一種地下污水混凝土管道用無機防腐涂料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于建筑材料技術領域，具體涉及一種地下污水混凝土管道用無機防腐涂 料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 地下污水管道是一個城市發展文明程度的重要評價指標。地下污水管道擔負著城 市廢水轉移的重要作用，從而實現污水得以收集，進而進入污水廠加以凈化，最終大大降低 了因污水排放而引起的污染問題的發生頻率。然而城市埋地污水管道，因為歷史的原因導 致埋地時長，無防腐措施或防腐質量差，在地下污水作用下極易造成管線局部腐蝕與破壞， 最終導致地下污水對土壤、地下水的嚴重污染，同時導致大雨內澇、路面塌陷等事故。據南 方周末報道2009年-2013年直接因城市地下管線事故而產生死傷的事故案例共27起，死亡 人數達117人。近期，我國已發生多起地下污水管道破裂導致的事故，例如2015年8月22日， 哈爾濱市道里區顧鄉大街公交站臺因地下污水管道破裂突然塌陷導致4名等車市民墜坑； 2015年09月07日，北京市豐臺區盧溝橋路，因地下污水管線破裂引起漏水沖刷地基導致地 面塌陷10平方米左右，深度達到2米。此外，地下污水管道破壞導致的經濟損失巨大。據地下 管線委員會此前統計，2008-2010年間，全國僅媒體公開報道的地下管線事故平均每天就有 5.6起。全國每年因地下管線事故造成的直接經濟損失以數十億元計。
[0003] 目前，我國很多城市的已建污水管道都是建于上世紀六、七十年代，多采用鋼筋混 凝土材料。由于鋼筋混凝土材料存在養護不及時、設施老化以及污水中污染物的腐蝕等因 素影響，許多地下污水管道發生腐蝕與破壞，又由于污水管道為地下隱蔽工程，它的病害不 易被發現。地下污水管道中的腐蝕是導致鋼筋混凝土管道過早失效的主要原因。地下污水 中含有的有機物和無機鹽等腐蝕性成分對混凝土的腐蝕作用，雖然在短時期內幾乎可以忽 略，但是在污水管道幾十年甚至上百年的使用過程中，這種腐蝕作用就不能忽略。按污水中 腐蝕成分種類的不同可分為無機物腐蝕、有機物腐蝕和微生物腐蝕，其中無機物腐蝕主要 包括硫酸鹽、硫氫酸、鎂鹽與銨鹽等對混凝土的腐蝕。其中，混凝土污水管道的微生物腐蝕 已被確認為導致地下污水管道腐蝕破壞的主要原因，并逐漸受到學術界的重視。現有研究 表明，混凝土的生物腐蝕是由微生物引起的生物化學過程。腐蝕過程是自然界硫循環的一 部分，這種化學反應的結果被認為生物硫酸腐蝕。一般認為混凝土管道的微生物腐蝕主要 分為二類:一類是含有大量硫化氫的工廠廢水或化糞池污水排入混凝土管道，導致微生物 腐蝕;另一類是管道底部沉積的淤泥在厭氧狀態下產生的微生物腐蝕。上述腐蝕機理可以 概括如下：污水和廢水中的有機和無機懸浮物隨水流流動而逐漸沉積于管道底部成為淤 泥，淤泥中的硫酸根離子被硫還原菌還原，生成硫化氫。釋放的硫化氫氣體進入管道內未充 水的上部空間，與管壁相接觸。在管壁上，硫化氫由于生物化學的作用，氧化生成硫酸，在硫 酸的不斷作用下，管壁混凝土被腐蝕。
[0004] 基于上述分析可知:地下污水管道中混凝土遭受的腐蝕主要以硫化還原細菌導致 的酸性腐蝕為。目前，針對混凝土遭受地下水中硫化還原細菌腐蝕機理與耐蝕技術的文獻 資料較少，已公開的文獻資料中混凝土管道的防腐主要采用低水膠比、防腐劑或聚合物的 自防腐技術，和以混凝土管道內部的玻璃鋼保護層、聚氯乙烯防水卷材、聚氯乙烯防水卷 材、瀝青防水卷材的外防護技術。
