朱海堂，范向前，張啟明，高丹盈

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

關(guān)于混凝土，一般都是在實驗室按照現(xiàn)有標準測得單一破壞因素作用下的耐久性指標來考核其耐久性的.然而，實際污水處理系統(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)物理力學性能的研究在國內(nèi)外已有很多，而對混凝土抗污水腐蝕耐久性能的研究國內(nèi)外報道較少，有關(guān)污水環(huán)境下鋼纖維混凝土的耐久性報道更少，因此進行污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土耐久性的試驗研究極具實用價值.

城市污水對混凝土的腐蝕程度主要與化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等值有直接關(guān)系［4］.根據(jù)國內(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］.實際上如此小濃度的污水在短時間內(nèi)對污水處理系統(tǒng)和污水構(gòu)筑物的腐蝕是微不足道的，依此濃度進行試驗，需要經(jīng)過長期的腐蝕試驗才能得出明顯的試驗規(guī)律.為了在試驗室加速腐蝕進程，必須選擇一種快速、有效且符合實際情況的試驗方法進行替代.為此，筆者通過提高溶液濃度、進行污水－干濕循環(huán)耦合及縮小試件尺寸，進行了污水環(huán)境下鋼纖維混凝土的耐久性試驗.

干濕循環(huán)試驗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，導致污水處理池中的液面出現(xiàn)時高時低的情況，從而使污水液面處的混凝土時而處于污水中，時而暴露在空氣中，這勢必會加劇腐蝕進程.因此有必要在實驗室對該工況進行模擬研究，找出腐蝕規(guī)律.

1 試驗概況

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，具體指標見表1.粗骨料采用粒徑為5～10 mm的碎石，級配合格.細骨料采用細度模數(shù)為2.5的河砂，級配合格.鋼纖維采用扭曲形Ⅰ型纖維，主要指標見表2.

1.1.2 試件尺寸

除了提高溶液濃度和進行污水－干濕循環(huán)耦合腐蝕試驗以外，參考相關(guān)文獻［6—7］，選擇的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，通過縮減試件尺寸提高腐蝕試驗效率.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以外，還選擇鋼纖維體積分數(shù)為0.5%，1.0%的鋼纖維混凝土進行試驗.試驗周期為6個月，每個試驗齡期為1個月.

表1 水泥的物理及化學指標

表2 鋼纖維主要參數(shù)指標

1.1.3 混凝土配合比

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)和文獻［8］中關(guān)于纖維混凝土配合比設計的相關(guān)內(nèi)容，確定了混凝土配合比設計情況見表3.參考《鋼纖維混凝土試驗方法標準》(CSCE 13∶2009)進行混凝土試件的制作和養(yǎng)護.

表3 混凝土設計配合比

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，該試驗通過向污水處理廠中低濃度的生活污水添加化學物質(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過程中需要長時間靜止放置，由于固體懸浮物的沉淀、微生物的降解、有機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物質(zhì)，并通過重鉻酸鉀法測試污水的COD以保證其在整個試驗過程中介于5 000～10 000 mg/L，酸堿性為中性.

1.2.2 工業(yè)廢水

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

1.2.3 清 水

為了消除試驗過程中混凝土強度隨齡期增加這一影響因素，在進行各污水環(huán)境下鋼纖維混凝土性能測試的同時，進行清水浸泡環(huán)境下鋼纖維混凝土的基本力學性能試驗.

1.3 干濕循環(huán)的模擬

為了更加客觀地模擬實際情況，該試驗選擇工業(yè)污水和生活污水腐蝕與空氣中自然干燥進行干濕循環(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數(shù)為0.5%的試件進行腐蝕，工業(yè)廢水中選擇鋼纖維體積分數(shù)分別為0.0%，0.5%，1.0%試件進行腐蝕.

