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孙跃平:混凝土排水管道破损的原理分析及其修复对策

【概要描述】摘要:随着国家对水环境保护的重视,排水管道的建设总量不断增加,一部分管道设施开始进入老龄化,需要进行及时的养护和修复。本文从物理学、生物化学原理的角度,介绍不为人眼所见的混凝土排水管道的破损原理,提出了预防管道破损的措施以及修复的对策。关键词:排水管道破损原理局部修复整体修复资产管理一.前言  伴随着城市交通设施——道路、桥梁以及地下轨道交通等的建设,用于保护公共水域水质和城市公共环境的排水设施,近年也有了很大的发展,排水管道的建设总量也逐年增加。目前,一部分排水管道设施开始进入老龄化,需要进行必要的养护和修复。如何及时发现发生在排水管道的破损现象,并采取有效的措施进行及时修复,是摆在我们面前的一大课题。  本文从物理学、生物化学原理的角度,阐述不为人眼所见的埋设于地下的混凝土排水管道的破损原理,提出预防管道破损的措施以及修复的对策。二.钢筋混凝土排水管道破损的原理分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的耐荷载能力和耐腐蚀性能,其使用寿命也很长,在较好的使用环境下可以达到50-100年,因此在市政排水管道的施工建设中,一直作为首选被广泛使用。但是,最近的科学研究发现,伴随着人类生活习惯和饮食结构的不断改变,大都市局部地区的污水中有机物含量增加,以及污水排水方式和排水设施构造不合理的原因,产生的有害气体使得管道出现混凝土被腐蚀和中性化的现象。另外,由于管道埋设时施工质量的问题及运输车辆重型化等的原因,对钢筋混凝土排水管道造成损伤的现象增多,需要采取必要的措施来减少这种现象的发生。2.1生物化学原因对管道腐蚀的分析  生活污水中含有大量的有机物质,这些有机物在污水输送的过程中,会受到厌氧细菌的作用,出现腐化现象而发出臭味。同时,会对排水管道和污水处理设施产生腐蚀。我们在进行排水管道养护工作中,经常嗅到的类似臭鸡蛋味道的物质是硫化氢,该物质在污水流动过程中,或者经过搅拌,即会挥发到空气中去,对管道产生危害。  排水管道受腐蚀的主要原因是硫化氢,其过程可以分为如下几个阶段。  第一阶段:好氧状态下的污水通过硫酸盐还原细菌的作用,将污水以及污泥中的硫酸盐生成硫化氢并挥发到空气中,其主要分子式如下:  SO42-+C+H20→HCO3-+H2S↑  第二阶段:通过硫磺细菌的作用,硫化氢和空气的接触过程中,生成对混凝土表面有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸等,其主要分子式如下:  2H2S+O2→SO32-→SO42-+H20→H2SO4  第三阶段:硫酸分子溶解于因为温差而凝结在管道顶部的水滴中,与混凝土的主要成分进行化学反应,使得混凝土管道表面形成豆腐渣一样的水石膏层等物质,其主要分子式如下:  H2SO4+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O(二水石膏)  通过上述的几个阶段,原本属于碱性的混凝土管道的表面,由于受到酸性物质的影响,混凝土从碱性被逐渐中性化。伴随着这种现象的加剧,会出现管道表面粗糙,混凝土内的石子逐渐表露,严重时会出现钢筋外露等现象,从而使管道的承载能力下降,影响到管道的正常使用。  混凝土管道表面受腐蚀的原理见图-1所示。 图-1混凝土管道表面腐蚀的原理图 2.2外界的物理原因对管道损坏的情况分析  地下管道在建设和使用的过程中,管道本体会受到各种外来的载荷而被损坏。同时,管道和管道的连接处由于施工质量,地面车辆的震动以及联结处水封橡胶圈老化变形等,也会发生问题,引起排水管道出现严重的功能性问题。  这里,就由于外界的物理原因对管道损坏的现象分二种情况进行说明,指出发生的原因以及预防的措施。  (1)管体结构受到损坏的分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,并具有一定的弹性。但是,当受到外界载荷尤其是冲击载荷的作用,管道的变性超过其允许的范围时,管道会发生破损现象,一般会在管道的顶部,底部以及左右两侧出现裂纹。  对于出现裂纹的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道破损,引起路面的坍塌。具体的变化如图-2所示。  第一阶段:管道出现轻度裂缝,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。  第二阶段:由于管道两侧的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,管道裂缝加剧,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。  第三阶段:伴随着管道上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管道被严重损坏。此时路面会出现坍塌现象。  如上所述,对于在电视检测中发现已经出现裂缝的排水管道,需要及时地采取必要的修理措施,及时阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的,把问题解决在摇篮之中。  (2)管道体系受到损坏的分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,但是,当两节管道的连接处受到外力的作用而受到损坏,或接口处的止水橡胶圈出现质量问题及老化时,整个管道系统会受到严重影响,最终会造成整个管道体系严重破损的现象。  对于出现管接口破损的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道体系的破损,引起路面的坍塌。  具体的变化如图-3所示。  第一阶段:管道接口出现轻度渗水,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。  第二阶段:由于管道接口处的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,出现管体位移,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。  第三阶段:伴随着管体上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管体位移加剧。此时路面会出现坍塌现象。  