污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土腐蝕性能試驗(yàn)研究

朱海堂，范向前，張啟明，高丹盈

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001;2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京210024)

關(guān)于混凝土，一般都是在實(shí)驗(yàn)室按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得單一破壞因素作用下的耐久性指標(biāo)來(lái)考核其耐久性的.然而，實(shí)際污水處理系統(tǒng)中混凝土是在承受干濕循環(huán)作用下的雙重破壞因素的耐腐蝕問(wèn)題［1－3］.鋼纖維的摻加可以有效提高混凝土的耐久性.關(guān)于鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)物理力學(xué)性能的研究在國(guó)內(nèi)外已有很多，而對(duì)混凝土抗污水腐蝕耐久性能的研究國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少，有關(guān)污水環(huán)境下鋼纖維混凝土的耐久性報(bào)道更少，因此進(jìn)行污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土耐久性的試驗(yàn)研究極具實(shí)用價(jià)值.

城市污水對(duì)混凝土的腐蝕程度主要與化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等值有直接關(guān)系［4］.根據(jù)國(guó)內(nèi)若干城市生活污水成分組成的調(diào)查，生活污水中 COD為250 ～1 000 mg/L，BOD5為110～400 mg/L［5］.實(shí)際上如此小濃度的污水在短時(shí)間內(nèi)對(duì)污水處理系統(tǒng)和污水構(gòu)筑物的腐蝕是微不足道的，依此濃度進(jìn)行試驗(yàn)，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的腐蝕試驗(yàn)才能得出明顯的試驗(yàn)規(guī)律.為了在試驗(yàn)室加速腐蝕進(jìn)程，必須選擇一種快速、有效且符合實(shí)際情況的試驗(yàn)方法進(jìn)行替代.為此，筆者通過(guò)提高溶液濃度、進(jìn)行污水－干濕循環(huán)耦合及縮小試件尺寸，進(jìn)行了污水環(huán)境下鋼纖維混凝土的耐久性試驗(yàn).

干濕循環(huán)試驗(yàn)主要是模擬污水液面處混凝土所遭受的腐蝕.污水處理廠中，由于各類(lèi)處理池的污水量隨著城市污水排放量的不同而不斷變化，導(dǎo)致污水處理池中的液面出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的情況，從而使污水液面處的混凝土?xí)r而處于污水中，時(shí)而暴露在空氣中，這勢(shì)必會(huì)加劇腐蝕進(jìn)程.因此有必要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該工況進(jìn)行模擬研究，找出腐蝕規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件成型

1.1.1 混凝土原材料

水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，具體指標(biāo)見(jiàn)表1.粗骨料采用粒徑為5～10 mm的碎石，級(jí)配合格.細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的河砂，級(jí)配合格.鋼纖維采用扭曲形Ⅰ型纖維，主要指標(biāo)見(jiàn)表2.

1.1.2 試件尺寸

除了提高溶液濃度和進(jìn)行污水－干濕循環(huán)耦合腐蝕試驗(yàn)以外，參考相關(guān)文獻(xiàn)［6—7］，選擇的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，通過(guò)縮減試件尺寸提高腐蝕試驗(yàn)效率.鑒于鋼纖維混凝土的優(yōu)良特性，除普通混凝土耐久性試驗(yàn)以外，還選擇鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%的鋼纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)周期為6個(gè)月，每個(gè)試驗(yàn)齡期為1個(gè)月.

表1 水泥的物理及化學(xué)指標(biāo)

表2 鋼纖維主要參數(shù)指標(biāo)

1.1.3 混凝土配合比

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)和文獻(xiàn)［8］中關(guān)于纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，確定了混凝土配合比設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表3.參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CSCE 13∶2009)進(jìn)行混凝土試件的制作和養(yǎng)護(hù).

表3 混凝土設(shè)計(jì)配合比

1.2 腐蝕溶液的模擬

1.2.1 生活污水

以保證污水中的基本元素不至于減少為基準(zhǔn)，該試驗(yàn)通過(guò)向污水處理廠中低濃度的生活污水添加化學(xué)物質(zhì)配制而成［9］，為提高腐蝕效率，要求模擬生活污水的COD不小于5 000 mg/L.

配置完成的高濃度生活污水在試驗(yàn)過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間靜止放置，由于固體懸浮物的沉淀、微生物的降解、有機(jī)物的自身分解等原因，COD和pH值將不斷發(fā)生變化.鑒于此，每隔10 d向原溶液中添加一次化學(xué)物質(zhì)，并通過(guò)重鉻酸鉀法測(cè)試污水的COD以保證其在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中介于5 000～10 000 mg/L，酸堿性為中性.

