鋼筋混凝土排污管道中硫酸根離子的擴散規(guī)律研究

宋建玲

(勝利油田石油化工總廠基建工程管理中心，山東東營 257000)

0 引言

城市排污管道系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承擔(dān)著生活污水、工業(yè)污水以及雨水的收集和運輸?shù)娜蝿?wù)。常見的排污管道主要以鋼筋混凝土材質(zhì)為主，內(nèi)部環(huán)境惡劣，污水中腐蝕因素眾多，如酸堿度、硫酸鹽以及游離的二氧化碳和溶解氧等。周富春［1］研究表明在污水中硫酸根離子是最主要的腐蝕因素。硫酸根離子的擴散不但破壞了管壁密實度，加速保護(hù)層開裂和腐蝕介質(zhì)的擴散，還會造成鋼筋銹蝕，嚴(yán)重降低管道使用壽命。管道一旦破壞，極易造成污水泄露，路面塌陷，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，危害群眾的身心健康。因此，研究硫酸根離子的擴散對于認(rèn)識排污管道的耐久性必不可少。

1 硫酸鹽來源

市政管道內(nèi)的污水除少量為處理后的工業(yè)廢水直接排放外，主要為城鎮(zhèn)居民日常生活產(chǎn)生的生活污水，其中有機質(zhì)眾多。在污水流動時，質(zhì)量較重的物質(zhì)沉積后形成底部淤泥層。管內(nèi)潮濕的環(huán)境，加上淤泥層中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)給微生物提供了適宜的生存環(huán)境。Thistlethwayte提出了一個廣為接受的排污管道內(nèi)硫循環(huán)模型［2］，如圖1所示。在厭氧條件下，淤泥層內(nèi)含硫有機物被分解，釋放出硫化氫氣體(H2S)。釋放的H2S氣體進(jìn)入上部未充水的空間，與管壁相接觸。在管壁表面吸附的微生物膜作用下，H2S發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成硫酸根離子。硫酸根離子進(jìn)入污水環(huán)境后，侵蝕混凝土管壁。

圖1 排污管道內(nèi)硫元素的循環(huán)示意圖

2 侵蝕理論探究

2.1 化學(xué)機理

硫酸鹽侵蝕機理復(fù)雜，這主要是由于硫酸鹽與混凝土水化產(chǎn)物反應(yīng)的生成物體積膨脹，造成孔隙率的變化進(jìn)而影響硫酸根離子的擴散速率，而且不同濃度的硫酸鹽會與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)［3］。當(dāng)硫酸根離子濃度低于1 000 mg/L，反應(yīng)最終產(chǎn)物只有鈣礬石()，當(dāng)濃度高于8 000 mg/L，反應(yīng)最終產(chǎn)物只有石膏(CSH2)，當(dāng)濃度在兩者之中時，兩種反應(yīng)產(chǎn)物均會存在。但在持續(xù)流動的污水環(huán)境中，硫酸根離子濃度會穩(wěn)定在1 000 mg/L以下的較低水平。因此，鈣礬石是排污管道受硫酸鹽侵蝕的主要產(chǎn)物。

鈣礬石的生成是多次反應(yīng)生成的，主要過程分為兩個階段［4］:

1)石膏的生成:硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)部后，先與混凝土水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)和水化硅酸鈣(CSH)反應(yīng)生成含有二水石膏()，化學(xué)反應(yīng)式如下:

2)鈣礬石的生成:生成的石膏與混凝土內(nèi)的單硫型水化硫鋁酸鈣(C4ASH12)、鋁酸三鈣(C3A)和水化鋁酸鈣(C4AH13)等組分反應(yīng)生成鈣礬石()，化學(xué)反應(yīng)式如下:

為使下文簡化計算，此處將反應(yīng)式(3)～式(5)以等效鋁酸鈣類物質(zhì)(用CA來表示)與石膏反應(yīng)的總方程式表示如下:

其中，a1，a2，a3分別為 C4ASH12，C3A 和 C4AH13的占總的鋁酸鈣類物質(zhì)的比例;CC4為鋁酸鈣類物質(zhì)的等效量濃度;C1，C2，C3為對應(yīng)的物質(zhì)的量濃度，mol/m3。

2.2 孔隙率演化

混凝土是由水泥、水和粗細(xì)骨料等構(gòu)成的復(fù)合材料。混凝土孔隙決定它的材料性能，如強度、收縮和滲透性等都與其密切相關(guān)。在硫酸鹽侵蝕混凝土的全過程中，由于水化作用和鈣礬石膨脹型侵蝕破壞作用，孔隙率φ是時刻變化的。孔隙率隨時間變化公式:

其中，φw為受水化作用影響的孔隙率變化;D(c，t)為損傷作用影響的孔隙率變化。

2.2.1 水化作用

水化作用是指水泥的主要礦物成分與水的化合作用。隨著混凝土的不斷水化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越密實，孔隙度不斷減小。水化作用影響的孔隙率φw為:

其中，fc為水泥在混凝土中的體積分?jǐn)?shù);W/C為水灰比;hα為水泥水化程度。

2.2.2 損傷作用

隨著硫酸根離子逐漸侵蝕到混凝土內(nèi)部，生成的膨脹產(chǎn)物鈣礬石不斷成核，結(jié)晶析出，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷開裂。此處結(jié)合Sun C提出的混凝土損傷理論［4］，損傷演化方程如下:

其中，φ0為初始孔隙率;t為侵蝕時間，s;bD，cD，dD為擬合參數(shù)，僅與水灰比有關(guān)。當(dāng) W/C=0.45 時，分別取為 1.743，6.752，3.819;Cc為侵蝕溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與物質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)化關(guān)系為為無量綱參數(shù)，取為0.08;t為730 d(兩0年)。

2.3 理論模型

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者都在菲克第二定律的基礎(chǔ)上給出了不同的硫酸根離子侵蝕混凝土的模型。其中，Tixer［6］用擴散—反應(yīng)法建立硫酸鹽侵蝕模型，計算出數(shù)據(jù)得到大量文獻(xiàn)實驗結(jié)果的驗證。因此，本文基于Tixer模型，結(jié)合離子擴散和力學(xué)損傷因素進(jìn)行分析。擴散反應(yīng)方程式如下:

其中，U為硫酸根離子濃度，mol/m3;x為侵蝕深度，mm;DU為擴散系數(shù)，m2/s;k為化學(xué)反應(yīng)速率，m3/(mol·s)。

模型的初始條件和邊界條件為:

其中，L為試件厚度，mm;CCA，0為混凝土內(nèi)初始鋁酸鈣類物質(zhì)的等效總濃度，mol/m3;C0為硫酸鈉溶液的量濃度，mol/m3。

擴散系數(shù)反映了硫酸根離子在混凝土內(nèi)擴散的速率，是與混凝土內(nèi)孔隙度相關(guān)的函數(shù)。關(guān)系式如下:

其中，DS為硫酸根離子在混凝土孔隙溶液內(nèi)的原始擴散系數(shù)。

3 案例分析

3.1 數(shù)值模擬

本文取某市市政排污管道為實例，利用COMSOL軟件建模分析。如圖2所示，管道簡化為圓形筒裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為400 mm，管壁厚度為45 mm，假定內(nèi)部污水為半充盈狀態(tài)，對水下部分(以圖中標(biāo)識為例，沿管徑方向侵蝕深度15 mm，25 mm，35 mm分別標(biāo)注為A，B，C三點)進(jìn)行分析。

計算參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

圖2 排污管道模型示意圖

3.2 結(jié)果分析

由圖3a)和圖3b)可以清楚看出，孔隙率的變化是分為兩個階段的。

未受侵蝕階段:這一階段孔隙率的變化主要是由于混凝土的水化作用引起的。在極短時間內(nèi)，混凝土的水化快速發(fā)展，水化產(chǎn)物吸水結(jié)晶，體積膨脹后對混凝土有一個填充作用，孔隙率下降至相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

損傷破壞階段:這一階段孔隙率的變化主要是由于混凝土的損傷破壞引起的。當(dāng)硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)后，與混凝土水化產(chǎn)物生成膨脹性的鈣礬石，體積急速增大，填充原有的混凝土孔隙。當(dāng)混凝土孔隙填滿后，繼續(xù)生成的鈣礬石擠壓孔隙壁產(chǎn)生向外的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度后開始產(chǎn)生新的裂縫，使得孔隙度進(jìn)一步增大。在侵蝕后期，孔隙度下降速率逐漸減緩，這是由于混凝土內(nèi)鋁酸鈣類物質(zhì)逐漸消耗導(dǎo)致的。

孔隙率的增大，勢必會造成污水中氯離子，溶解氧等腐蝕介質(zhì)加速擴散，混凝土保護(hù)層的松軟脫落，而且水泥水化產(chǎn)物的消耗造成混凝土原有強度的下降。

圖3 孔隙率分布圖和時變趨勢圖

從圖4a)看出，僅需約2年時間，硫酸根離子就可以侵蝕到截面深度為A點處。侵蝕到B點處需要約6年，到C點處約12年。在侵蝕前期，離子濃度增加迅速，曲線呈現(xiàn)上凸的趨勢，這是由于損傷作用的影響，擴散系數(shù)的增大而導(dǎo)致的。

從圖4b)可以看出，侵蝕5年后，擴散深度已經(jīng)達(dá)到28 mm;侵蝕10年后，擴散深度達(dá)到了37 mm;侵蝕15年后，擴散深度達(dá)到40 mm;而在20年后，整個管壁完全擴散到。從趨勢圖中可以看出，損傷作用對硫酸根離子在混凝土的擴散是不容忽視的，在短短5年時間內(nèi)已經(jīng)侵蝕掉混凝土管壁的1/2。

硫酸鹽不但會造成混凝土質(zhì)量損失和性能下降，而且Sanchez-Silva等人［7］提出硫元素會散到鋼筋表面會形成FeS，誘導(dǎo)鋼筋銹蝕，造成鋼筋有效橫截面面積減小，承載能力下降等影響，最終引起混凝土管道的破壞。

圖4 濃度時變趨勢及分布示意圖

4 結(jié)語

1)介紹了排污管道內(nèi)硫元素的循環(huán)對管壁自身有不可忽視的腐蝕作用，在排污管道的設(shè)計與使用期間對管道的防硫腐蝕必須做出考慮;

2)建立了污水管道內(nèi)受水化作用和損傷作用下的硫酸根離子擴散的數(shù)值模型，分析得出硫酸根離子在管道內(nèi)的擴散規(guī)律;

3)根據(jù)擴散特點，可以采用高強度混凝土，內(nèi)壁加做防腐墊層等措施抑制硫酸根離子擴散，減小硫酸鹽侵蝕作用，延長排污管道使用壽命。