如上所述,对于在电视检测中发现接口处已经出现渗漏的排水管道,需要及时的采取必要的修理措施,以阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的。三.排水管道的非开挖修复方法  为了及时修复损坏的排水管道,确保污水排放以及道路的交通安全,需要采用合理有效地修复方法,对排水管道进行及时修复。根据管道的损坏情况以及管道的重要性,目前的使用年数等各种情况进行综合分析,制定出经济合理的修复方案是十分必要的。从目前所开发并已经被采用的技术来看,可以分为管道整体修复技术和点状修复二大类。从上述分析可以看到,对由于生物化学原因造成严重腐蚀的管道,可以采用整体修复,而对于管道接口处有初期破损的管道,则可以采用局部修复技术对管道及进行修复。3.1管道整体修复技术  整体修复通常是指对两座检查井之间的管道进行整体加固、修复的做法。采用整体修复可以达到防腐、防渗、增加结构强度的目的。整体修复是管道非开挖修复的主流,而应用最多的整体修复方法是在旧管道内加装一道内衬管。  按修复后管道内的内衬管和原有旧管之间的结构不同进行分类,可以分为自立管、复合管、双层构造管的三个种类。具体的分类如图-4所示。  (1)自立管:不考虑旧管的强度,内衬管自身可以承受外部的压力,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。是按开槽埋管时管道所承受的载荷来进行内衬管结构设计的管道。  (2)复合管:内衬管和旧管形成一体后共同承受外部的载荷,两者合成一体后具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。这种管道需要在旧管和内衬管之间的缝隙内注浆,以达到复合的目的。  (3)双层构造管:考虑旧管可以承受外部荷载,地下水压的载荷由内衬管承担。旧管和内衬管以双层构造的方式共同承受外部的载荷,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能,这样的内衬管比较薄,具有很好的经济性和施工性。  参考国外管道非开挖修复的统计资料得到,目前使用最为广泛的是翻转法内衬技术和UV紫外光固化内衬修复技术,又称原位固化CIPP(CuredInPlacePipe)内衬技术。其主要的技术原理和特点如下说明。 图-4管道修复技术的分类图 3.1.1翻转法原位固化内衬技术  翻转法即把灌浸有热硬化性树脂的软管材料运到工地现场,利用水和空气的压力把材料翻转送至管道并使其紧贴于管道内壁,通过热水,蒸气,喷淋或紫外线加热的方法使树脂材料固化,在旧管内形成一根高强度的内衬树脂新管的方法。  由于翻转的动力是空气和水,只要材料加工上没有问题,一次施工的距离可以非常长。据资料记载,在日本北海道的工地上有过对φ600mm的污水管道一次性施工长度为500m的记录。在世界上具有代表性的翻转法技术为Insituform工法,还有一些在该工法的基础上进行改良的技术,如德国的InPipe工法,日本的Turnyoung工法,ICPBreathe工法等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。翻转法原位固化法内衬技术的示意如图-5所示。图-5CIPP翻转内衬法的示意图   翻转法技术在大中小口径(φ250mm~φ1800mm)管道的修复上得到广泛的应用,其特点如下:  (1)施工时间短:內衬材料在工厂加工后运至工地,现场的施工从准备,翻转,加热,固化一般只需约8个小时,可以十分方便地解决施工时的临时排水问题。  (2)设备占地面积小:CIPP施工法只需小型的锅炉和热水循环泵等设备,施工时占用道路面积小(在检查井边的位置,宽约2.5m,长约15m),噪音低,对道路交通造成的影响不大。  (3)内衬管耐久实用:内衬材具有耐腐蚀,耐磨损的优点,材料强度大,耐久性根据设计要求最大可达50年,对管的地下水渗入问题彻底解决,一劳永逸。管的断面积损失小,表面光滑,水流摩擦下降(摩擦系数由0.013降为0.010),提高了管道的流量能力。  (4)保护环境,节省资源:不开挖路面,不产生垃圾,不堵塞交通,使管道修复施工的形象大为改观。总体的社会效益和经济效益较好。  由于该技术具有良好的施工性和较高的社会和经济效益,在发达国家被广泛采用,据不完全统计,每年世界上有1000公里以上的各类管道,采用翻转法原位固化内衬技术进行修复。 图-6CIPP翻转法内衬法修复前后示意图 3.1.2紫外光原位固化内衬技术  CIPP紫外光固化法非开挖修复工艺来源于德国,目前在世界各地得到广泛使用,作为CIPP非开挖修复技术的一种,它采用拉入的方式把浸渍光敏树脂的玻璃纤维软管置入待修的旧管道中,用气压臌胀,紫外光照射使内衬软管固化。相比翻转式热水固化,省去了搭架、翻转、用水等环节,实现环保、节约、低成本的优越性,此工艺在欧美国家,已得到广大客户的认可和使用。紫外光原位固化法内衬技术工艺流程如下所示。    紫外光原位固化法内衬技术的示意如图-7所示。目前在德国主要的紫外线光固化技术有瑞莱技术(RelineAlphaLiner),萨泰克斯技术(SAERTEXLiner)和英普雷格技术(IMPREGLiner)等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。德国主要CIPP原位固化法内衬技术质量检测结果表如表-1所示。 图-7紫外光原位固化法内衬技术示意图 表-1德国原位固化法质量检测表   虽然紫外光固化技术在欧美发达国家已经非常成熟,但在国内排水管道修复中的应用还刚起步,相关的工程设计、施工规范和工程质量验收标准等其它环节也比较欠缺。需要专业人员进一步研究并完善适应国内管道修复的标准和规范,使本技术的应用更加规范化、标准化、科学化。  其次,对于紫外光固化这项技术来说,现场操作人员的技术水平直接影响管道的施工质量。他们的技术水平高低,对施工设备的有效运行、施工流程的有序进行,施工工艺的准确执行都将产生直接关系到内衬管道的质量。由于目前国内技术工人的水平良莠不齐,特别是对新技术新工艺的掌握不够透彻,需要相关部门开展紫外光固化施工技术培训,使之能够熟练掌握光固化施工技术,保证内衬修复施工质量,使光固化修复技术能够快速推广。  紫外光原位固化法内衬技术修复前后的示意如图-8所示。 图-8CIPP紫外光固化法修复示意图 3.2管道局部修复技术  局部修复也称为点状修复,通常指只对管道接口等损坏点进行防渗堵漏修理的一种做法。如果两座检查井之间的管道只有少量接口损坏并且管材结构完好,对这类管道采用点状修理显然有其合理性。点状修理的特点是针对性强,哪里坏就修哪里,这样就可以降低修理费用。  局部修复的缺点是无法提高管道的整体结构强度。有些方法(如嵌补注浆法)的质量稳定性较差,施工操作费工费时。有些方法(指套环法

