我國城鄉采用的排水工程管材主要是混凝土和鋼筋混凝土管，混凝土中的膠結料是普通硅酸鹽水泥。我國對這種管材的認識尚有差距。用這種管材歷史比較短的地區認為其耐久性較好；應用歷史比較悠久的地區，如上海等地認為水泥混凝土管并不耐久。

上海水泥制管廠（以下簡稱本廠）于1998年～2000年，針對本地區的生產和應用的實際情況開展了這方面的試驗研究。目的是對目前所采用的生產技術措施有一定的理論認識；在現有的基礎上作進一步改進，使混凝土排水管真正成為城鄉建設中一種既經濟耐久、又對環境保護作出一定貢獻的主流管材。

本文首先對于排水（污）管材的使用環境及混凝土受腐蝕情況作一簡單介紹分析；其次，探討混凝土耐腐蝕性的機理及提出改性的措施；然后對試樣進行微觀測試分析（SEM、XRD）及宏觀耐腐蝕試驗，對其結果作出對比分析。最后提出今后對管材生產與應用的有關建議。

1 管材的使用環境及混凝土受腐蝕情況

管材主要用來排放城鄉雨水、工業廢水和生活污水。根據我們前幾年在上海市調查得知，許多工廠如焦化煤氣廠、石油化工廠、啤酒廠、制革廠、染料廠、化工廠、肥皂廠、堿廠、油漆廠、紡織廠等排放的工業廢水中含有一定量的H2SO4、HC1、HNO3、CH3COOH及NaOH等，廢水的pH值大約在3～10范圍內。

城市生活污水中，往往含有硫化氫（H2S），它是由污水中有機物腐爛后產生的，易溶于水而形成弱酸，即硫化氫在混凝土污水管中被水平線以上混凝土的濕氣所吸收，于是氧化形成亞硫酸及硫酸。

上述可知，排水管材所處的使用環境，主要受到酸性介質的腐蝕。由于這種腐蝕，有不少以前建造的排水（污）管道工程需要翻修或更換。

2 提高混凝土的耐久性和耐腐蝕性的途徑探討

眾所周知，普通硅酸鹽水泥混凝土中的主要礦物是C3S、C2S、C3A、C4AF的水化產物和氫氧鈣[Ca(OH)2]及少量的鈣礬石。其中氫氧鈣石約占20%，是最易被侵蝕的組分，它既能被流水浸入所析出，又極易被酸性介質所腐蝕。這樣不僅導致管體混凝土的強度下降，而且會增加、擴展混凝土的原有孔隙、通道，從而也加劇了污水介質對鋼筋的腐蝕。其次，當污水介質pH<6時，上述提及的礦物遲早會被腐蝕破壞。因此，用普通硅酸鹽水泥制造的排水管道其耐久性確實是不夠良好的。

近十多年來，國內外學者對普通混凝土的耐久性、耐腐蝕性和施工性能的研究已發表了很多論文。其中最主要的技術措施是研制不同品種不同功能的外加劑。這樣，混凝土既具有水灰比低、強度高、施工性能良好，而且混凝土體更加密實，不易滲透，從而提高了混凝土的耐久性；其次，在混凝土中，加入礦物質活性摻合料，對普通混凝土進行改性，使其體系內將Ca(OH)2轉化降低到最低程度或完全消除，同時也會使混凝土體系更加致密，使混凝土耐久性得到改善；第三，研制、開發不同于普通混凝土礦物組成的新型膠結料混凝土，這類混凝土中不存在氫氧鈣石，而且其主要礦物結構的耐化學侵蝕性均比較強，從而提高了混凝土的耐久性。例如，筆者研制的粉煤灰渣堿混凝土（簡稱FKJ混凝土）及與本廠共同開發的“FKJ耐腐蝕混凝土排水管”屬于這一類。

我們對普通水泥混凝土排水管也采用同樣技術措施進行改性，即利用高效減水劑、粉煤灰（包括原狀灰和磨細灰）及磨細礦渣粉。下面就對二年來所作的微觀和宏觀試驗研究進行分析。

3 混凝土改性的微觀試驗分析

從前面介紹可知，普通混凝土中的Ca(OH)2是最為不利的組分，必須設法將Ca(OH)2轉化成其它礦物成分，以保證上述使用環境中管子的穩定性和耐久性。粉煤灰、磨細礦渣粉、硅灰均有這方面的功能。由于硅灰資源較少，價格昂貴，本研究不考慮。

