工业污、废水处理池玻璃钢防腐

    在工业污、废水处理池中, 由于污、废水含有大量的腐蚀性介质, 如酸、碱、有机溶剂、氧化性化学品等, 对以混凝土为基础的处理池的腐蚀性较大。未经防腐蚀处理的砼处理池, 一般情况下, 2~ 3个月池表面就会出现损坏和强度下降的现象。因此,必须对混凝土基础的处理池进行防腐蚀处理。按照现行?? 工业建筑防腐蚀设计规范?? ( GB50046 -2008)对污水处理池内表面进行防护, 根据介质作用量等级, 分别推荐了玻璃钢、块材、树脂玻璃鳞片胶泥和涂料、聚合物水泥砂浆等内衬形式。目前污、废水处理池的防腐蚀形式以玻璃钢内衬使用得最多。该防护形式具有施工简单、防腐蚀效果好、材料来源方便、价格适中等优点。笔者结合玻璃钢内衬使用失效或失败的案例, 从设计、选材、施工等方面分析工业污、废水处理池玻璃钢衬里失效的原因, 讨论避免失效或失败的应对之策。
1、污、废水处理池玻璃钢衬里设计要点
    玻璃钢衬里是利用玻璃纤维增强塑料( 俗称玻璃钢或FRP )结构在混凝土基础上形成的具有一定厚度的防护层。玻璃钢衬里具有整体性、抗渗性好和造价合理的特点。在玻璃钢内衬的设计中, 增强材料应采用玻璃纤维毡或玻璃纤维毡与玻璃纤维布的复合结构, 厚度一般在2mm 以上。复合时接触介质的富树脂层厚度不应小于玻璃钢总厚度的1 /3, 玻璃纤维布的含胶量不少于45%, 玻璃纤维短切毡的含胶量不少于70% , 玻璃纤维表面毡的含胶量不少于90% 。玻璃钢衬里的铺层, 可以从结构设计上避免因采用单纯的玻璃纤维布导致内衬表面树脂含量偏低、抗介质渗透性差, 造成玻璃钢衬里失效的现象。
2、有温度的腐蚀介质和树脂的选择
    现行的工业建筑防腐蚀设计规范??只规定了常温、常压下的污、废水处理池的防腐蚀内衬形式。事实上许多使用的场合是具有一定温度腐蚀介质的池子, 如PTA 的废水池, 其进口温度高达近90 ?? 。因此在选择采用何种耐腐蚀树脂时, 必须考虑介质的温度和作用量(即浓度)。常用树脂有双酚A环氧树脂、环氧乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂等。
2. 1环氧树脂
     一般情况下许多厂家和工程公司均会选择环氧树脂, 因为环氧树脂具有来源广、成本合理、耐腐蚀性能优良、收缩率低、应用历史悠久的特点, 但是环氧树脂本身也有其化学组成等各方面的局限性。
( 1) 在常温或室温防腐蚀施工工艺中, 环氧树脂的固化体系一般情况下会采用胺类固化剂, 其固化原理是利用胺基团上的活泼氢与环氧基反应而最后交联, 形成三维网状结构。由于这个交联结构很容易在酸性的介质作用下分解, 导致三维交联结构的解体而引起防腐蚀的失效, 所以胺类固化的环氧树脂适用于常温耐碱性工况而不宜用在耐酸性场合, 尤其在大于40 ?? 或者更高的温度环境中。选用室温下固化环氧树脂的热变形温度( HDT )一般情况下较低, 均在60~ 70之间, 因此不能耐受更高的温度, 推荐使用温度不能超过75 ℃。
( 2) 由于选用胺类固化体系的环氧树脂的养护周期较长, 客观上要求有较宽裕的施工期限。更重要的是, 如采用小分子胺类固化剂(如乙二胺等), 则毒性较大, 对施工人员的身体健康有危害。
( 3) 由于工程中采用的6101( E - 44)黏度较大, 所以一般采用添加非活性稀释剂(如丙酮、二甲苯等)的方法降低树脂黏度, 以方便施工, 但这会给环境和施工质量带来负面的影响。这些溶剂极易挥发, 具有刺激性气味, 不仅对现场施工人员造成身体伤害, 也造成了环境的污染, 并容易起火或发生爆炸。由于非活性稀释剂的挥发会造成了固化物的不致密, 势必要影响玻璃钢的抗渗性, 从而导致耐腐蚀效果的下降。