孙跃平:混凝土排水管道破损的原理分析及其修复对策

【概要描述】摘要:随着国家对水环境保护的重视,排水管道的建设总量不断增加,一部分管道设施开始进入老龄化,需要进行及时的养护和修复。本文从物理学、生物化学原理的角度,介绍不为人眼所见的混凝土排水管道的破损原理,提出了预防管道破损的措施以及修复的对策。关键词:排水管道破损原理局部修复整体修复资产管理一.前言  伴随着城市交通设施——道路、桥梁以及地下轨道交通等的建设,用于保护公共水域水质和城市公共环境的排水设施,近年也有了很大的发展,排水管道的建设总量也逐年增加。目前,一部分排水管道设施开始进入老龄化,需要进行必要的养护和修复。如何及时发现发生在排水管道的破损现象,并采取有效的措施进行及时修复,是摆在我们面前的一大课题。  本文从物理学、生物化学原理的角度,阐述不为人眼所见的埋设于地下的混凝土排水管道的破损原理,提出预防管道破损的措施以及修复的对策。二.钢筋混凝土排水管道破损的原理分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的耐荷载能力和耐腐蚀性能,其使用寿命也很长,在较好的使用环境下可以达到50-100年,因此在市政排水管道的施工建设中,一直作为首选被广泛使用。但是,最近的科学研究发现,伴随着人类生活习惯和饮食结构的不断改变,大都市局部地区的污水中有机物含量增加,以及污水排水方式和排水设施构造不合理的原因,产生的有害气体使得管道出现混凝土被腐蚀和中性化的现象。另外,由于管道埋设时施工质量的问题及运输车辆重型化等的原因,对钢筋混凝土排水管道造成损伤的现象增多,需要采取必要的措施来减少这种现象的发生。2.1生物化学原因对管道腐蚀的分析  生活污水中含有大量的有机物质,这些有机物在污水输送的过程中,会受到厌氧细菌的作用,出现腐化现象而发出臭味。同时,会对排水管道和污水处理设施产生腐蚀。我们在进行排水管道养护工作中,经常嗅到的类似臭鸡蛋味道的物质是硫化氢,该物质在污水流动过程中,或者经过搅拌,即会挥发到空气中去,对管道产生危害。  排水管道受腐蚀的主要原因是硫化氢,其过程可以分为如下几个阶段。  第一阶段:好氧状态下的污水通过硫酸盐还原细菌的作用,将污水以及污泥中的硫酸盐生成硫化氢并挥发到空气中,其主要分子式如下:  SO42-+C+H20→HCO3-+H2S↑  第二阶段:通过硫磺细菌的作用,硫化氢和空气的接触过程中,生成对混凝土表面有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸等,其主要分子式如下:  2H2S+O2→SO32-→SO42-+H20→H2SO4  第三阶段:硫酸分子溶解于因为温差而凝结在管道顶部的水滴中,与混凝土的主要成分进行化学反应,使得混凝土管道表面形成豆腐渣一样的水石膏层等物质,其主要分子式如下:  H2SO4+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O(二水石膏)  通过上述的几个阶段,原本属于碱性的混凝土管道的表面,由于受到酸性物质的影响,混凝土从碱性被逐渐中性化。伴随着这种现象的加剧,会出现管道表面粗糙,混凝土内的石子逐渐表露,严重时会出现钢筋外露等现象,从而使管道的承载能力下降,影响到管道的正常使用。  混凝土管道表面受腐蚀的原理见图-1所示。 图-1混凝土管道表面腐蚀的原理图 2.2外界的物理原因对管道损坏的情况分析  地下管道在建设和使用的过程中,管道本体会受到各种外来的载荷而被损坏。同时,管道和管道的连接处由于施工质量,地面车辆的震动以及联结处水封橡胶圈老化变形等,也会发生问题,引起排水管道出现严重的功能性问题。  这里,就由于外界的物理原因对管道损坏的现象分二种情况进行说明,指出发生的原因以及预防的措施。  (1)管体结构受到损坏的分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,并具有一定的弹性。但是,当受到外界载荷尤其是冲击载荷的作用,管道的变性超过其允许的范围时,管道会发生破损现象,一般会在管道的顶部,底部以及左右两侧出现裂纹。  对于出现裂纹的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道破损,引起路面的坍塌。具体的变化如图-2所示。  第一阶段:管道出现轻度裂缝,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。  第二阶段:由于管道两侧的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,管道裂缝加剧,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。  第三阶段:伴随着管道上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管道被严重损坏。此时路面会出现坍塌现象。  如上所述,对于在电视检测中发现已经出现裂缝的排水管道,需要及时地采取必要的修理措施,及时阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的,把问题解决在摇篮之中。  (2)管道体系受到损坏的分析  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,但是,当两节管道的连接处受到外力的作用而受到损坏,或接口处的止水橡胶圈出现质量问题及老化时,整个管道系统会受到严重影响,最终会造成整个管道体系严重破损的现象。  对于出现管接口破损的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道体系的破损,引起路面的坍塌。  具体的变化如图-3所示。  第一阶段:管道接口出现轻度渗水,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。  第二阶段:由于管道接口处的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,出现管体位移,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。  第三阶段:伴随着管体上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管体位移加剧。此时路面会出现坍塌现象。  如上所述,对于在电视检测中发现接口处已经出现渗漏的排水管道,需要及时的采取必要的修理措施,以阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的。