污水環境中清水混凝土保護劑對混凝土抗壓強度的影響

程梨明，周 永，馬軍旗，張云鵬，李 芳，柳志丹，陳軍程，張志增

（1.中原工學院建筑工程學院，河南鄭州 450007；2.中電建路橋集團有限公司，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，使得城市規模不斷擴大。城市規模的擴大帶來了更多的生活污水與工業污水，混凝土作為污水處理廠和污水管網常用的建筑材料，其長時間在污水環境中的抗壓強度是評判混凝土性能的重要指標之一。

一般情況下，混凝土的正常使用年限為60～70 a。但污水這種特殊環境給混凝土造成的物理破壞、化學侵蝕、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。建筑物重建與維護的過程中不僅會造成資源與能源的浪費，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理

1.1 物理破壞

混凝土內部具有多孔結構，大致分為凝膠孔、毛細孔和大氣孔3類，其中毛細孔占比約為1/5［1］。污水管道和污水處理設施長期處在干濕循環的狀態下，在濕潤狀態下，污水中的鹽類溶液通過混凝土中的毛細孔進入混凝土內部，當環境干燥時，孔隙中的鹽結晶膨脹，產生一定應力，長此以往，混凝土孔隙內的結晶應力達到一定程度，便會導致混凝土的開裂［2］。

1.2 化學侵蝕

生活污水及工業廢水中存在大量的硫酸鹽。硫酸鹽會通過混凝土的毛細孔與微裂縫滲入到混凝土內部，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，會修復混凝土的毛細孔與微裂縫，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孔與微裂縫中積累，不但導致混凝土內部應力不斷加大，使混凝土開裂，而且加快腐蝕，使混凝土的強度降低。

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生反應，生成碳酸鈣，即混凝土碳化［3］。碳化反應會降低混凝土的pH，長此以往會導致混凝土的強度降低。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菌生長代謝過程中產生的生物硫酸會使混凝土腐蝕。隨著研究的深入，現在普遍認為微生物導致混凝土腐蝕的主要原因是在無氧環境下，污水中的有機硫和硫酸鹽會被硫酸還原菌還原成硫化氫，硫化氫氣體進入管道中未被液體充滿的區域，在有氧環境下被硫酸氧化菌氧化成生物酸。生物酸與混凝土內部的氫氧化鈣發生反應，不僅會產生石膏和鈣礬石導致混凝土開裂，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構發生腐蝕破壞。

2 解決問題的途徑與辦法

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

本研究通過試驗，探究污水環境中清水混凝土保護劑對混凝土抗壓強度的影響。

3 試驗部分

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；細骨料：細度模數為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。

混凝土強度按C40標準配制，水灰比為0.5，經過多次適配，具體配合比如表1所示。

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

成型后的試塊規格為100 mm×100 mm×100 mm，為了不影響后續清水混凝土保護劑的涂覆以及試驗結果的可靠性，在澆筑的時候不在模板上涂刷脫模劑。澆筑完成后48 h將模板拆除，然后將試塊置于標準養護室養護28 d，取出試塊，用干抹布擦干其表面，放入60 ℃的烘箱中進行干燥處理，直到試塊質量不再發生變化后，將其從烘箱中拿出，備用［6］。

3.2 污水的人工強化

考慮到原位腐蝕周期較長，本試驗將污水加以人工強化以加快試驗進度。化學需氧量（COD）通常作為衡量水中有機物質含量的標準，一般生活污水中的COD含量在300 mg/L左右。人工強化污水的配制方式為在水中加入生活污水與工業污水中常見的碳源、氮源以及鹽類，調節水的酸堿度，并進行硫酸氧化菌、硫酸還原菌、噬砼菌的接種。最終得到的人工強化污水的指標如表2所示。

表2 人工強化污水的指標Table 2 Artificially enhanced sewage indicators

3.3 試塊的涂刷

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

（1）用砂紙、銼刀等工具對上述養護好的混凝土試塊表面進行打磨，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組分別進行丙烯酸類清水混凝土保護劑、有機硅類清水混凝土保護劑和氟碳類清水混凝土保護劑的涂裝。

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

3.4 強化污水中混凝土試塊的腐蝕

做好標記后，將準備好的4組試塊有序放置于一個矩形帶蓋的試驗箱內，相鄰試塊之間應最少保持30 mm的間距，試塊與容器壁的間距應不小于30 mm，加入調配好的強化污水并沒過試件的2/3處。試驗箱中內置恒溫裝置，將強化污水溫度恒定在最適宜細菌生長繁殖的32 ℃。每間隔3 h，給氣泵通電20 min，目的是為水中補充氧氣和模擬原位測試狀態下污水的流動。試驗開始后，給試驗箱加蓋，防止升溫后試驗箱內水分流失過快，也模擬了污水管網內相對封閉的環境。

3.5 試驗結果

經過為期90 d的人工強化污水腐蝕，將混凝土試塊取出，測試每組試塊的抗壓強度值，并取平均值。另外，每組中的5個試塊的抗壓強度值若超過中間值的15% 時，應舍去，取剩下數值的算數平均值作為此組試塊的抗壓強度值，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，經過90 d的人工強化污水腐蝕后，未涂刷清水混凝土保護劑的標準試塊的抗壓強度均值為28.6 MPa；涂刷氟碳保護劑的混凝土試塊的抗壓強度均值為35.04 MPa；涂刷有機硅保護劑的混凝土試塊的抗壓強度均值為34.47 MPa；涂刷1層丙烯酸保護劑的混凝土試塊的抗壓強度均值為34.10 MPa。圖1結果表明，在人工強化污水中腐蝕90 d的條件下，經過3類清水混凝土保護劑涂刷過的混凝土試塊，它們的抗壓強度明顯高于未經涂刷的標準試塊；經過3類混凝土保護劑涂刷后的混凝土試塊的抗壓強度相差不多，其主要原因是清水混凝土保護劑能夠封堵混凝土表面的毛細孔及微裂縫，并且還會在混凝土表面形成一層致密的保護膜，進而減緩混凝土內部的氫氧化鈣滲出，也減緩了污水中的生物酸、化學酸、鹽類與混凝土接觸。因此，鹽類在混凝土毛細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劑能夠很好地減緩混凝土在污水環境中受到的物理破壞、化學侵蝕和生物腐蝕，從而減緩了污水中清水混凝土抗壓強度的下降速率。

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

4 結語

（1） 在人工強化污水腐蝕90 d的條件下，經過氟碳類、有機硅類、丙烯酸類清水混凝土保護劑涂覆過的混凝土試塊，它們的抗壓強度顯著高于未經涂覆的標準試塊。

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

（3） 氟碳、有機硅、丙烯酸3類清水混凝土保護劑對污水中能對混凝土造成損害的物質均有著不錯的延緩進入效果。

清水混凝土保護劑能夠很好地對污水環境中的混凝土起到保護作用，在污水管網、污水處理廠及一些經常接觸污水的混凝土設施領域應用前景廣闊。