3.1 樣品的種類和試驗方法

3.1.1 1號樣品

425#礦渣水泥中加入原狀粉煤灰（其細度約為0.08mm篩余32%，CaO含量小于5%，SiO2含量大于45%），水膠比0.30，基本上符合本廠生產的擠壓法管、懸輥法管的管子中的膠結料配方。

3.1.2 2號樣品

525#普硅水泥中加入磨細礦渣（K50礦粉），礦粉的細度為0.08mm篩余2.5%。堿度系數為1.60，SiO2含量約40%，CaO含量約50%，水膠比0.30，作為離心工藝管混凝土改性的第一個方案。

3.1.3 3號樣品

525#普硅水泥中同時加入K50礦粉及磨細粉煤灰（閔行Ⅱ級磨細灰，其篩余為6%，CaO含量小于5%，SiO2含量大于45%），水膠比0.30，作為離心管混凝土改性的第二個方案。

3.1.4 4號樣品

525#普硅水泥中加入高鈣粉煤灰（吳涇電廠出品的神木東勝優質灰，細度為0.08mm篩余8%，CaO含量約18.5%，SiO2含量約43%），水膠比0.30，作為離心管混凝土改性的第三個方案。

制作樣品的凈漿試件成型后，靜停一天，再在95℃溫度下蒸汽養護（1+6+1小時），爾后入水養護一個星期。樣品于1998年10月分別作SEM（掃描電鏡）及XRD（X-衍射）測試分析。

3.2 測試結果及其分析

1、2、3、4號樣品的XRD測試結果分別示于圖1、表1；圖2、表2；圖3、表3；圖4、表4中。四個樣品的SEM晶形照片分別示于圖5、圖6、圖7、圖8。

3.2.1 從1號樣品的XRD及SEM測定結果可以看出，體系內的氫氧鈣石已完全轉化成水化硅酸鈣即：Ca(OH)2 +SiO2→nCaO·mSiO2·xH2O。變成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型C—S—H。因為氫氧鈣石的結晶形態為六方板狀結晶形貌，筆者在測定觀察過程中，仔細地從各個層面去查找這一礦相晶形，始終未找到，故從圖5的結晶形貌中確定未反映出來，XRD衍射譜線上記錄的數據也沒有該礦相的特征值。

另一方面，由于1號樣品加入的是原狀粉煤灰，該灰的組分中有較多的Al2O3（約占30%左右），因此氫氧鈣石也能與Al2O3在熱處理過程中，生成一部分水化鋁酸鈣鹽類。綜上所述，為了驗證理論性的微觀分析，故從 1998年年底開始進行宏觀的耐腐蝕性試驗。

圖1 1號樣品（425#礦渣水泥+原狀粉煤灰）的SEM晶乳


圖2 2號樣品（525#普硅水泥+磨細礦粉）的SEM晶乳


圖3 3號樣品（525#普硅水泥+磨細礦粉+磨細粉煤灰）SEM晶乳


圖4 4號樣品（525#普硅水泥+高鈣粉煤灰）的SEM晶乳

4 混凝土改性的宏觀試驗分析

4.1 試驗方案

按照上述管材的使用環境及混凝土受腐蝕情況，本試驗采用混合酸，即（H2SO4+HCl+HNO3）作為侵蝕介質， 酸度控制在pH=3～5；另外，考慮到普通硅酸鹽水泥混凝土耐硫酸鹽性能相對比較差。本試驗方案同時并行采用Na2SO4溶液作為侵蝕介質，侵蝕液的濃度控制在5%，pH=8左右。

試件分四種類型：第Ⅰ類試件，在425#礦渣硅酸鹽水泥中加入原狀粉煤灰；第Ⅱ類試件，在525#普硅水泥中加入磨細粉煤灰及磨細礦粉（K50）；第Ⅲ類試件，采用525#普硅水泥，不加入摻合料。這三類試件均制作7.07cm×7.07cm×7.07cm混凝土試體。第Ⅳ類試件為FKJ混凝土試體，目的是趁這次試驗的機會，重復驗證其耐腐蝕性能，其試體尺寸為10cm×10cm×10cm。

