污水環(huán)境中清水混凝土保護(hù)劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

程梨明，周 永，馬軍旗，張?jiān)迄i，李 芳，柳志丹，陳軍程，張志增

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048；3.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

近些年，隨著我國綜合實(shí)力的不斷提升，人民生活水平得到了大幅提高，越來越多的人口涌入了城市，使得城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市規(guī)模的擴(kuò)大帶來了更多的生活污水與工業(yè)污水，混凝土作為污水處理廠和污水管網(wǎng)常用的建筑材料，其長時(shí)間在污水環(huán)境中的抗壓強(qiáng)度是評判混凝土性能的重要指標(biāo)之一。

一般情況下，混凝土的正常使用年限為60～70 a。但污水這種特殊環(huán)境給混凝土造成的物理破壞、化學(xué)侵蝕、生物腐蝕，會使混凝土的使用年限下降，直接影響到建筑物的使用年限。建筑物重建與維護(hù)的過程中不僅會造成資源與能源的浪費(fèi)，也會對人們的生活秩序造成一定的影響，所以需要尋求延長污水中混凝土使用壽命的方法。

1 污水中混凝土的腐蝕機(jī)理

1.1 物理破壞

混凝土內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)，大致分為凝膠孔、毛細(xì)孔和大氣孔3類，其中毛細(xì)孔占比約為1/5［1］。污水管道和污水處理設(shè)施長期處在干濕循環(huán)的狀態(tài)下，在濕潤狀態(tài)下，污水中的鹽類溶液通過混凝土中的毛細(xì)孔進(jìn)入混凝土內(nèi)部，當(dāng)環(huán)境干燥時(shí)，孔隙中的鹽結(jié)晶膨脹，產(chǎn)生一定應(yīng)力，長此以往，混凝土孔隙內(nèi)的結(jié)晶應(yīng)力達(dá)到一定程度，便會導(dǎo)致混凝土的開裂［2］。

1.2 化學(xué)侵蝕

生活污水及工業(yè)廢水中存在大量的硫酸鹽。硫酸鹽會通過混凝土的毛細(xì)孔與微裂縫滲入到混凝土內(nèi)部，生成膨脹性石膏和鈣礬石。如果只是少量的膨脹性石膏和鈣礬石積累，會修復(fù)混凝土的毛細(xì)孔與微裂縫，將會使混凝土的耐久性得到提升。但隨著硫酸鹽的不斷滲入，膨脹性石膏與鈣礬石不斷地在混凝土的毛細(xì)孔與微裂縫中積累，不但導(dǎo)致混凝土內(nèi)部應(yīng)力不斷加大，使混凝土開裂，而且加快腐蝕，使混凝土的強(qiáng)度降低。

在正常情況下，混凝土表面的pH為11～13，讓混凝土維持堿性的物質(zhì)主要是氫氧化鈣，混凝土中的氫氧化鈣會與水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣，即混凝土碳化［3］。碳化反應(yīng)會降低混凝土的pH，長此以往會導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。而高堿性是保持混凝土耐久性的必備條件。

1.3 生物腐蝕

早在1945年，Parker［4］就提出了污水中的一些細(xì)菌生長代謝過程中產(chǎn)生的生物硫酸會使混凝土腐蝕。隨著研究的深入，現(xiàn)在普遍認(rèn)為微生物導(dǎo)致混凝土腐蝕的主要原因是在無氧環(huán)境下，污水中的有機(jī)硫和硫酸鹽會被硫酸還原菌還原成硫化氫，硫化氫氣體進(jìn)入管道中未被液體充滿的區(qū)域，在有氧環(huán)境下被硫酸氧化菌氧化成生物酸。生物酸與混凝土內(nèi)部的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，不僅會產(chǎn)生石膏和鈣礬石導(dǎo)致混凝土開裂，而且會降低混凝土的pH，給只能在pH為4～6的環(huán)境下生存的噬砼菌提供了繁殖條件，噬砼菌的存在會使混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞。

