给排水钢管道水泥砂浆内衬新发展

宋润田

　　【摘要】 本文主要针对给排水管道内壁水泥砂浆衬里新材料、新施工机具的发展及特点进行介绍，力求将这一新技术拓展开来，使其在21世纪发挥更大的作用。
　　【关键词】 管道 砂浆内衬 施工机具 技术拓展

1 概况

　　随着城乡经济飞速发展，特别是大、中城市发展，不仅为房地产业、商业、交通运输业、等行业带来新面貌，更为城市给排水行业带来勃勃生机。首先是大口径、长距输水工程增加。70年代初，我国大、中城市相应铺设较多的给水钢管道，其中大口径钢管占相当比例。当时只是在管道内壁涂刷石油沥青冷底子油做内防腐层，这种防腐层除达不到卫生要求外，也起不到防腐作用，严重影响管道使用寿命，给国家财产造成极大的浪费。北京某给水工程经五年多运行后检查，管道内壁腐蚀最深达3mm。由此可见，管道内壁未采用有效的防腐层或先进的技术措施，既缩短工程使用年限，又影响城市正常供水。
　　给水钢管的内防腐，采用‘水泥砂浆’衬里，其使用寿命长，具有非凡的功能。在欧美等发达国家已有150余年的历史，在上海也有英商80年前安装的管道，经过几十年甚至上百年的使用，至今仍能保持良好的‘新’管输水能力，甚至不亚于新管的输水能力，这不能不说是个奇迹。但是，这种‘水泥砂浆’而不是目前所说的一般水泥砂浆，而正是本文要介绍的改性砂浆和聚合物砂浆。

2 性能与特点

　　解析这些长寿管道，发现在当时外防腐十分简陋，在没有阴极保护的条件下，仍能获得很好的使用效果，这种赋予人类持续长益的现实，已引起国内外专家的关注与研究。这些管道其内衬里质量密实而坚硬，厚度约在10～15mm 左右，施工也非手工操作，经分析认为系改性砂浆、离心机械喷射工艺。从国际交流中获悉，当时用的是火山灰与抗硫水泥，C3A＜6。现代方法是在普通砂浆中，掺入无机活性粉料与外加剂，故称之改性砂浆，若投入水溶性聚合物乳液，则称之为聚合物砂浆。
　　国内给排水行业如上海约在三十年前就开始试验、研究改性砂浆与聚合物砂浆。经过了数十年实践，并总结一些具有拓展性问题：
　　① 给水钢管采用改性砂浆机械喷射工艺，是给排水管道水泥砂浆内衬里质量可靠的保证。
　　② 海水、污水钢管道采用改性砂浆与聚合物砂浆同样可达到百年寿命。这种改性砂浆通过机械能量做出的内衬里，原来作为抗腐蚀为目的，现已成了高强度内胆复合体，使钢管两个最大的弱点转化为优点，即防腐又抗压。在第六届国际改性砂浆与聚合物砂浆交流中同国际友人已达到共识，一致认为是大口径、长距离输水工程首选材料。
　　③ 建立抗腐层。抗腐层表面现象已被水体中酸化物质所穿透、疏化，穿透深度仅1．8～3mm，酸化程度由PH12．5→5．0，从表面看成黑褐色，上面覆盖滑腻物质，往往被人们误解为‘老化’并会影响水质，其实这是一层抗腐层，是自我保护的天然屏障，它的基体石墨化很坚固，再不会被继续穿透。钢管道内壁知所以采用改性砂浆就是要它建立起这种抗腐层，而不发生层层剥落。

