明具有较强的抗硫酸盐性能, 但对于有地下水的场地, 埋在硫酸根离子可溶性水溶液含量高于0.2%或地下水中硫酸根离子含量高于2 000mg/L的土壤中, 则建议砂浆保护层中水泥的C₃A含量不应超过5%。

在酸性土壤里混凝土管道受到化学原因的腐蚀是极其罕见的, 主要受人为矿山废弃物的堆积和工业废水等因素的影响较为明显。

通常情况下, 如果土壤环境中的pH<5时, 应对管道采取充分的保护措施, 可作以下选择: (1) 阻断水泥砂浆保护层与土壤接触, 在管道外侧再涂保护层; (2) 在管道周围更换完全密实不透水的材料, 防止酸性水质渗入管道的区域内; (3) 在地表水渗入的区域内, 管道周围添加石灰石。

敷设于地下的金属管道能够从附近的阴极保护管道, 电气化铁路和其他直流电源收集并释放杂散电流, 杂散电流从有保护层钢管的微小孔洞释放, 造成泄漏干扰电流, 干扰电流以针孔状态侵蚀钢管。但是, 杂散电流的释放对包裹在混凝土或水泥砂浆保护层中的钢材是完全不同的, 在PCCP管中, 由于有水泥砂浆保护层包裹着钢材, 其杂散电流的释放呈表面漂浮状态, 而不是针孔状, 并且以极化效应而节流。由于这种特有的缓和因素, 使PCCP管能够容纳杂散电流的干扰不易被腐蚀, 而在相同情况条件下, 外涂料有微小损坏的钢管则很快会被腐蚀。

然而, 为了防范杂散电流干扰, 还是应该采取相应的保护措施, 避免或者控制杂散电流对PCCP管线的干扰, 可作如下选择: (1) 消除或减少干扰源, 把杂散电流干扰降低到安全线以内; (2) 阻断管道砂浆保护层与土壤的接触; (3) 连接管子接头并监控; (4) 通过连接主管道接头牺牲阳极等。

参考国内外的研究成果和相关资料, 以及PC-CP管使用的成功案例和失败教训, 并根据上文的探讨, 列出不同土质中PCCP管的防腐应对措施, 汇总于表1中。

需要说明的是, 表1中各种符号代表的措施具体为:A:膨胀接头采用水泥砂浆灌注;B:用大量水泥砂浆灌注在管子外面接头凹槽里;C:用不透水的灌浆带在管子外面接头凹槽里灌注水泥砂浆;D:对ECP管, 在预应力钢筋下加上钢带, 以保证管内钢材的电性相连。对LCP管, 不要求用这种方法;E:用低电阻的导线连接管线接头, 保证用电的连续性, 并提供检测站以检测管子的电势和电流;F:移走直流电源;G:采用C₃A含量不超过5%的普通硅酸盐水泥制作水泥砂浆保护层;H:对管外层提供附加的保护措施 (如环氧煤沥青等) ;I:用浅色涂层对管子外层进行喷涂;J:利用喷浆对钢接头进行保护;K:连接的管必须电绝源;L:管线周围利用密实的, 相对不渗透的回填土回填;M:管周围利用钙质土回填;N:有必要时进行检测, 排除杂散电流。

由于PCCP管与钢管、球墨铸铁管相比有自身的防腐功能, 不论是在铁铝土土质、钙层土土质还是在其他不利因素的土壤, 砂浆保护层都是PCCP管最重要的防腐屏障。因此, 在生产中提高砂浆保护层的质量尤为关键, 不但应该在管理上重视, 更应该从科学角度和借鉴国外成功的实际案例来提高产品的生产质量。首先做到在砂浆保护层喷射完成后, 应立即进行10h的蒸汽养护, 然后再进行自然洒水养护, 提高砂浆保护层的密实度。再则尽量降低砂浆保护层的吸水率, 如美国AWWA C301标准规定的平均吸水率为9%, 而美国在利比亚工程中最大吸水率只有6.5%。

在PCCP管线设计时, 必须充分了解当地的土质情况, 根据不同土质情况, 采取相应的防腐措施。在敷设施工环节中, 严格把控质量, 一定要保证砂浆保护层的完好, 其一旦被破坏, 等于钢材丧失了碱性环境, 直接导至管道损坏。总之, 把握好设计、生产和敷设质量是提高PCCP管防腐能力和管道使用寿命的重要因素, 并用科学的观点来推动PCCP管行业的健康发展。