1.2.2 工業(yè)廢水

為了對(duì)比高濃度的生活污水，試驗(yàn)中人工配置了一種高COD、高BOD的工業(yè)廢水進(jìn)行COD和BOD的加速腐蝕試驗(yàn).由于酸對(duì)混凝土的腐蝕也相當(dāng)嚴(yán)重，且很多工業(yè)廢水中除了COD濃度比較高外，還是強(qiáng)酸溶液.因此，在配置的高COD工業(yè)廢水中添加無(wú)機(jī)酸以得到高COD和酸性的混合溶液，從而考察COD和酸耦合作用對(duì)鋼纖維混凝土性能的影響.

1.2.3 清 水

為了消除試驗(yàn)過(guò)程中混凝土強(qiáng)度隨齡期增加這一影響因素，在進(jìn)行各污水環(huán)境下鋼纖維混凝土性能測(cè)試的同時(shí)，進(jìn)行清水浸泡環(huán)境下鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn).

1.3 干濕循環(huán)的模擬

為了更加客觀地模擬實(shí)際情況，該試驗(yàn)選擇工業(yè)污水和生活污水腐蝕與空氣中自然干燥進(jìn)行干濕循環(huán)，具體循環(huán)情況如圖1所示.其中生活污水中選擇鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%的試件進(jìn)行腐蝕，工業(yè)廢水中選擇鋼纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0.0%，0.5%，1.0%試件進(jìn)行腐蝕.

圖1 干濕循環(huán)模式

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腐蝕系數(shù)的定義

為有效對(duì)比污水－干濕循環(huán)耦合作用下不同體積率鋼纖維混凝土的耐腐蝕性能，并消除試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)齡期對(duì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的基礎(chǔ)上采用抗壓腐蝕系數(shù)(kcc)、抗折腐蝕系數(shù)(fcc)進(jìn)行分析.kcc，fcc為污水－干濕循環(huán)耦合作用下的試驗(yàn)值與同齡期清水組的試驗(yàn)值之比，即

式中:δs為抗壓強(qiáng)度;σs為抗折強(qiáng)度;δw為清水環(huán)境中與δs相對(duì)應(yīng)的同齡期抗壓強(qiáng)度;σw為清水環(huán)境中與σs相對(duì)應(yīng)的同齡期抗折強(qiáng)度.

2.2 污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土的力學(xué)性能

圖2為工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后試件C35，F(xiàn)C35－0.5，F(xiàn)C35 －1.0 的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度絕對(duì)值.圖3為相同配合比試件FC35－0.5在生活污水和工業(yè)廢水兩種不同腐蝕環(huán)境下經(jīng)歷干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的絕對(duì)值.

由圖2可知:工業(yè)廢水環(huán)境下，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)齡期內(nèi)，隨著試驗(yàn)齡期的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先升高后降低;鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%的試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大，普通混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最小;鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度則處于中間值，即鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0.0% ～1.0%的范圍內(nèi)，經(jīng)污水－干濕循環(huán)耦合作用腐蝕后的鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸增大.

這主要是因?yàn)?在最初兩個(gè)腐蝕齡期內(nèi)，污水中的雜質(zhì)通過(guò)鋼纖維混凝土表面的微小裂縫滲透到試件內(nèi)部，填補(bǔ)了試件內(nèi)部的微小空隙，增加了試件內(nèi)部的密實(shí)性，從而提高鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度;隨后，滲透到試件內(nèi)部的雜質(zhì)和試件周?chē)碾s質(zhì)同時(shí)與鋼纖維混凝土發(fā)生反應(yīng)，鋼纖維混凝土試件內(nèi)外遭受污水的雙重腐蝕;在試驗(yàn)齡期內(nèi)，高濃度污水不斷補(bǔ)充鋼纖維混凝土試件內(nèi)外腐蝕介質(zhì)，使得腐蝕程度不斷加劇.因此，鋼纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度在增加一段時(shí)間后開(kāi)始逐漸降低.

由圖3可知，相同配合比的鋼纖維混凝土試件，經(jīng)生活污水－干濕循環(huán)腐蝕后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均大于經(jīng)工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.這主要是由于生活污水中的主要腐蝕因子為COD，而試驗(yàn)所用的工業(yè)廢水腐蝕溶液除具有腐蝕因子COD外，還具有一定的酸堿度，比生活污水更具腐蝕性.從而說(shuō)明，COD和酸的綜合作用對(duì)鋼纖維混凝土的腐蝕程度大于COD單因子對(duì)鋼纖維混凝土的腐蝕程度.

2.3 污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土腐蝕系數(shù)變化規(guī)律

圖4為經(jīng)工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后試件C35，F(xiàn)C35－0.5，F(xiàn)C35 －1.0 的抗壓腐蝕系數(shù)和抗折腐蝕系數(shù).圖5為FC35－0.5在生活污水和工業(yè)廢水兩種不同腐蝕條件下經(jīng)歷干濕循環(huán)腐蝕后的抗壓腐蝕系數(shù)和抗折腐蝕系數(shù).