3 实施与拓展

　　改性砂浆和聚合物砂浆加之机械喷射工艺，这一新技术已被先睹者所采纳，近廿年已推广到全国各地城市钢管给水工程、污水工程、海水冷却工程以及混凝土的污水管道工程。经过较长时间的应用，如今获得了“一劳永逸”的成效，而且未产生任何不良后果。
　　改性砂浆和聚合物砂浆经北京市权威部门检测有三点较为突出：
　　①无毒，无有害物质浸渍溢出。砂浆层保护了管内壁不锈蚀，使铁细菌无法生成。砂浆层表面细菌不繁殖，有效控制了管道二次污染和可怕的三氯甲烷的发生，有利于人类饮水健康。同时也为食品工业、轻工业等行业产品质量提高打下较好的基础。
　　②抗渗、抗漏、抗爆的安全系数大，社会效益好。
　　③因摩阻系数可＜0．012，使用后由于内衬逐渐生成完好的防腐层，使管道内壁平整、光滑摩阻系数还会继续下降，固随时间延长可相应增加输水量。
　　改性砂浆与聚合物砂浆之所以使用寿命长，其机理在于隔离性的渗透与透气作用：
　　①渗透到管壁上的Ca(0H)₂溶液PH值为12，是保护钢铁，钝化钢铁不受氧化，以及生成白色钝化膜起了作用。
　　②由于它的透气，在管中压力突然发生骤变时，能瞬间释放衬里与管壁之间的能量，从而防止了衬里的崩裂。
　　③在施工中微间隙干缩裂缝，通水后会自动痊合。
　　④小面积漏衬的地方，它在砂浆碱性液保护下不易发生锈蚀与锈垢
　　⑤小口径钢管接口区的空隙，也受到相应的保护。
　　⑥强大拱力作用并富有弹性，经受得起外力，不易发生坍塌、脱落。
　　⑦砂浆与钢铁膨胀系数接近，由温差带来的应力变化趋近于零。
　　⑧它能与侵蚀性不大的水质建立起抗腐层而长期稳定下来。
　　⑨也能同时与侵蚀性较大的海水、污水通过改性砂浆和聚合物砂浆，建立起抗腐层，从而也延长海水、污水管道寿命。
　　近年来改性砂浆与聚合物砂浆的使用获得成功，并有了新的发展，因此在管道内壁防护这一领域，目前其它材料是无法与改性砂浆与聚合物砂浆衬里相比美。
　　大量事实证明，若采用其它产品，其钢管寿命仅为3～5年，最多7～8年而告终，随之将带来锈垢锈蚀危害，管道处于恶性循环与恶性膨胀之中，使社会效益与经济效益极差。世界各国，包括发达国家在内都有惨重的教训。
　　特别是城乡给水处理厂采用三氯化铁与硫酸亚铁做为混凝剂，水质侵蚀性不稳定指数增大，腐蚀结垢速度加快，使更换管道安排已措手不及。
　　鉴于改性砂浆与聚合物砂浆衬里的特点，联合国互助基金会和教科文组织对这项给排水管道内衬新发展评价很高。

