CN105601326A - 一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法。所述地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，由硅铝质材料组分40-70%、碱性激发剂组分2-6%、无机填料组分20-30%、界面粘结增强组分4-10%、结构疏水组分3-6%、和硫酸盐还原菌抑制组分2-6%混合而成。本发明可有效提升地下污水混凝土管道抵抗硫酸盐还原菌所导致的硫酸盐与酸性耦合腐蚀，实现钢筋混凝土管道在上述严酷环境中的寿命延长。

Description

一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法。

背景技术

地下污水管道是一个城市发展文明程度的重要评价指标。地下污水管道担负着城市废水转移的重要作用，从而实现污水得以收集,进而进入污水厂加以净化，最终大大降低了因污水排放而引起的污染问题的发生频率。然而城市埋地污水管道，因为历史的原因导致埋地时长，无防腐措施或防腐质量差，在地下污水作用下极易造成管线局部腐蚀与破坏，最终导致地下污水对土壤、地下水的严重污染，同时导致大雨内涝、路面塌陷等事故。据南方周末报道2009年-2013年直接因城市地下管线事故而产生死伤的事故案例共27起，死亡人数达117人。近期，我国已发生多起地下污水管道破裂导致的事故，例如2015年8月22日，哈尔滨市道里区顾乡大街公交站台因地下污水管道破裂突然塌陷导致4名等车市民坠坑；2015年09月07日，北京市丰台区卢沟桥路，因地下污水管线破裂引起漏水冲刷地基导致地面塌陷10平方米左右，深度达到2米。此外，地下污水管道破坏导致的经济损失巨大。据地下管线委员会此前统计，2008-2010年间，全国仅媒体公开报道的地下管线事故平均每天就有5.6起。全国每年因地下管线事故造成的直接经济损失以数十亿元计。

目前，我国很多城市的已建污水管道都是建于上世纪六、七十年代，多采用钢筋混凝土材料。由于钢筋混凝土材料存在养护不及时、设施老化以及污水中污染物的腐蚀等因素影响，许多地下污水管道发生腐蚀与破坏，又由于污水管道为地下隐蔽工程，它的病害不易被发现。地下污水管道中的腐蚀是导致钢筋混凝土管道过早失效的主要原因。地下污水中含有的有机物和无机盐等腐蚀性成分对混凝土的腐蚀作用，虽然在短时期内几乎可以忽略，但是在污水管道几十年甚至上百年的使用过程中，这种腐蚀作用就不能忽略。按污水中腐蚀成分种类的不同可分为无机物腐蚀、有机物腐蚀和微生物腐蚀，其中无机物腐蚀主要包括硫酸盐、硫氢酸、镁盐与铵盐等对混凝土的腐蚀。其中，混凝土污水管道的微生物腐蚀已被确认为导致地下污水管道腐蚀破坏的主要原因，并逐渐受到学术界的重视。现有研究表明，混凝土的生物腐蚀是由微生物引起的生物化学过程。腐蚀过程是自然界硫循环的一部分，这种化学反应的结果被认为生物硫酸腐蚀。一般认为混凝土管道的微生物腐蚀主要分为二类：一类是含有大量硫化氢的工厂废水或化粪池污水排入混凝土管道，导致微生物腐蚀；另一类是管道底部沉积的淤泥在厌氧状态下产生的微生物腐蚀。上述腐蚀机理可以概括如下：污水和废水中的有机和无机悬浮物随水流流动而逐渐沉积于管道底部成为淤泥，淤泥中的硫酸根离子被硫还原菌还原，生成硫化氢。释放的硫化氢气体进入管道内未充水的上部空间，与管壁相接触。在管壁上，硫化氢由于生物化学的作用，氧化生成硫酸，在硫酸的不断作用下，管壁混凝土被腐蚀。

基于上述分析可知：地下污水管道中混凝土遭受的腐蚀主要以硫化还原细菌导致的酸性腐蚀为。目前，针对混凝土遭受地下水中硫化还原细菌腐蚀机理与耐蚀技术的文献资料较少，已公开的文献资料中混凝土管道的防腐主要采用低水胶比、防腐剂或聚合物的自防腐技术，和以混凝土管道内部的玻璃钢保护层、聚氯乙烯防水卷材、聚氯乙烯防水卷材、沥青防水卷材的外防护技术。