三.排水管道的非开挖修复方法  为了及时修复损坏的排水管道,确保污水排放以及道路的交通安全,需要采用合理有效地修复方法,对排水管道进行及时修复。根据管道的损坏情况以及管道的重要性,目前的使用年数等各种情况进行综合分析,制定出经济合理的修复方案是十分必要的。从目前所开发并已经被采用的技术来看,可以分为管道整体修复技术和点状修复二大类。从上述分析可以看到,对由于生物化学原因造成严重腐蚀的管道,可以采用整体修复,而对于管道接口处有初期破损的管道,则可以采用局部修复技术对管道及进行修复。3.1管道整体修复技术  整体修复通常是指对两座检查井之间的管道进行整体加固、修复的做法。采用整体修复可以达到防腐、防渗、增加结构强度的目的。整体修复是管道非开挖修复的主流,而应用最多的整体修复方法是在旧管道内加装一道内衬管。  按修复后管道内的内衬管和原有旧管之间的结构不同进行分类,可以分为自立管、复合管、双层构造管的三个种类。具体的分类如图-4所示。  (1)自立管:不考虑旧管的强度,内衬管自身可以承受外部的压力,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。是按开槽埋管时管道所承受的载荷来进行内衬管结构设计的管道。  (2)复合管:内衬管和旧管形成一体后共同承受外部的载荷,两者合成一体后具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。这种管道需要在旧管和内衬管之间的缝隙内注浆,以达到复合的目的。  (3)双层构造管:考虑旧管可以承受外部荷载,地下水压的载荷由内衬管承担。旧管和内衬管以双层构造的方式共同承受外部的载荷,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能,这样的内衬管比较薄,具有很好的经济性和施工性。  参考国外管道非开挖修复的统计资料得到,目前使用最为广泛的是翻转法内衬技术和UV紫外光固化内衬修复技术,又称原位固化CIPP(CuredInPlacePipe)内衬技术。其主要的技术原理和特点如下说明。 图-4管道修复技术的分类图 3.1.1翻转法原位固化内衬技术  翻转法即把灌浸有热硬化性树脂的软管材料运到工地现场,利用水和空气的压力把材料翻转送至管道并使其紧贴于管道内壁,通过热水,蒸气,喷淋或紫外线加热的方法使树脂材料固化,在旧管内形成一根高强度的内衬树脂新管的方法。  由于翻转的动力是空气和水,只要材料加工上没有问题,一次施工的距离可以非常长。据资料记载,在日本北海道的工地上有过对φ600mm的污水管道一次性施工长度为500m的记录。在世界上具有代表性的翻转法技术为Insituform工法,还有一些在该工法的基础上进行改良的技术,如德国的InPipe工法,日本的Turnyoung工法,ICPBreathe工法等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。翻转法原位固化法内衬技术的示意如图-5所示。图-5CIPP翻转内衬法的示意图   翻转法技术在大中小口径(φ250mm~φ1800mm)管道的修复上得到广泛的应用,其特点如下:  (1)施工时间短:內衬材料在工厂加工后运至工地,现场的施工从准备,翻转,加热,固化一般只需约8个小时,可以十分方便地解决施工时的临时排水问题。  (2)设备占地面积小:CIPP施工法只需小型的锅炉和热水循环泵等设备,施工时占用道路面积小(在检查井边的位置,宽约2.5m,长约15m),噪音低,对道路交通造成的影响不大。  (3)内衬管耐久实用:内衬材具有耐腐蚀,耐磨损的优点,材料强度大,耐久性根据设计要求最大可达50年,对管的地下水渗入问题彻底解决,一劳永逸。管的断面积损失小,表面光滑,水流摩擦下降(摩擦系数由0.013降为0.010),提高了管道的流量能力。  (4)保护环境,节省资源:不开挖路面,不产生垃圾,不堵塞交通,使管道修复施工的形象大为改观。总体的社会效益和经济效益较好。  由于该技术具有良好的施工性和较高的社会和经济效益,在发达国家被广泛采用,据不完全统计,每年世界上有1000公里以上的各类管道,采用翻转法原位固化内衬技术进行修复。 图-6CIPP翻转法内衬法修复前后示意图 3.1.2紫外光原位固化内衬技术  CIPP紫外光固化法非开挖修复工艺来源于德国,目前在世界各地得到广泛使用,作为CIPP非开挖修复技术的一种,它采用拉入的方式把浸渍光敏树脂的玻璃纤维软管置入待修的旧管道中,用气压臌胀,紫外光照射使内衬软管固化。相比翻转式热水固化,省去了搭架、翻转、用水等环节,实现环保、节约、低成本的优越性,此工艺在欧美国家,已得到广大客户的认可和使用。紫外光原位固化法内衬技术工艺流程如下所示。    紫外光原位固化法内衬技术的示意如图-7所示。目前在德国主要的紫外线光固化技术有瑞莱技术(RelineAlphaLiner),萨泰克斯技术(SAERTEXLiner)和英普雷格技术(IMPREGLiner)等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。德国主要CIPP原位固化法内衬技术质量检测结果表如表-1所示。 图-7紫外光原位固化法内衬技术示意图 表-1德国原位固化法质量检测表   虽然紫外光固化技术在欧美发达国家已经非常成熟,但在国内排水管道修复中的应用还刚起步,相关的工程设计、施工规范和工程质量验收标准等其它环节也比较欠缺。需要专业人员进一步研究并完善适应国内管道修复的标准和规范,使本技术的应用更加规范化、标准化、科学化。  其次,对于紫外光固化这项技术来说,现场操作人员的技术水平直接影响管道的施工质量。他们的技术水平高低,对施工设备的有效运行、施工流程的有序进行,施工工艺的准确执行都将产生直接关系到内衬管道的质量。由于目前国内技术工人的水平良莠不齐,特别是对新技术新工艺的掌握不够透彻,需要相关部门开展紫外光固化施工技术培训,使之能够熟练掌握光固化施工技术,保证内衬修复施工质量,使光固化修复技术能够快速推广。  紫外光原位固化法内衬技术修复前后的示意如图-8所示。 图-8CIPP紫外光固化法修复示意图 3.2管道局部修复技术  局部修复也称为点状修复,通常指只对管道接口等损坏点进行防渗堵漏修理的一种做法。如果两座检查井之间的管道只有少量接口损坏并且管材结构完好,对这类管道采用点状修理显然有其合理性。点状修理的特点是针对性强,哪里坏就修哪里,这样就可以降低修理费用。  局部修复的缺点是无法提高管道的整体结构强度。有些方法(如嵌补注浆法)的质量稳定性较差,施工操作费工费时。有些方法(指套环法