2 解決問題的途徑與辦法

通過分析混凝土在污水環(huán)境中強(qiáng)度降低的主要原因，從理論上可以得出，減緩污水環(huán)境中混凝土抗壓強(qiáng)度降低的主要途徑有提高混凝土的耐酸性、阻止腐蝕物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部、減少生物酸的生成。目前常用的解決辦法有混凝土改性、生物滅殺技術(shù)和表面涂層技術(shù)等［5］。

本研究通過試驗(yàn)，探究污水環(huán)境中清水混凝土保護(hù)劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

3 試驗(yàn)部分

3.1 混凝土試塊的制備

原料：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，鄭州市天瑞水泥廠；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為2.48、堆積密度為1 580 kg/m3、表觀密度為2 600 kg/m3，含泥量為5.3 %的河砂；粗骨料：堆積密度為1 600 kg/m3、表觀密度為2 890 kg/m3，5～20 mm連續(xù)級配，吸水率為1.9 %的碎石；水：普通自來水；聚羧酸類減水劑：減水率≥30 %、固含量25 %，鄭州巨源混凝土外加劑有限公司。

混凝土強(qiáng)度按C40標(biāo)準(zhǔn)配制，水灰比為0.5，經(jīng)過多次適配，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土的配合比Table 1 Concrete mixing ratio

成型后的試塊規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，為了不影響后續(xù)清水混凝土保護(hù)劑的涂覆以及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在澆筑的時(shí)候不在模板上涂刷脫模劑。澆筑完成后48 h將模板拆除，然后將試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，取出試塊，用干抹布擦干其表面，放入60 ℃的烘箱中進(jìn)行干燥處理，直到試塊質(zhì)量不再發(fā)生變化后，將其從烘箱中拿出，備用［6］。

3.2 污水的人工強(qiáng)化

考慮到原位腐蝕周期較長，本試驗(yàn)將污水加以人工強(qiáng)化以加快試驗(yàn)進(jìn)度。化學(xué)需氧量（COD）通常作為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)，一般生活污水中的COD含量在300 mg/L左右。人工強(qiáng)化污水的配制方式為在水中加入生活污水與工業(yè)污水中常見的碳源、氮源以及鹽類，調(diào)節(jié)水的酸堿度，并進(jìn)行硫酸氧化菌、硫酸還原菌、噬砼菌的接種。最終得到的人工強(qiáng)化污水的指標(biāo)如表2所示。

表2 人工強(qiáng)化污水的指標(biāo)Table 2 Artificially enhanced sewage indicators

3.3 試塊的涂刷

本試驗(yàn)采用的丙烯酸類清水混凝土保護(hù)劑體系為清典丙烯酸樹脂透明保護(hù)底漆QD-700和丙烯酸樹脂透明保護(hù)面漆QD-900；有機(jī)硅類清水混凝土保護(hù)劑體系為藍(lán)寶集佳有機(jī)硅清水混凝土保護(hù)劑底漆和面漆；氟碳類清水混凝土保護(hù)劑體系為清典氟碳樹脂透明保護(hù)劑底漆QD-100和氟碳樹脂透明保護(hù)劑面漆QD-300。試件涂刷步驟如下：

（1）用砂紙、銼刀等工具對上述養(yǎng)護(hù)好的混凝土試塊表面進(jìn)行打磨，處理試塊表面的空鼓、砂包等缺陷，并將試塊件表面的棱角進(jìn)行倒角處理，然后用干抹布擦干凈［7］。

（2） 取20塊處理好的混凝土試塊，每組5塊，分為4組，1組不做任何處理，其余3組分別進(jìn)行丙烯酸類清水混凝土保護(hù)劑、有機(jī)硅類清水混凝土保護(hù)劑和氟碳類清水混凝土保護(hù)劑的涂裝。

（3） 采用輥涂的方式涂刷保護(hù)劑，底漆1層，面漆1層，盡量保證保護(hù)劑涂刷均勻且無漏涂。試塊經(jīng)涂刷完畢后，于室內(nèi)干燥環(huán)境下放置72 h。