就现有的技术体系而言，由于硫化还原细菌可通过混凝土表面与内部孔隙进入混凝土内部，与水泥水化产物发生生物化学反应，从而导致混凝土产生严重的微生物腐蚀。考虑到自防腐技术仅通过提升混凝土的致密性来抑制腐蚀反应的发生，实际上并未显著提升水化产物的耐腐蚀能力，因此现有地下污水管道混凝土的自防腐技术并不能实现长期耐蚀。现有的地下污水管道外防护涂料技术主要以有机涂层材料为主，虽然有机涂层材料自身性能优异，然而地下污水管道服役条件严酷易导致既有混凝土管道表层湿度较高，因此造成有机涂层材料与混凝土管道界面粘结力发生明显降低，同时较大的湿度也容易导致不透气的有机涂层材料发生鼓泡等界面劣化现象，最终表现为有机涂层材料的脱粘与剥落。

鉴于上述地下污水混凝土管道防腐存在的问题，主要的腐蚀机理可以概括为三个阶段：第一个阶段，pH值为4.5至9.5的环境中硫化还原细菌以水溶液为载体，通过表层进入混凝土内部；第二个阶段，硫化还原菌在硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等含有氧化态硫的化合物及污水中维生素等的作用下快速生长，释放出H₂S气体并转化为H₂SO₄；第三个阶段，上述酸性气体与溶液将存在于混凝土中，从而导致水泥水化产物快速分解与失效。因此，基于上述腐蚀机理，可采用具有透气不透水的碱激发无机聚合物材料涂料实现与既有地下污水混凝土管道的湿固化粘结。首先，碱激发材料使用碱性激发剂制备的胶凝材料体系pH值在12以上，属于高碱性环境，可延缓硫化还原菌的生长并降低其存活率；其次，界面粘结增强组分将增强碱激发无机聚合物与水泥混凝土界面的粘结强度，避免防腐蚀涂料的破坏与剥落；再次，结构疏水组分使得碱激发无机聚合物材料孔径内壁产生憎水效应，从而进一步降低硫化还原菌、维生素与硫酸盐在混凝土中的传输，从而抑制细菌的生长；最后，硫酸盐还原菌抑制组分的引入，将明显降低细菌的存活率，有效避免H₂S气体与H₂SO₄的生成。

发明内容

为了抑制或灭活污水中硫化还原细菌，从源头上提升混凝土管道的耐腐蚀能力，本发明提供一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法。

本发明基于无机涂层材料基体防护与硫酸盐还原菌抑制相结合的思路，重点采用具有高pH特性的低介质渗透碱激发胶凝材料抑制还原菌生长且抑制侵蚀性物质借助水分载体在混凝土中传输，再通过憎水处理与聚合物成膜技术的综合运用，可有效提升污水混凝土管道的耐腐蚀性。

本发明涉及一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，由以下组分按重量百分比组成：

所述硅铝质材料组分为硅酸盐与铝酸盐为主要矿物组成，且在碱性条件下产生凝结与硬化的原材料，由含有矿渣、粉煤灰、偏高岭土中的一种或两种的组合，该硅铝质材料组分需满足如下技术指标：在25℃，65％RH的环境条件下，与相对于上述原材料质量4％的NaOH混合，当水固比为0.5时，3天强度≥30MPa，28天强度≥50MPa。

所述碱性激发剂组分为使主要矿物组成为硅酸盐与铝酸盐的原材料发生凝结与硬化的激发剂，由硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾中的一种或两种的组合。

所述无机填料组分为改善碱激发无机聚合物施工性能，提升无机聚合物堆积密度的无机材料颗粒，由滑石粉、石英粉、石灰石粉的一种或两种的组合。

所述界面粘结增强组分为最低成膜温度为0-5℃，玻璃化转变温度≤0℃，且在PH≥10溶液环境中可溶解的可再分散聚合物粉末，由聚氧化乙烯胶粉，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯胶粉，丙烯酸酯胶粉、苯乙烯-丁二烯胶粉中一种或两种的组合。

所述结构疏水组分为可使得碱激发硅铝质材料具有憎水效应的物质，所述结构疏水组分为脂肪酸及其衍生物的脂肪酸镁、脂肪酸铝、硬脂酸锌、聚硅氧烷粉末防水剂中一种或两种的组合。

所述硫酸盐还原菌抑制组分为可使得硫酸盐还原菌分解成水和二氧化碳的物质，所述硫酸盐还原菌抑制组分为硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾、硝酸镁、硝酸钡、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵中一种或两种的组合。

本发明还提供了一种地下污水混凝土管道防腐蚀无机聚合物涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照各组分重量含量分别选取硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料组分、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分；