( 4) 环氧树脂(包括以环氧树脂为主要成分的其他防腐材料)的耐候性相对较差, 而污、废水池均设在室外, 尤其在一些高原地区, 长期受太阳光紫外线的曝晒, 涂层或防腐蚀结构极易受到影响而导致最后防腐蚀失效, 表现为粉化等情况。
2. 2乙烯基酯树脂
     目前国外已很少采用环氧树脂用于防腐蚀工程, 一般会采用环氧树脂改性的乙烯基酯树脂, 乙烯基酯树脂正逐渐成为防腐蚀材料的首选材料。环氧乙烯基酯树脂是由环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成化学反应而制得。它保留了环氧树脂的基本链段, 又具有不饱和聚酯树脂的良好工艺性能, 而这些特殊的化学结构赋予了乙烯基酯树脂比环氧树脂更好的工艺特性、耐腐蚀性和耐候性。目前常规的双酚A 型乙烯基酯树脂的室温固化收缩率约为3% , 而891乙烯基酯树脂的收缩率为< 1% , 比环氧树脂的线收缩率低。这种树脂更具有高耐蚀性、与填料良好的浸润性的特点, 尤其适合胶泥的制作或玻璃钢内衬制作。目前, 国内利用环氧乙烯基酯树脂在各种电子工厂(如中芯国际等)、化学工厂(金光纸业等)均有成功的应用案例。891环氧乙烯基酯树脂耐介质的浓度和温度。
     此外, 笔者推荐一种高性能的芳烃型树脂( 902) , 这是一种特种不饱和聚酯树脂, 含有较多的苯环结构, 其在硫酸和硝酸情况下的性能尤为突出。902树脂与环氧树脂相比, 不仅具有低毒、更好的工艺性等优点, 而且比环氧树脂的成本更低。902芳烃树脂耐介质的浓度和温度见表3。
2. 3 温度对玻璃钢内衬的局限性
     由多个案例发现, 在温度比较高的( > 80 ?? )废酸水处理池中, 其混凝土基础和玻璃钢的施工都符合规范要求, 但使用不到1个月, 就发生玻璃钢局部脱壳现象, 在气液交变处尤其明显。在排除了材料选择错误之后, 笔者认为主要原因是混凝土与玻璃钢内衬在超过一定温度之后, 由于二者之间的膨胀系数差异过大所造成的。
     从化学介质对玻璃钢衬里的渗透扩散理论得出的结论是衬里层越厚越好, 致密而且强度高。但从固化后的FRP衬里来考虑则未必如此, 因为FRP的膨胀系数是混凝土的2倍~ 3倍。当玻璃钢内衬与混凝土之间的结合力小于由于温度变化引起的内应力时, 就会发生玻璃钢衬里的剥离、起壳的现象。
     所以对于该类工况, 在设计时就需要引起注意。国内外通常把混凝土上玻璃钢内衬的使用温度控制在80 以下。当温度超过80 时, 则需要另外采取特殊方法和措施。
3、施工过程及要点
3. 1混凝土槽体的结构检查
     就被衬里基体本身而言, 可能造成FRP衬里失败的原因, 除了养护期不够、被衬里基体强度低等以外, 主要有下面的问题。
( 1) 混凝土被衬里基体地下部分与土壤接触的表面, 没有设置防潮层或防水层。因为混凝土结构并非是完全不透水结构, 而树脂涂层面的混凝土底基一旦受潮, 黏接性能就会下降。
( 2) 混凝土被衬里基体不平整, 用水泥砂浆层找平, 而没有在界面采取提高结合力措施。
( 3) 浇注混凝土所用模板以及剥离剂的选定,原则上模板设定为木制模板, 用于其表面的剥离剂最好是没有油性的。如果采用装饰板和钢模板整理混凝土表面, 由于底漆不同, 有时会引起黏接不良, 因此要尽量避免使用。在不得不使用的情况下, 混凝土整个表面需要进行喷沙或打磨等处理。
3. 2 被衬里基体的表面要求
     混凝土被衬里基体的表面处理要求及达到的目标, 已在现有的规范中有明确表述, 对底基混凝土的表面要求如下。
( 1) 清洁, 无浮浆、油脂、异物等, 否则会影响树脂衬里材料的粘接性能和使用寿命。
( 2) 干燥, 坚固。干燥不充分, 会造成树脂衬里黏接不良。所谓??坚固??, 是指树脂衬料的干燥或硬化收缩以及使用过程中温度变化引起的膨胀或收缩, 黏接界面要有能够承受应力的强度。