由圖4可知，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的幾種配合比的鋼纖維混凝土試件的抗壓腐蝕系數(shù)和抗折腐蝕系數(shù)均隨著試驗(yàn)齡期的增加而逐漸減小.經(jīng)6個(gè)月的工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后，試件 C35，F(xiàn)C35－0.5，F(xiàn)C35－1.0的抗壓腐蝕系數(shù)分別降低了33%，37%，31%;抗折腐蝕系數(shù)分別降低了15%，12%，10%.

對(duì)于浸泡在污水腐蝕溶液中的鋼纖維混凝土試件，腐蝕溶液與試件表層、試件表層與試件內(nèi)部之間存在腐蝕介質(zhì)含量差.這種含量差驅(qū)使污水中的腐蝕介質(zhì)以擴(kuò)散方式向鋼纖維混凝土試件內(nèi)部滲透，基本符合Fick第二定律.污水腐蝕溶液?jiǎn)我蛩亟輻l件下，鋼纖維混凝土試件處于近似水飽和而無(wú)水頭壓力的狀態(tài)，溶液流速為零.遭受污水－干濕循環(huán)侵蝕的鋼纖維混凝土，其毛細(xì)管虹吸壓力對(duì)水流的作用等同于水飽和鋼纖維混凝土遭受一定水頭壓力的效果［10］，故污水－干濕循環(huán)會(huì)加速鋼纖維混凝土試件內(nèi)部腐蝕介質(zhì)的遷移，且固定的混凝土試件，其腐蝕因子擴(kuò)散系數(shù)一定.

而對(duì)于干濕循環(huán)鋼纖維混凝土試件，由于外界環(huán)境比較干燥，當(dāng)飽水后的鋼纖維混凝土試件經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然風(fēng)干后，試件毛細(xì)管中的孔隙水不斷向外蒸發(fā)，試件表層孔隙液中的腐蝕介質(zhì)含量增大，試件表層與內(nèi)部之間形成腐蝕介質(zhì)含量差，這一差值驅(qū)使試件孔隙液中的腐蝕介質(zhì)向試件內(nèi)部擴(kuò)散.隨著自然風(fēng)干時(shí)間的延長(zhǎng)，試件中孔隙水不斷減少，孔隙液中的腐蝕介質(zhì)因子不斷結(jié)晶析出，這樣風(fēng)干時(shí)水分向外滲透，而污染物腐蝕介質(zhì)則向試件內(nèi)部遷移，待下一次浸泡時(shí)，腐蝕溶液又滲入試件中的毛細(xì)管.在干濕交替作用下，溶液中的腐蝕介質(zhì)在毛細(xì)管吸附作用下不斷滲入鋼纖維混凝土試件中［11］.

由圖5可知，同一配比鋼纖維混凝土試件(FC35－0.5)，對(duì)比生活污水和工業(yè)廢水兩種環(huán)境，經(jīng)6個(gè)月干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度所遭受的腐蝕劣化程度是不同的.生活污水環(huán)境下，試件FC35－0.5的抗壓腐蝕系數(shù)降低了4%，抗折腐蝕系數(shù)降低了12%.相應(yīng)地，在工業(yè)廢水環(huán)境下，試件FC35－0.5的抗壓腐蝕系數(shù)降低了33%，抗折腐蝕系數(shù)降低了15%.可見(jiàn)，工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后鋼纖維混凝土試件的腐蝕系數(shù)均小于生活污水－干濕循環(huán)腐蝕后的腐蝕系數(shù)，從而反映出工業(yè)廢水對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的腐蝕劣化程度均強(qiáng)于生活污水，進(jìn)一步說(shuō)明了COD和pH值的綜合作用對(duì)鋼纖維混凝土的腐蝕劣化程度大于COD單因素對(duì)鋼纖維混凝土的腐蝕劣化程度.

3 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)耐久性試驗(yàn)齡期長(zhǎng)的特點(diǎn)，提出了提高腐蝕液濃度、縮小試件尺寸以及進(jìn)行干濕循環(huán)的試驗(yàn)方案，以抗壓腐蝕系數(shù)和抗折腐蝕系數(shù)的形式更加精確地描述了耐久性試驗(yàn)結(jié)果.

2)在設(shè)計(jì)試驗(yàn)齡期內(nèi)，隨著試驗(yàn)齡期的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先增大后減小.鋼纖維體積率越大，其耐污水－干濕循環(huán)腐蝕性能越好.相同配合比試件遭受工業(yè)廢水－干濕循環(huán)的腐蝕程度大于遭受生活污水－干濕循環(huán)的腐蝕程度.

3)鋼纖維混凝土試件浸泡于污水腐蝕溶液時(shí)，腐蝕溶液與試件表層、試件表層與試件內(nèi)部之間存在腐蝕介質(zhì)含量差.這種差值驅(qū)使污水中的腐蝕介質(zhì)以擴(kuò)散方式向鋼纖維混凝土試件內(nèi)部滲透，而干濕循環(huán)模式加速了這一滲透進(jìn)程，從而增加了腐蝕程度.

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