[0005] 就現有的技術體系而言，由于硫化還原細菌可通過混凝土表面與內部孔隙進入混 凝土內部，與水泥水化產物發生生物化學反應，從而導致混凝土產生嚴重的微生物腐蝕。考 慮到自防腐技術僅通過提升混凝土的致密性來抑制腐蝕反應的發生，實際上并未顯著提升 水化產物的耐腐蝕能力，因此現有地下污水管道混凝土的自防腐技術并不能實現長期耐 蝕。現有的地下污水管道外防護涂料技術主要以有機涂層材料為主，雖然有機涂層材料自 身性能優異，然而地下污水管道服役條件嚴酷易導致既有混凝土管道表層濕度較高，因此 造成有機涂層材料與混凝土管道界面粘結力發生明顯降低，同時較大的濕度也容易導致不 透氣的有機涂層材料發生鼓泡等界面劣化現象，最終表現為有機涂層材料的脫粘與剝落。
[0006] 鑒于上述地下污水混凝土管道防腐存在的問題，主要的腐蝕機理可以概括為三個 階段:第一個階段，pH值為4.5至9.5的環境中硫化還原細菌以水溶液為載體，通過表層進入 混凝土內部;第二個階段，硫化還原菌在硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等含有氧化態硫的 化合物及污水中維生素等的作用下快速生長，釋放出H 2S氣體并轉化為H2S04;第三個階段， 上述酸性氣體與溶液將存在于混凝土中，從而導致水泥水化產物快速分解與失效。因此，基 于上述腐蝕機理，可采用具有透氣不透水的堿激發無機聚合物材料涂料實現與既有地下污 水混凝土管道的濕固化粘結。首先，堿激發材料使用堿性激發劑制備的膠凝材料體系pH值 在12以上，屬于高堿性環境，可延緩硫化還原菌的生長并降低其存活率;其次，界面粘結增 強組分將增強堿激發無機聚合物與水泥混凝土界面的粘結強度，避免防腐蝕涂料的破壞與 剝落;再次，結構疏水組分使得堿激發無機聚合物材料孔徑內壁產生憎水效應，從而進一步 降低硫化還原菌、維生素與硫酸鹽在混凝土中的傳輸，從而抑制細菌的生長;最后，硫酸鹽 還原菌抑制組分的引入，將明顯降低細菌的存活率，有效避免H 2S氣體與H2S〇4的生成。
【發明內容】
[0007] 為了抑制或滅活污水中硫化還原細菌，從源頭上提升混凝土管道的耐腐蝕能力， 本發明提供一種地下污水混凝土管道用無機防腐涂料及其制備方法。
[0008] 本發明基于無機涂層材料基體防護與硫酸鹽還原菌抑制相結合的思路，重點采用 具有高pH特性的低介質滲透堿激發膠凝材料抑制還原菌生長且抑制侵蝕性物質借助水分 載體在混凝土中傳輸，再通過憎水處理與聚合物成膜技術的綜合運用，可有效提升污水混 凝土管道的耐腐蝕性。
[0009] 本發明涉及一種地下污水混凝土管道用無機防腐涂料，由以下組分按重量百分比 組成： 硅鋁質材料組分 4:0-70%, 堿性激發劑組分 2-6%, 無機填料組分 20-30%,
[0010] 界面粘結增強組分 4-10%, 結構疏水組分 3-6%, 硫酸鹽還原菌抑制組分 2-6%。
[0011]所述硅鋁質材料組分為硅酸鹽與鋁酸鹽為主要礦物組成，且在堿性條件下產生凝 結與硬化的原材料，由含有礦渣、粉煤灰、偏高嶺土中的一種或兩種的組合，該硅鋁質材料 組分需滿足如下技術指標:在25°C，65%RH的環境條件下，與相對于上述原材料質量4%的 NaOH混合，當水固比為0.5時，3天強度2 30MPa，28天強度2 50MPa。