(2)上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，再经搅拌均匀后得所述地下污水混凝土管道用无机防腐涂料。

本发明所述的地下污水混凝土管道用无机防腐涂料的应用方法为与5至20℃水按无机防腐涂料：水＝1：0.2-0.5的质量比例混合即可进行地下水管道涂层施工。

上述地下污水混凝土管道用无机防腐涂料中硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分及其各自质量比例可实现如下综合效果：当上述无机防腐涂料与水充分混合时，碱性激发组分快速溶解于水中形成碱性水溶液，基于碱激发胶凝材料的腐蚀、溶解、离子平衡、凝胶或微晶的缩聚反应及重构作用，碱性激发组与硅铝质材料发生反应，从而形成无机防腐涂料的三维致密与耐腐蚀的微观结构，同时pH值≥12的碱性环境也将对硫化还原细菌的存活与生长产生一定程度的抑制或灭活作用；无机填料组分的引入主要在于改善无机防腐涂料的施工性能，从而改善无机防腐涂料的塑性、抗流挂性能，此外无机填料组分对无机防腐涂料的致密性与低收缩变形有改善作用；界面粘结增强组分的引入可有效提升无机涂层材料与地下污水混凝土管道的粘结力；结构疏水组分可在涂层材料中碱激发矿渣反应产物的微孔中形成憎水层，从而有效抑制地下水中侵蚀性介质与硫化还原细菌通过水分进入微孔进行传输；硫化还原细菌抑制组分的加入对硫化还原细菌具有抑制作用。综上所述，硅铝质材料组分上述六种组分及其配比有利于实现污水混凝土管道的有效防护，具有明显的功能区分与耐腐蚀针对性。

本发明的有益效果是：第一，涂覆于污水混凝土管道内表面时，实现混凝土管道在地下污水中抗腐蚀能力的提升；第二，抑制或灭活污水中硫化还原细菌，从源头上提升混凝土管道的耐腐蚀能力。最终，制备适于地下污水混凝土管道防腐蚀的无机防腐涂料。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法，包括如下步骤：

硅铝质材料组分：S95矿渣，69％；

碱性激发剂组分：工业级氢氧化钠，2％；

无机填料：300目滑石粉，5％；400目石灰石粉，15％；

界面粘结增强组分：聚氧化乙烯胶粉，4％；

结构疏水组分：工业级硬脂酸锌，3％；

硫酸盐还原菌抑制组分：硝酸钙，2％；

制备方法：首先，将硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分，按照上述质量百分比称量；其次，将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，再经搅拌均匀后得地下污水混凝土管道用无机防腐涂料。

应用：本发明的地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，采用与15℃水按照无机防腐涂料：水＝1：0.5比例混合即可进行施工。采用刷涂的施工方法，将上述无机防腐涂料分三层涂刷于地下污水混凝土管道内壁，累计涂层厚度达到3±1mm。待每一层表干后方可进行下一层涂刷，涂刷完毕之后须进行10-15天的20℃，90％相对湿度的标准养护可达到最佳的防腐蚀性能。

实施例2

一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法，它包括如下步骤：

硅铝质材料组分：S95矿渣，34％；800目偏高岭土，20％；

碱性激发剂组分：速溶硅酸钾，2％；工业级碳酸钾，2％；

无机填料：300目滑石粉，10％；400目石英粉，15％

界面粘结增强组分：，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯胶粉，8％；

结构疏水组分：工业级脂肪酸铝，5％；

硫酸盐还原菌抑制组分：十二烷基二甲基苄基氯化铵，4％；

制备方法：首先，将硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分，按照上述质量百分比称量；其次，将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，再经搅拌均匀后得地下污水混凝土管道用无机防腐涂料。

应用：本发明的地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，采用与25℃水按照无机防腐涂料：水＝1：0.35比例混合即可进行施工。采用刷涂的施工方法，将上述无机防腐涂料分三层涂刷于地下污水混凝土管道内壁，累计涂层厚度达到3±1mm。待每一层表干后方可进行下一层涂刷，涂刷完毕之后须进行10-15天的20℃，90％相对湿度的标准养护可达到最佳的防腐蚀性能。