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摘要:随着国家对水环境保护的重视,排水管道的建设总量不断增加,一部分管道设施开始进入老龄化,需要进行及时的养护和修复。本文从物理学、生物化学原理的角度,介绍不为人眼所见的混凝土排水管道的破损原理,提出了预防管道破损的措施以及修复的对策。

关键词:排水管道 破损原理 局部修复 整体修复 资产管理

一.前言

  伴随着城市交通设施——道路、桥梁以及地下轨道交通等的建设,用于保护公共水域水质和城市公共环境的排水设施,近年也有了很大的发展,排水管道的建设总量也逐年增加。目前,一部分排水管道设施开始进入老龄化,需要进行必要的养护和修复。如何及时发现发生在排水管道的破损现象,并采取有效的措施进行及时修复,是摆在我们面前的一大课题。

  本文从物理学、生物化学原理的角度,阐述不为人眼所见的埋设于地下的混凝土排水管道的破损原理,提出预防管道破损的措施以及修复的对策。

二.钢筋混凝土排水管道破损的原理分析

  钢筋混凝土排水管道具有很好的耐荷载能力和耐腐蚀性能,其使用寿命也很长,在较好的使用环境下可以达到50-100年,因此在市政排水管道的施工建设中,一直作为首选被广泛使用。但是,最近的科学研究发现,伴随着人类生活习惯和饮食结构的不断改变,大都市局部地区的污水中有机物含量增加,以及污水排水方式和排水设施构造不合理的原因,产生的有害气体使得管道出现混凝土被腐蚀和中性化的现象。另外,由于管道埋设时施工质量的问题及运输车辆重型化等的原因,对钢筋混凝土排水管道造成损伤的现象增多,需要采取必要的措施来减少这种现象的发生。

2.1 生物化学原因对管道腐蚀的分析

  生活污水中含有大量的有机物质,这些有机物在污水输送的过程中,会受到厌氧细菌的作用,出现腐化现象而发出臭味。同时,会对排水管道和污水处理设施产生腐蚀。我们在进行排水管道养护工作中,经常嗅到的类似臭鸡蛋味道的物质是硫化氢,该物质在污水流动过程中,或者经过搅拌,即会挥发到空气中去,对管道产生危害。

  排水管道受腐蚀的主要原因是硫化氢,其过程可以分为如下几个阶段。

  第一阶段:好氧状态下的污水通过硫酸盐还原细菌的作用,将污水以及污泥中的硫酸盐生成硫化氢并挥发到空气中,其主要分子式如下:
  SO4 2-+ C + H20 → HCO3 - + H2S↑

  第二阶段:通过硫磺细菌的作用,硫化氢和空气的接触过程中,生成对混凝土表面有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸等,其主要分子式如下:
  2H2S + O2 → SO3 2- → SO4 2-+ H20 → H2SO4

  第三阶段:硫酸分子溶解于因为温差而凝结在管道顶部的水滴中,与混凝土的主要成分进行化学反应,使得混凝土管道表面形成豆腐渣一样的水石膏层等物质,其主要分子式如下:
  H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4·2H2O(二水石膏)