4 国内与国际标准及应用

　　关于管道砂浆质量标准规范，发达国家与企业大都制定了标准，美国经过100年的使用实践，于1933年制定AWWA602标准与AWWA205标准适应于埋地管道与车间管道的施工。
　　英国制定BS—534标准分混凝土与砂浆衬里两种，质量要求较高，适用于埋地、露天场地与车间管道的施工。
　　德国制定了DIN2614标准适用于供水、海水、污水。这些标准具有国际权威性。
　　我国于1989年制定了CECS—89：10标准，只适用于埋地。关于车间与露天的施工只做为参考。
　　从这些标准中，我们可以从中了解到，改性砂浆与聚合物砂浆的可行性是与国际技术接轨的重要内容。
　　获得密实型优质砂浆衬里，一是靠改性砂浆配合比，二是要靠机具，使拌料达到砂浆最大塑性。经上海有关部门、国家建材局等，多年研究已开发出第二代喷浆、涂抹、送料一步化机装置。并在大庆、厦门、香港屯门、香港荃弯给排水工程中均获得好评。
上海采用聚合物砂浆，应用于海水，污水管道和混凝土酸池上，加上机械工艺匀获得成功。这告诉了我们改性砂浆与聚合物砂浆，是一门新兴科学，它不仅在钢管上使用，而且也可作为混凝土管的衬里，费用极少效果显著。德国与日本在这方面发展较快，他们已制定了国家级标准。
　　关于衬里工艺问题，前些年争论比较激烈，不少人认为离心机工艺最好，衬里质量密实与光洁，但有分层、厚度不均，只好短管施工。经过长期比较，已被改性砂浆喷射机工艺代替。因为喷射工艺细颗粒射击，排除了空气堆积在管壁上，加上砂浆改性，所以上海自来水公司、上海铸管厂都已改为喷射工艺。如果把二者结合起来，既喷射又离心，可获得高质量。日本久保田曾独占鳌头，我国在苏州也有实践。可以说我国在埋地钢管实施改性砂浆高速喷射工艺，已达道国际先进水平。
　　为促进我国沿海大型企业、发电厂、热电厂以及核电厂的海水冷却系统管道和管网采用聚合物砂浆衬里，以及改性砂浆衬里，应用到海水污水管道、避免采用一般水泥砂浆寿命不长的弯路。因为外商与国内企业人员容易把美国给水工程学会砂浆衬里标准AWWA205和AWWA602，误解为“水工”学会标准，套用到海水管道上应用，殊不知该标准属一般水泥砂浆经不起海水的侵蚀与化学的腐蚀，用不了5～10年的时间被腐蚀破坏。
　　可查证的是1982年颁布的美国石油工业部APIRP－10E标准，该标准只是指出，海水管道必须采用改性砂浆或聚合物砂浆，还有1987年德国标准DIN4030，DIN2614规定了海水管道必须采用聚合物K型砂浆。
　　关于我国目前只有企业标准，国家级、地方级标准暂缺。中国国家级的CECS－10：
　　89标准，明确指出只适用于《生活饮用水卫生标准》(GB5749－85)。
　　关于海水管道，污水管道，工业酸钙盐管道采用聚合物砂浆这一先进技术与工艺，尚需制定国家标准。
　　关于层层剥落理论依据：
　　水泥砂浆的水化石－硅酸三钙，它与水作用
　　2(3CaOSiO₂)＋6H₂O→3Ca(OH)₂生成Ca(OH)₂
　　Ca(OH)₂与海水中的MgCl₂、NaCl起置换反应MgCl₂＋Ca(OH)₂→CaCl₂＋Mg(OH)₂，随着CaCl₂疏松体溶析MgCl₂生成水化石结晶体膨胀，成为松散的沉淀体，会逐渐被水流速冲刷掉，这就是常见的层层剥落原因。
　　25年前，本着这个机理，就上海某厂DN1800的钢管海水输送管道，加入了少量的水溶性聚合物，有效地防止了Ca(OH)₂的析出，阻止海水氯化物、硫酸盐的置换反应。与此同时又掺入微量有机硅增加了砂浆层的透气性与砂浆表面的抗水性。有机硅与聚合物结合，促进了“抗腐层”的建立，保持了原有的新管状态。
　　与此同时，在上述同一根DN1800主管道上的DN900支管，当时采用了一般水泥砂浆衬里，5年后就被瓦解而发生腐蚀渗漏。这一事例与上钢五厂、秦山核电一期相类似。
　　从1994年第六届国际聚合物砂浆与聚合物混凝土交流会了解到，就聚合物砂浆大规模应用到给水管道与海水管道方面，有实际工程例子的、有理论依据的、有实验室配方的很少，所以我国在国际上是处于领先地位的。
　　望改性砂浆与聚合物砂浆以及机械化施工这一成熟科技成果迅速推广应用，不仅能在给水管道使用，而且也可在海水、污水、油田注水、工业酸钙盐等管道上应用。
　　国内运用这一科技成果，已取得成效有：
　　1975年上海某厂海水冷却钢管聚合物砂浆衬里工程。
　　1999年2月某核电海水管道内衬聚合物砂浆衬里工程。
　　1999年5月上海某钢厂长江引水钢管内衬改性砂浆衬里工程。
　　上述工程质量均以受到国内外检测部门的认可。

参考文献
　　[1]美国纽约管道中心衬里公司，埋地管道砂浆衬里技术与工艺，1960
　　[2]加拿大《开利》专业公司，管道砂浆衬里施工方法，1965
　　[3]英国砂浆衬里质量标准规范Bs－534－29，1991
　　[4]德国砂浆衬里质量标准规范DIN－2614、DIN－4030，1994
　　[5] 给排水技术1983－4
　　[6]全国给排水情报网1996－4
　　[7]全国给排水情报网1981