实施例3

一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料及其制备方法，它包括如下步骤：

硅铝质材料组分：S95矿渣，26％；II级粉煤灰，16％；

碱性激发剂组分：速溶硅酸钠，2％；工业级碳酸钠，4％；

无机填料：300目滑石粉，10％；200目石英粉，20％

界面粘结增强组分：，丙烯酸酯胶粉，5％；苯乙烯-丁二烯胶粉，5％；

结构疏水组分：聚硅氧烷粉末防水剂，1％；脂肪酸铝，5％

硫酸盐还原菌抑制组分：十二烷基二甲基苄基溴化铵，1％；硝酸钠，5％；

制备方法：首先，将硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分，按照上述质量百分比称量；其次，将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，再经搅拌均匀后得地下污水混凝土管道用无机防腐涂料。

应用：本发明的地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，采用与25℃水按照无机防腐涂料：水＝1：0.2比例混合即可进行施工。采用刷涂的施工方法，将上述无机防腐涂料分三层涂刷于地下污水混凝土管道内壁，累计涂层厚度达到3±1mm。待每一层表干后方可进行下一层涂刷，涂刷完毕之后须进行10-15天的20℃，90％相对湿度的标准养护可达到最佳的防腐蚀性能。

将各实施例制得的地下污水混凝土管道用无机防腐涂料掺入C30混凝土中，通过氯离子抗渗性试验(NTBUILD492,Concrete,mortarandcement-basedrepairmaterials:chloridemigrationcoefficientfromnon-steady-statemigrationexperiments，下同)、抗硫酸盐侵蚀试验(参照GB/T50082-2009,普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，pH值为4，下同)和吸水率试验(ASTMC1585，StandardTestMethodforMeasurementofRateofAbsorptionofWaterbyHydraulic-CementConcretes，下同)，对比市售“Kerneos”(凯洛斯)铝酸盐涂料与北京海岩兴业聚合物水泥防腐砂浆对混凝土性能的影响，结果见表1所示。

表1地下污水混凝土管道用无机防腐涂料对C30混凝土性能的影响

表1中的结果表明：地下污水混凝土管道用无机防腐涂料明显提升了混凝土的抗渗性，实施例1制得的无机聚合物涂料优于北京海岩兴业聚合物水泥防腐砂浆的性能，达到与“Kerneos”(凯洛斯)铝酸盐涂料相当的水平；实施例2和3制得的无机聚合物涂料同时优于北京海岩兴业聚合物水泥防腐砂浆与“Kerneos”(凯洛斯)铝酸盐涂料。

本发明的各原料上下限取值，以及其区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (9)

1.一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，由以下组分按重量百分比组成：

硅铝质材料组分40-70%，

碱性激发剂组分2-6%，

无机填料组分20-30%，

界面粘结增强组分4-10%，

结构疏水组分3-6%，

硫酸盐还原菌抑制组分2-6%。

2.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述硅铝质材料组分为硅酸盐与铝酸盐为主要矿物组成，且在碱性条件下产生凝结与硬化的原材料，由含有矿渣、粉煤灰、偏高岭土中的一种或两种的组合，该硅铝质材料组分需满足如下技术指标：在25℃，65%RH的环境条件下，与相对于上述原材料质量4%的NaOH混合，当水固比为0.5时，3天强度≥30MPa，28天强度≥50MPa。

3.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述碱性激发剂组分为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾中的一种或两种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述无机填料组分为滑石粉、石英粉、石灰石粉的一种或两种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述界面粘结增强组分为最低成膜温度为0-5℃，玻璃化转变温度≤0℃，且在pH≥10溶液环境中可溶解的可再分散聚合物粉末，由聚氧化乙烯胶粉，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯胶粉，丙烯酸酯胶粉、苯乙烯-丁二烯胶粉中一种或两种的组合。

6.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述结构疏水组分为脂肪酸及其衍生物的脂肪酸镁、脂肪酸铝、硬脂酸锌、聚硅氧烷粉末防水剂中一种或两种的组合。

7.根据权利要求1所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料，其特征在于，所述硫酸盐还原菌抑制组分为硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾、硝酸镁、硝酸钡、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵中一种或两种的组合。

8.权利要求1至7任一项所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按照各组分重量含量分别选取硅铝质材料组分、碱性激发剂组分、无机填料组分、界面粘结增强组分、结构疏水组分和硫酸盐还原菌抑制组分；

（2）上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，再经搅拌均匀后得所述地下污水混凝土管道用无机防腐涂料。

9.权利要求1至7任一项所述的一种地下污水混凝土管道用无机防腐涂料的应用方法，其特征在于，所述无机防腐涂料与5至20℃水按1：0.2-0.5的质量比例混合即可进行地下水管道涂层施工。