[0012]所述堿性激發劑組分為使主要礦物組成為硅酸鹽與鋁酸鹽的原材料發生凝結與 硬化的激發劑，由硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰、氫氧化鈉 、氫氧化鉀、氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀 中的一種或兩種的組合。
[0013] 所述無機填料組分為改善堿激發無機聚合物施工性能，提升無機聚合物堆積密度 的無機材料顆粒，由滑石粉、石英粉、石灰石粉的一種或兩種的組合。
[0014] 所述界面粘結增強組分為最低成膜溫度為0-5°C，玻璃化轉變溫度< 0°C，且在PH 2 10溶液環境中可溶解的可再分散聚合物粉末，由聚氧化乙烯膠粉，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯 膠粉，丙烯酸酯膠粉、苯乙烯-丁二烯膠粉中一種或兩種的組合。
[0015] 所述結構疏水組分為可使得堿激發硅鋁質材料具有憎水效應的物質，所述結構疏 水組分為脂肪酸及其衍生物的脂肪酸鎂、脂肪酸鋁、硬脂酸鋅、聚硅氧烷粉末防水劑中一種 或兩種的組合。
[0016] 所述硫酸鹽還原菌抑制組分為可使得硫酸鹽還原菌分解成水和二氧化碳的物質， 所述硫酸鹽還原菌抑制組分為硝酸鈉、硝酸鈣、硝酸鉀、硝酸鎂、硝酸鋇、十二烷基三甲基氯 化銨、十二烷基二甲基芐基氯化銨、十二烷基二甲基芐基溴化銨中一種或兩種的組合。
[0017] 本發明還提供了一種地下污水混凝土管道防腐蝕無機聚合物涂料的制備方法，包 括如下步驟：
[0018] (1)按照各組分重量含量分別選取硅鋁質材料組分、堿性激發劑組分、無機填料組 分、界面粘結增強組分、結構疏水組分和硫酸鹽還原菌抑制組分；
[0019] (2)上述材料組分經粉磨至顆粒粒徑小于300目后，再經攪拌均勻后得所述地下污 水混凝土管道用無機防腐涂料。
[0020] 本發明所述的地下污水混凝土管道用無機防腐涂料的應用方法為與5至20°C水按 無機防腐涂料:水=1:0.2-0.5的質量比例混合即可進行地下水管道涂層施工。
[0021] 上述地下污水混凝土管道用無機防腐涂料中硅鋁質材料組分、堿性激發劑組分、 無機填料、界面粘結增強組分、結構疏水組分和硫酸鹽還原菌抑制組分及其各自質量比例 可實現如下綜合效果：當上述無機防腐涂料與水充分混合時，堿性激發組分快速溶解于水 中形成堿性水溶液，基于堿激發膠凝材料的腐蝕、溶解、離子平衡、凝膠或微晶的縮聚反應 及重構作用，堿性激發組與硅鋁質材料發生反應，從而形成無機防腐涂料的三維致密與耐 腐蝕的微觀結構，同時pH值2 12的堿性環境也將對硫化還原細菌的存活與生長產生一定程 度的抑制或滅活作用;無機填料組分的引入主要在于改善無機防腐涂料的施工性能，從而 改善無機防腐涂料的塑性、抗流掛性能，此外無機填料組分對無機防腐涂料的致密性與低 收縮變形有改善作用;界面粘結增強組分的引入可有效提升無機涂層材料與地下污水混凝 土管道的粘結力；結構疏水組分可在涂層材料中堿激發礦渣反應產物的微孔中形成憎水 層，從而有效抑制地下水中侵蝕性介質與硫化還原細菌通過水分進入微孔進行傳輸;硫化 還原細菌抑制組分的加入對硫化還原細菌具有抑制作用。綜上所述，硅鋁質材料組分上述 六種組分及其配比有利于實現污水混凝土管道的有效防護，具有明顯的功能區分與耐腐蝕 針對性。
[0022]本發明的有益效果是:第一，涂覆于污水混凝土管道內表面時，實現混凝土管道在 地下污水中抗腐蝕能力的提升;第二，抑制或滅活污水中硫化還原細菌