各類試件于1998年12月中旬分別置于前述兩種侵蝕液內，定期檢查其侵蝕液的pH值范圍，不符合設計值時， 需作及時調整。各類對比試體均置于本廠試驗室的標養室內。

4.2 試驗結果及其分析

耐腐蝕試驗結果列于表1中。從表中數值可以看出下列情況：首先，經過腐蝕半年的時間后，各類試件與對比試件比較，基本一致，未發生變化。其次，經過一年半后，情況就有了明顯變化，第Ⅲ類試件，即未加入摻合料（未改性）的試件與對比試件比較，在混合酸液中，強度明顯下降，耐蝕系數只有0.75；其試件表面被腐蝕，粘附了較多的腐蝕產物，應判為不合格；但在Na2SO4侵蝕溶液內，雖然試體表面棱邊有細長微裂紋，但其強度仍與對比試件相當。第三，經過改性的第Ⅰ及第Ⅱ類試件，一年半后，其耐混合酸的腐蝕系數仍然較高，處于0.95左右（強度略有上、下波動，是試體本身勻質程度所致）；試體外觀均良好，其耐硫酸鹽的性能也良好。第四，FKJ混凝土試體，無論在混合酸及Na2SO4溶液內，經一年半后，其耐蝕性十分良好，再次得到了驗證。 第五，宏觀試驗結果有力地說明了微觀試驗所作出的改性原理。即在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ類試體中，體系內經過改性后，已基本上不存在氫氧鈣石[Ca(OH)2]，故其耐混合酸等的腐蝕性有了明顯提高。

表1 改性后的普通混凝土及FKJ混凝土的耐腐蝕試驗結果

4.3 有關問題分析和探討

4.3.1 通過上述試驗，筆者認為將氫氧鈣石轉化成不同變體的水化硅酸鈣時，低鈣粉煤灰要比高鈣灰好；它也比磨細礦渣粉有效，但為考慮到礦粉的強度效應高，低鈣灰宜與之混合使用。

4.3.2 一般說來，當侵蝕介質的pH值<6時，混凝土體內的氫氧鈣石，在混合酸液內，受腐蝕的化學反應為：Ca(OH)2+2HCl（H2SO4、2HNO3）→CaCl2[CaSO4，Ca(NO3)2]+2H2O。故在pH=3～5時，第Ⅲ類試件（未改性）表面受腐蝕較嚴重，并粘附較多的腐蝕產物；然而經過改性處理的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ類試件外觀良好，表面光潔如初，幾乎沒有受到腐蝕。其原因主要是因為氫氧鈣石的晶格能比其它水泥礦物的晶格能低得多之故，礦物晶格能的高低，會直接影響到其抗腐蝕的能力。

當混合酸液的pH值降低到2時，根據筆者的以前試驗結果[3]，普通水泥石礦物均受到腐蝕，而FKJ膠結料的主要礦物（沸石類的水化硅鋁酸鹽類）未受到腐蝕，這也是由于FKJ的主要礦物的晶格能比普通水泥石礦物要高得多所致。如混合酸液的濃度超過5%時，其H+濃度就非常高，腐蝕破壞烈度相當大，試驗表明，FKJ試體也會受到腐蝕，導致不合格。

因此，筆者認為，應該根據排水管的使用環境條件，來選擇設計不同組成的混凝土進行制管，確保其應用的耐久性和可靠性。

5 對管材生產和應用的一點建議

筆者在參考文獻[1] 一文中指出認為：不僅現在，乃至于將來（二十一世紀）用于排水工程中的管材主要是混凝土和鋼筋混凝土管。不過，制管用的混凝土建議不要沿用以前老方法制備了，必須進行改性。

目前，混凝土管材的設計強度等級一般為C30、C40，根據排水（污）管材的使用環境和耐磨要求，筆者認為需再普遍提高一個等級，建議為C40、C50，要求比較高的特殊工程，可考慮特種高性能混凝土（如聚合物水泥混凝土、FKJ混凝土等）。

如果排水（污）工程的污水介質之pH值不低于5，建議可以不必在管內壁制作防腐涂層，只要管材混凝土經過改性就能滿足要求了。

6 結語

為提高普通混凝土排水管的耐久性及耐化學腐蝕性，需要對常規普通混凝土進行改性。本試驗研究表明：在425#礦渣硅酸鹽水泥中摻加原狀粉煤灰；在525#普硅水泥中摻加磨細粉煤灰及磨細礦粉就能使該系統中氫氧鈣石得到基本上轉化。并能在pH=3～5的（H2SO4+HCl+HNO3）混合酸液中經一年半腐蝕后，其耐蝕系數仍然保持在0.95左右，明顯增強了它們的耐久性及耐化學腐蝕性。建議今后排水（污）工程管材混凝土的制備不要沿用老方法（即單一采用普通水泥），應該根據本地區的實際情況，因地制宜地研究將它們改性。