圖1 干濕循環(huán)模式

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 腐蝕系數(shù)的定義

為有效對比污水－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，并消除試驗過程中試驗齡期對鋼纖維混凝土強度的影響，試驗結(jié)果在進行抗壓強度和抗折強度的基礎(chǔ)上采用抗壓腐蝕系數(shù)(kcc)、抗折腐蝕系數(shù)(fcc)進行分析.kcc，fcc為污水－干濕循環(huán)耦合作用下的試驗值與同齡期清水組的試驗值之比，即

式中:δs為抗壓強度;σs為抗折強度;δw為清水環(huán)境中與δs相對應的同齡期抗壓強度;σw為清水環(huán)境中與σs相對應的同齡期抗折強度.

2.2 污水－干濕循環(huán)耦合作用下鋼纖維混凝土的力學性能

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 的抗壓強度與抗折強度絕對值.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)后抗壓強度和抗折強度的絕對值.

由圖2可知:工業(yè)廢水環(huán)境下，在設計試驗齡期內(nèi)，隨著試驗齡期的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度均先升高后降低;鋼纖維體積分數(shù)為1.0%的試件的抗壓強度和抗折強度均最大，普通混凝土試件的抗壓強度和抗折強度均最小;鋼纖維體積分數(shù)為0.5%的抗壓強度和抗折強度則處于中間值，即鋼纖維體積分數(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度和抗折強度均隨鋼纖維體積分數(shù)的增加逐漸增大.

這主要是因為:在最初兩個腐蝕齡期內(nèi)，污水中的雜質(zhì)通過鋼纖維混凝土表面的微小裂縫滲透到試件內(nèi)部，填補了試件內(nèi)部的微小空隙，增加了試件內(nèi)部的密實性，從而提高鋼纖維混凝土的抗壓強度;隨后，滲透到試件內(nèi)部的雜質(zhì)和試件周圍的雜質(zhì)同時與鋼纖維混凝土發(fā)生反應，鋼纖維混凝土試件內(nèi)外遭受污水的雙重腐蝕;在試驗齡期內(nèi)，高濃度污水不斷補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度在增加一段時間后開始逐漸降低.

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)腐蝕后的抗壓強度和抗折強度均大于經(jīng)工業(yè)廢水－干濕循環(huán)腐蝕后的抗壓強度和抗折強度.這主要是由于生活污水中的主要腐蝕因子為COD，而試驗所用的工業(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.從而說明，COD和酸的綜合作用對鋼纖維混凝土的腐蝕程度大于COD單因子對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，試驗設計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)均隨著試驗齡期的增加而逐漸減小.經(jīng)6個月的工業(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.污水腐蝕溶液單因素浸泡條件下，鋼纖維混凝土試件處于近似水飽和而無水頭壓力的狀態(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，其毛細管虹吸壓力對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，其腐蝕因子擴散系數(shù)一定.

而對于干濕循環(huán)鋼纖維混凝土試件，由于外界環(huán)境比較干燥，當飽水后的鋼纖維混凝土試件經(jīng)過一段時間的自然風干后，試件毛細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)部擴散.隨著自然風干時間的延長，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，這樣風干時水分向外滲透，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，腐蝕溶液又滲入試件中的毛細管.在干濕交替作用下，溶液中的腐蝕介質(zhì)在毛細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)，對比生活污水和工業(yè)廢水兩種環(huán)境，經(jīng)6個月干濕循環(huán)后試件的抗壓強度和抗折強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，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)廢水對混凝土抗壓強度和抗折強度的腐蝕劣化程度均強于生活污水，進一步說明了COD和pH值的綜合作用對鋼纖維混凝土的腐蝕劣化程度大于COD單因素對鋼纖維混凝土的腐蝕劣化程度.

3 結(jié)語

1)針對耐久性試驗齡期長的特點，提出了提高腐蝕液濃度、縮小試件尺寸以及進行干濕循環(huán)的試驗方案，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結(jié)果.

2)在設計試驗齡期內(nèi)，隨著試驗齡期的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度先增大后減小.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，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程，從而增加了腐蝕程度.

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