嚴寒地區垃圾滲濾液對混凝土耐久性的影響

畢帥帥，許鐵夫，陳悅佳，黃 瑜，張 博

(黑龍江大學 a.水利電力學院；b.建筑工程學院，哈爾濱 150080)

1 概 述

目前，國內外生活垃圾的無害化處理主要有填埋、焚燒和堆肥3種方法。相對于焚燒和堆肥，垃圾填埋是現階段我國生活垃圾處理的最主要方式。當前，我國各省城市共有垃圾填埋場644座，年處理垃圾量達7 772×104t[1-2]。生活垃圾自身含有的有機物和無機物再加上雨雪等外來水分的滲入，經過長期的反應和發酵會形成化學成分非常復雜的高濃度有機廢水[3]。近10年來，我國垃圾滲濾液的產量呈上升趨勢[4](圖1)，由垃圾滲濾液帶來的對混凝土耐久性的影響已成為目前迫切需要解決的問題。

圖1 我國垃圾滲濾液產量及增長率(2011-2020年)

在垃圾填埋場中存在許多混凝土構筑物，如垃圾滲濾液收集池和垃圾處理區等。這些混凝土構筑物在垃圾滲濾液的長期浸泡下很容易產生損壞，特別是在我國北方的嚴寒地區，凍融破壞更是加劇了垃圾滲濾液對混凝土構筑物的侵蝕作用。經研究發現，垃圾滲濾液含有多種污染物，其中包括有機物、重金屬、氯離子和硫酸根離子等(表1)，混凝土構筑物長期浸泡在含有高濃度鹽離子的垃圾滲濾液中，其耐久性會受到嚴重影響[5]，加之嚴寒地區凍融循環的耦合作用會使整個混凝土構筑物的壽命發生嚴重折減。

表1 垃圾滲濾液中的污染物及其對混凝土的影響

2 垃圾滲濾液對混凝土耐久性影響的研究現狀

目前，已有越來越多的學者開始關注垃圾滲濾液對混凝土耐久性的影響。Aleksandra Wdowczyk等[10]對4個城市垃圾填埋場進行現場多維統計，檢測出相關研究指標并設置了影響性試驗，以此綜合研究垃圾滲濾液的性質，為后期研究垃圾滲濾液對混凝土影響奠定理論基礎。漆明毅[11]介紹了一種新興的測定材料微觀力學方面的方法——微納米壓痕試驗，并結合混凝土單軸壓縮試驗研究了混凝土在受垃圾滲濾液侵蝕條件下的微觀和宏觀力學特性變化規律，相關試驗研究結果可以作為科學依據來了解垃圾滲濾液在微觀、宏觀方面對混凝土的影響。Ben Li等[12]提出了一種新的離子輸運模型，通過氯離子腐蝕與凍融循環耦合試驗數據驗證了模型的有效性，該模型可以彌補當前凍融循環對氯離子擴散影響研究的不足。孫丹丹等[13]提出了一個基于可靠性的數值模型，該模型能夠有效評估在硫酸鹽侵蝕下的混凝土變化狀態，也能有效描述整個腐蝕過程中硫酸鹽離子的活性傳輸行為。DUBRAVKA Bjegovic[14]表示微生物侵蝕會導致混凝土的嚴重破壞, 導致了一些處于惡劣環境下的混凝土構筑物過早受損產生破壞, 使其需要提前修復，因此著重對容易遭受微生物侵蝕的水工混凝土構筑物作了分析研究，并提出了后期混凝土抵抗微生物侵蝕的保護方法。劉駿霓等[15]綜述了混凝土自身和外部環境因素對寒區水工混凝土的冰凍害影響，提出了一套完整的體系，能清晰地反映出外加材料對混凝土的增強作用，通過技術規范驗證后能擴大其實際工程應用。見表2。