  通过上述的几个阶段,原本属于碱性的混凝土管道的表面,由于受到酸性物质的影响,混凝土从碱性被逐渐中性化。伴随着这种现象的加剧,会出现管道表面粗糙,混凝土内的石子逐渐表露,严重时会出现钢筋外露等现象,从而使管道的承载能力下降,影响到管道的正常使用。

  混凝土管道表面受腐蚀的原理见图-1所示。

图-1 混凝土管道表面腐蚀的原理图

2.2 外界的物理原因对管道损坏的情况分析

  地下管道在建设和使用的过程中,管道本体会受到各种外来的载荷而被损坏。同时,管道和管道的连接处由于施工质量,地面车辆的震动以及联结处水封橡胶圈老化变形等,也会发生问题,引起排水管道出现严重的功能性问题。

  这里,就由于外界的物理原因对管道损坏的现象分二种情况进行说明,指出发生的原因以及预防的措施。

  (1) 管体结构受到损坏的分析

  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,并具有一定的弹性。但是,当受到外界载荷尤其是冲击载荷的作用,管道的变性超过其允许的范围时,管道会发生破损现象,一般会在管道的顶部,底部以及左右两侧出现裂纹。

  对于出现裂纹的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道破损,引起路面的坍塌。具体的变化如图-2所示。

第一阶段:管道出现轻度裂缝,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。

第二阶段:由于管道两侧的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,管道裂缝加剧,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。

第三阶段:伴随着管道上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管道被严重损坏。此时路面会出现坍塌现象。

  如上所述,对于在电视检测中发现已经出现裂缝的排水管道,需要及时地采取必要的修理措施,及时阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的,把问题解决在摇篮之中。

  (2) 管道体系受到损坏的分析

  钢筋混凝土排水管道具有很好的抗载荷性能,但是,当两节管道的连接处受到外力的作用而受到损坏,或接口处的止水橡胶圈出现质量问题及老化时,整个管道系统会受到严重影响,最终会造成整个管道体系严重破损的现象。

  对于出现管接口破损的管道,如果埋设在地下水位较高,周围的泥土又是比较松散的流沙土的情况下,会按如下的阶段发生管道体系的破损,引起路面的坍塌。

  具体的变化如图-3所示。

 第一阶段:管道接口出现轻度渗水,管道周围泥沙随地下水渗入管道内部。

 第二阶段:由于管道接口处的泥土减少,阻止管道变形的支撑力减弱,出现管体位移,地下水和泥沙的流入加剧,路面开始出现沉降。

第三阶段:伴随着管体上下左右泥土的流失,周围出现较大空洞,管体位移加剧。此时路面会出现坍塌现象。

  如上所述,对于在电视检测中发现接口处已经出现渗漏的排水管道,需要及时的采取必要的修理措施,以阻止地下水的渗漏,达到阻止管道体系损坏进一步恶化的目的。

三.排水管道的非开挖修复方法

  为了及时修复损坏的排水管道,确保污水排放以及道路的交通安全,需要采用合理有效地修复方法,对排水管道进行及时修复。根据管道的损坏情况以及管道的重要性,目前的使用年数等各种情况进行综合分析,制定出经济合理的修复方案是十分必要的。从目前所开发并已经被采用的技术来看,可以分为管道整体修复技术和点状修复二大类。从上述分析可以看到,对由于生物化学原因造成严重腐蚀的管道,可以采用整体修复,而对于管道接口处有初期破损的管道,则可以采用局部修复技术对管道及进行修复。

3.1 管道整体修复技术

  整体修复通常是指对两座检查井之间的管道进行整体加固、修复的做法。采用整体修复可以达到防腐、防渗、增加结构强度的目的。整体修复是管道非开挖修复的主流,而应用最多的整体修复方法是在旧管道内加装一道内衬管。

  按修复后管道内的内衬管和原有旧管之间的结构不同进行分类,可以分为自立管、复合管、双层构造管的三个种类。具体的分类如图-4所示。

 (1)自立管:不考虑旧管的强度,内衬管自身可以承受外部的压力,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。是按开槽埋管时管道所承受的载荷来进行内衬管结构设计的管道。

  (2)复合管:内衬管和旧管形成一体后共同承受外部的载荷,两者合成一体后具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能。这种管道需要在旧管和内衬管之间的缝隙内注浆,以达到复合的目的。

 (3)双层构造管:考虑旧管可以承受外部荷载,地下水压的载荷由内衬管承担。旧管和内衬管以双层构造的方式共同承受外部的载荷,具有和新管同等以上的耐负载能力和持久性能,这样的内衬管比较薄,具有很好的经济性和施工性。

  参考国外管道非开挖修复的统计资料得到,目前使用最为广泛的是翻转法内衬技术和UV紫外光固化内衬修复技术,又称原位固化CIPP(Cured In Place Pipe) 内衬技术。其主要的技术原理和特点如下说明。

图-4 管道修复技术的分类图

3.1.1 翻转法原位固化内衬技术

  翻转法即把灌浸有热硬化性树脂的软管材料运到工地现场,利用水和空气的压力把材料翻转送至管道并使其紧贴于管道内壁,通过热水,蒸气,喷淋或紫外线加热的方法使树脂材料固化,在旧管内形成一根高强度的内衬树脂新管的方法。