( 3) 平整, 无空穴、气泡痕迹、突起物。所谓平坦??, 是指无高低差、蜂窝、大的凹凸等。
3. 3施工前对混凝土面的点检
     一个有丰富经验的施工操作者, 除了应该掌握各种不同树脂衬里的习性之外, 对具有共性之混凝土结构物, 在衬里施工前, 应进行全面、细致的检查, 并及时解决存在的问题, 不给衬里施工留下隐患。施工前混凝土面的点检项目。
3. 4玻璃钢衬里的施工
( 1) 封底层。在经过处理的基层表面, 均匀地涂刷封底料, 不得有漏涂、流挂等缺陷, 自然固化不宜少于24 h。
( 2) 修补层。在基层的凹陷不平处, 应采用树脂胶泥料修补填平, 自然固化不宜少于24 h。
( 3) 间歇法树脂玻璃钢铺衬层的施工, 应符合下列规定: ?? 玻璃纤维布应剪边, 涤纶布应进行防收缩的前处理; ?? 先均匀涂刷1层铺衬胶料, 随即衬上1层纤维增强材料, 必须贴实, 赶净气泡, 其上再涂1层胶料, 胶料应饱满; ?? 固化、修整表面后, 再按上述程序铺衬各层, 直至达到设计要求的层数或厚度; ??每铺衬1层, 均应检查前铺衬层的质量, 不能有毛刺、脱层和气泡等缺陷; ?? 铺衬时, 同层纤维增强材料的搭接宽度不应小于50mm, 上下2层纤维增强材料的接缝应错开, 错开距离不得小于50mm。阴阳角处应增加1~ 2层纤维增强材料。
( 4) 连续法树脂玻璃钢铺衬层的施工, 应符合下列规定: ?? 平面、立面1次连续铺衬层数或厚度,以不产生滑移, 固化后不起壳、脱层为限; ?? 铺衬时, 上下2层纤维增强材料的接缝应错开, 错开距离及阴阳角处做法同上。固化后, 再进行下1次连续铺衬层施工, 直至达到设计要求的层数或厚度。
( 5) 树脂玻璃钢封面层的施工, 应均匀涂刷面层胶料。当涂刷2遍以上时, 待前1遍固化后, 再涂刷下1遍。
4、FRP 衬里失效案例分析
( 1) 概况。防护层形式: 混凝土结构整浇槽体上面衬FRP。FRP构成(厚4mm ): 3层玻纤短切毡( 300g /m2 ) + 1层表面毡( 30 g /m2 )。2003年11月施工。材料为纤维(台玻), VE树脂(国内某外资厂家)。
( 2) 介质。10%废盐酸, 少量氯化亚铁。温度70  ℃(局部温度瞬间95  ℃ ) , 常温交变( 1 天5 ~ 7次)。存在问题: 使用不久出现许多垂直方向上的裂缝, 并导致FRP衬里与混凝土基面脱层。
( 3) 失效分析。将剥落的FRP进行力学强度检测, 巴克尔硬度54, 树脂含量72. 2% , 拉伸强度52. 0MPa, 弯曲强度124MPa, 拉伸模量4. 75 GPa,弯曲模量4. 39GPa, 断裂延伸率1. 46% 。检测结果: 可排除FRP被腐蚀老化的原因。
( 4 ) 主要原因: 局部温度瞬间达到90 ~95 ℃ ; 池体使用的是间歇式的; 衬里池在常温70  ℃(局部90~ 95 ℃)  常温之间交替反复变化; 热膨胀系数差异; 该类树脂线收缩率达2. 5%,有比较大的收缩应力存在; 混凝土强度偏低( C20), 而按设计要求的同样装置采用C30混凝土,则玻璃钢衬里层使用正常。
5、 结语
( 1) 虽然玻璃钢衬里在污废水处理池的防腐蚀工艺已经比较成熟, 但也曾出现不少失效的案例, 这些失效案例涉及到设计规范的滞后性(如温度条件下没有做出明确规定)、材料选择的可靠性(低收缩、高耐蚀材料的选用)、施工控制的有效性(基面处理、施工环境温度、湿度)等诸多方面。
( 2) 对废水中的复杂化学品介质, 往往一时难以找到合理有效的衬里方式, 需要从玻璃钢衬里拓展到其他的衬里形式, 或者通过实验和试验来确定最佳的防腐蚀衬里形式。