3.4 強(qiáng)化污水中混凝土試塊的腐蝕

做好標(biāo)記后，將準(zhǔn)備好的4組試塊有序放置于一個(gè)矩形帶蓋的試驗(yàn)箱內(nèi)，相鄰試塊之間應(yīng)最少保持30 mm的間距，試塊與容器壁的間距應(yīng)不小于30 mm，加入調(diào)配好的強(qiáng)化污水并沒過試件的2/3處。試驗(yàn)箱中內(nèi)置恒溫裝置，將強(qiáng)化污水溫度恒定在最適宜細(xì)菌生長繁殖的32 ℃。每間隔3 h，給氣泵通電20 min，目的是為水中補(bǔ)充氧氣和模擬原位測試狀態(tài)下污水的流動(dòng)。試驗(yàn)開始后，給試驗(yàn)箱加蓋，防止升溫后試驗(yàn)箱內(nèi)水分流失過快，也模擬了污水管網(wǎng)內(nèi)相對封閉的環(huán)境。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過為期90 d的人工強(qiáng)化污水腐蝕，將混凝土試塊取出，測試每組試塊的抗壓強(qiáng)度值，并取平均值。另外，每組中的5個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度值若超過中間值的15% 時(shí)，應(yīng)舍去，取剩下數(shù)值的算數(shù)平均值作為此組試塊的抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，經(jīng)過90 d的人工強(qiáng)化污水腐蝕后，未涂刷清水混凝土保護(hù)劑的標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度均值為28.6 MPa；涂刷氟碳保護(hù)劑的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均值為35.04 MPa；涂刷有機(jī)硅保護(hù)劑的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均值為34.47 MPa；涂刷1層丙烯酸保護(hù)劑的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均值為34.10 MPa。圖1結(jié)果表明，在人工強(qiáng)化污水中腐蝕90 d的條件下，經(jīng)過3類清水混凝土保護(hù)劑涂刷過的混凝土試塊，它們的抗壓強(qiáng)度明顯高于未經(jīng)涂刷的標(biāo)準(zhǔn)試塊；經(jīng)過3類混凝土保護(hù)劑涂刷后的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度相差不多，其主要原因是清水混凝土保護(hù)劑能夠封堵混凝土表面的毛細(xì)孔及微裂縫，并且還會在混凝土表面形成一層致密的保護(hù)膜，進(jìn)而減緩混凝土內(nèi)部的氫氧化鈣滲出，也減緩了污水中的生物酸、化學(xué)酸、鹽類與混凝土接觸。因此，鹽類在混凝土毛細(xì)孔和微裂縫中的析出減緩，膨脹性石膏和鈣礬石在混凝土毛細(xì)孔及微裂縫中的生成減緩、混凝土表面pH下降減緩，嗜砼菌無法在混凝土表面生存和繁殖。所以清水混凝土保護(hù)劑能夠很好地減緩混凝土在污水環(huán)境中受到的物理破壞、化學(xué)侵蝕和生物腐蝕，從而減緩了污水中清水混凝土抗壓強(qiáng)度的下降速率。

圖1 污水腐蝕后混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度Figure 1 Compressive strength of the concrete specimens after sewage corrosion

4 結(jié)語

（1） 在人工強(qiáng)化污水腐蝕90 d的條件下，經(jīng)過氟碳類、有機(jī)硅類、丙烯酸類清水混凝土保護(hù)劑涂覆過的混凝土試塊，它們的抗壓強(qiáng)度顯著高于未經(jīng)涂覆的標(biāo)準(zhǔn)試塊。

（2） 在人工強(qiáng)化污水90 d腐蝕條件下，氟碳類、有機(jī)硅類、丙烯酸類清水混凝土保護(hù)劑對延緩混凝土強(qiáng)度下降的效果無明顯差異。

（3） 氟碳、有機(jī)硅、丙烯酸3類清水混凝土保護(hù)劑對污水中能對混凝土造成損害的物質(zhì)均有著不錯(cuò)的延緩進(jìn)入效果。

清水混凝土保護(hù)劑能夠很好地對污水環(huán)境中的混凝土起到保護(hù)作用，在污水管網(wǎng)、污水處理廠及一些經(jīng)常接觸污水的混凝土設(shè)施領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。