  由于翻转的动力是空气和水,只要材料加工上没有问题,一次施工的距离可以非常长。据资料记载,在日本北海道的工地上有过对φ600mm的污水管道一次性施工长度为500m的记录。在世界上具有代表性的翻转法技术为Insituform工法,还有一些在该工法的基础上进行改良的技术,如德国的In Pipe工法,日本的Turn young 工法,ICP Breathe工法等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。翻转法原位固化法内衬技术的示意如图-5所示。

图-5 CIPP翻转内衬法的示意图

  翻转法技术在大中小口径(φ250mm~φ1800mm)管道的修复上得到广泛的应用,其特点如下:

  (1)施工时间短:內衬材料在工厂加工后运至工地,现场的施工从准备,翻转,加热,固化一般只需约8个小时,可以十分方便地解决施工时的临时排水问题。

  (2)设备占地面积小:CIPP施工法只需小型的锅炉和热水循环泵等设备,施工时占用道路面积小(在检查井边的位置,宽约2.5m,长约15m),噪音低,对道路交通造成的影响不大。

  (3)内衬管耐久实用:内衬材具有耐腐蚀,耐磨损的优点,材料强度大,耐久性根据设计要求最大可达50年,对管的地下水渗入问题彻底解决,一劳永逸。管的断面积损失小,表面光滑,水流摩擦下降(摩擦系数由0.013降为0.010),提高了管道的流量能力。

  (4)保护环境,节省资源:不开挖路面,不产生垃圾,不堵塞交通,使管道修复施工的形象大为改观。总体的社会效益和经济效益较好。

  由于该技术具有良好的施工性和较高的社会和经济效益,在发达国家被广泛采用,据不完全统计,每年世界上有1000公里以上的各类管道,采用翻转法原位固化内衬技术进行修复。

图-6 CIPP翻转法内衬法修复前后示意图

3.1.2紫外光原位固化内衬技术

  CIPP紫外光固化法非开挖修复工艺来源于德国,目前在世界各地得到广泛使用,作为CIPP非开挖修复技术的一种,它采用拉入的方式把浸渍光敏树脂的玻璃纤维软管置入待修的旧管道中,用气压臌胀,紫外光照射使内衬软管固化。相比翻转式热水固化,省去了搭架、翻转、用水等环节,实现环保、节约、低成本的优越性,此工艺在欧美国家,已得到广大客户的认可和使用。紫外光原位固化法内衬技术工艺流程如下所示。

  紫外光原位固化法内衬技术的示意如图-7所示。目前在德国主要的紫外线光固化技术有瑞莱技术(Reline Alpha Liner),萨泰克斯技术(SAERTEX Liner)和英普雷格技术(IMPREG Liner)等,这些工法在材料强度,施工技术等方面各有特色,活跃在管道非开挖修复施工最前线。德国主要CIPP原位固化法内衬技术质量检测结果表如表-1所示。

图-7 紫外光原位固化法内衬技术示意图

表-1 德国原位固化法质量检测表

  虽然紫外光固化技术在欧美发达国家已经非常成熟,但在国内排水管道修复中的应用还刚起步,相关的工程设计、施工规范和工程质量验收标准等其它环节也比较欠缺。需要专业人员进一步研究并完善适应国内管道修复的标准和规范,使本技术的应用更加规范化、标准化、科学化。

  其次,对于紫外光固化这项技术来说,现场操作人员的技术水平直接影响管道的施工质量。他们的技术水平高低,对施工设备的有效运行、施工流程的有序进行,施工工艺的准确执行都将产生直接关系到内衬管道的质量。由于目前国内技术工人的水平良莠不齐,特别是对新技术新工艺的掌握不够透彻,需要相关部门开展紫外光固化施工技术培训,使之能够熟练掌握光固化施工技术,保证内衬修复施工质量,使光固化修复技术能够快速推广。

  紫外光原位固化法内衬技术修复前后的示意如图-8所示。

图-8 CIPP紫外光固化法修复示意图

3.2 管道局部修复技术

  局部修复也称为点状修复,通常指只对管道接口等损坏点进行防渗堵漏修理的一种做法。如果两座检查井之间的管道只有少量接口损坏并且管材结构完好,对这类管道采用点状修理显然有其合理性。点状修理的特点是针对性强,哪里坏就修哪里,这样就可以降低修理费用。

  局部修复的缺点是无法提高管道的整体结构强度。有些方法(如嵌补注浆法)的质量稳定性较差,施工操作费工费时。有些方法(指套环法)则对水流和绞车疏通有一定影响,其适用范围也有限制。这里就常用的套环法进行说明。

3.2.1 套环法局部修复技术

  采用在管道接口部位安装止水套环来阻止渗漏的做法称为套环法。套环与母管之间的止水材料有两种,一种是橡胶圈,另一种是密封胶。可以说,除老式钢套环以外,套环法在各种点状修理方法中施工最方便,修理质量也是最可靠的。套环法的缺点是套环对水流有一定影响,容易造成垃圾沉淀,对管道疏通也有妨碍,特别是绞车疏通时容易被拉松带走。

  根据所使用的材料以及在母管内部固定方法的不同,套环法局部修复技术也有许多种类。如在国内使用较多的钢套环法和不锈钢套环法,加拿大的PVC套环和不锈钢发泡筒法,日本的SNAP LOCK局部修复法,以及美国和德国厂家开发的多胀圈止水环工法。图-9是采用美国NPC胀环局部修复技术进行修复后的管道接口部位示意图,止水带用橡胶制成,一个不锈钢胀环被分成三段。每段胀环两头做成90度尖头,采用NPC特有的挤压螺栓将胀环向外压紧,达到防止地下水从接缝处渗漏的目的。

图-9 美国NPC胀环技术示意图

3.2.2 CIPP局部内衬修复技术

  管道非开挖局部修复,也叫局部树脂固化法,是指在原管道待修位置,采取专用点修复气囊扩张法,将均匀浸渍固化性树脂的玻璃纤维织物,紧贴在管道修复位置,通过常温固化,或者紫外线照射后,形成局部短管内衬的一种环状局部修复方法。局部修复用的修补器和玻纤材料如图-10所示。采用CIPP局部内衬修复技术修复后的管道内部情况如图-11所示。

图-10 CIPP局部修复设备材料图

图-11 CIPP局部内衬修复图

  伴随着新技术的不断开发,采用UV紫外灯进行加热固化的局部修复技术也已经开始使用。其技术原理是,将浸润光敏树脂的玻纤材料,采用专用的光固化修补器导入到管道内缺陷部位,通过紫外光照射固化对管道进行修复的技术。常温固化和紫外光固化局部修复技术如图-12所示。相关的的技术比较如表-2所示。

表-2 光固化和常温固化技术比较表

施工方式

常温固化局部修复技术

光固化局部修复技术

安装方式

采用常温修补器导入缺陷位置,加压膨胀粘贴

采用光固化修补器导入缺陷位置,加压膨胀粘贴

固化方式

常温自然固化

紫外光固化

固化时间

40-80分钟(根据气温及配比)

5-10分钟

固化效果

受环境影响,具有不确定性

紫外线固化,不受环境影响

材料

现场搅拌树脂、玻纤材料现场涂抹含浸树脂。

预浸树脂片材,缠绕即可

堵漏效果

固化时间长,树脂材料受漏点水流影响较大,材料性能及堵漏效果不能保证。  

固化时间短,树脂材料受漏点水流影响较小,材料性能及堵漏效果能得到保证。

经济效益

设备投入成本低。时间成本较高,社会综合效益一般。

设备投入成本高。时间成本较低,社会综合效益较好。

3.3 整体修复和局部修复技术的比较

  对管道内部由于受到有害气体的腐蚀,管道内表面整体度出现破损的情况,需要进行整体的预防性修理,以阻止腐蚀的进一步深化而出现钢筋外露直至影响混凝土管道结构强度现象的发生。

  对管道的上部整体出现较长的纵向裂缝,并伴有地下水渗漏的情况,也建议采用整体修复的方法及时进行修复,以避免泥沙大量流入而出现管道变形增大直至出现坍塌的现象的发生。当管道的接口处出现地下水渗漏时,需要采用局部修复技术及时进行止水,以免进一步扩展而造成管道系统崩溃的现象。当同一段管道中有三处以上的接口出现问题时,建议采用整体修复技术及时进行预防性修复。整体修复和局部修复技术的适用比较如表-3所示。

表-3 整体修复和局部修复技术的比较表

技术分类

技术的定义

管道腐蚀

管道破损

接口渗漏

经济比较

整体修复

两座检查井之间的管道进行整体加固、修复。

适用

适用

适用

单位长度的单价较低。

局部修复

只对管道接口等损坏点进行防渗堵漏的修理。

不适用

不适用

适用

单位长度的单价较高。

分析比较

为了确保修复效果和经济效果,当两座检查井之间的管道需采用局部修复达到3处以上时,建议采用整体修复技术对管道进行修复。

四.结束语

  用于污水输送的排水管道是市政基础设施和社会资产的重要组成部分。它的正常与否关系到城市的环境状况和卫生面貌,同时还关系到道路的交通安全。所以,及时发现管道内部的问题,采用合适的非开挖技术进行修复是十分必要的。二十世纪80年代初期开始建设的排水管道,将逐渐进入维修期,今后用于养护管理这些设施的资金必将成为一个很大的负担。

  发达国家已经意识到这个问题,为了能够合理的利用有限的政府预算,管理好这个庞大的管道设施的资产,开始采用资产运行管理的模式,把握这些资产的现状,推测今后每年为了确保正常运行所需要的费用,从现在开始为将来的管理经费做准备,以指导现在和今后的社会资产的运用和投资规划。参照国外的经验,通过有计划地进行预防性修理来减少大开挖修复施工给管理经费和城市交通带来的压力,真正实现建有所管是十分必要的。

五.参考文献

[1]日本下水道协会:管再生技术指南(案),平成13年6月.

[2]福手 勤:从排水设施的资产运行管理看混凝土管理技术的重要性,日本月刊下水道,2009年3月.

[3]孙跃平:地下管道修复技术的分类及其结构设计的方法,中国给水排水,2005年9月期.

[4]张强,张琦:紫外光固化技术的特点及在上海排水管道修复中的应用,中国非开挖技术,2018年第三期.

作者简介:孙跃平,男,上海管丽建设工程有限公司董事长,上海市领军人才(2010年)。日本东京都立大学工学硕士,在日本NSC工程设计院等从事了10多年的设计和科研工作。日本国家注册工程师(Japanese Professional Engineer),亚太地区工程师(APEC Engineer), 拥有非开挖管道修复和污水处理相关的发明专利9项,实用新型专利20多项。曾在日本《土木技术》,日本《月刊下水道》以及《中国给水排水》等杂志上发表了二十多篇论文,参与了建设部《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》等多部行业规范的编制。

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