表2 國內外垃圾滲濾液對混凝土耐久性作用的研究總結

基于上文提及的研究方法，許多學者從影響因素方面對混凝土耐久性進行了大量的研究。在凍融破壞方面，Rustamov Sardorbek[16]分析了混凝土受凍融破壞的機理，對混凝土提高抗凍性的方法做了分析總結，最后通過試驗研究證明所歸納的方法能有效提高混凝土的抗凍性能；張一奔[17]結合已有的凍融機理，通過對材料性能研究和數值模擬相結合的方式對混凝土的凍融機理作了進一步完善。在微生物侵蝕方面，Osman Khaled M[18]發現微生物能夠有效改變混凝土的外觀和內部結構，通過試驗得出混凝土在宏觀方向上的受腐蝕演變規律；張新麗[19]通過類似的方式對微生物作用混凝土的機理進行研究，并建立了相關的預測方程來預測受侵蝕混凝土構筑物的壽命折減。在高鹽類侵蝕方面，Wang Hui等[20]通過試驗研究發現，氯鹽能夠改變內部鈍化膜的組成成分，使鋼筋混凝土發生膨脹損壞；沈晨曦等[21]通過試驗也進一步得出高鹽侵蝕混凝土耐久性具有強烈的影響作用。在高濃度有機物侵蝕方面，韓靜云等[22]綜合國內外研究發現，垃圾滲濾液中的高濃度有機物能改變垃圾滲濾液的pH值，從而對混凝土的耐久性產生影響。見表3。

表3 垃圾滲濾液對混凝土耐久性影響因素的研究總結

通過以上研究發現，垃圾滲濾液中含有的多種因素均在不同程度上對混凝土耐久性產生影響。但因為存在環境差異，在實際的環境中這些影響因素在不同環境下的作用機理往往存在較大的區別。特別是當環境復雜的情況下，必須考慮到多種因素的耦合作用對混凝土耐久性的影響，才能更準確地建立起相關研究機理。

3 嚴寒地區垃圾滲濾液作用的機理分析

在我國北方的嚴寒地區，季節性寒冷干濕交替的氣候環境會使垃圾滲濾液的性質產生變化，也會對此環境中的混凝土構筑物造成破壞。根據過往研究發現，凍融與垃圾滲濾液能對混凝土構筑物產生一種相互促進的耦合作用，其中凍融容易引起混凝土構筑物的表皮脫落，使內部孔隙和裂縫變大，增大了垃圾滲濾液與之的接觸面積，加劇了垃圾滲濾液中污染物進入混凝土內部的速率。

受到凍融破壞后，失去保護層的混凝土更容易被垃圾滲濾液中含有的有害物質腐蝕。其中，氯離子在進入鋼筋混凝土構筑物的孔隙后，一部分會與其他物質發生化學反應生成Friedel鹽，使混凝土構筑物的孔隙率減小，降低了其他離子的傳輸速率；另一部分以游離態存在于孔隙中，這種游離態的氯離子會使混凝土中的鋼筋銹蝕產生膨脹應力，從而導致混凝土開裂。硫酸根離子在進入鋼筋混凝土構筑物的孔隙后，會與其中的水化產物發生化學反應產生具有膨脹性的鈣礬石[23]。當反應進行到一定程度后，過量的鈣礬石會對孔隙內壁產生應力，致使混凝土內壁產生裂縫。伴隨著凍融和鹽離子侵蝕程度的加深，垃圾滲濾液中的微生物對混凝土構筑物的侵蝕也會進一步加快，微生物在代謝過程中會產生一些酸性物質，這些生物酸會與混凝土內部的堿性水化產物反應產生水溶性的鹽，經水沖刷后降低了混凝土內部的密實結構，使混凝土的結構耐久性大大降低。

由于鹽類和微生物等因素造成混凝土孔隙加大，會使水分子更容易進入。在下一個凍融季來臨時，受凍膨脹會繼續加劇凍融循環對混凝土的影響，以此形成惡性循環，會對混凝土構筑物產生巨大影響。圖2為嚴寒地區垃圾滲濾液對混凝土構筑物侵蝕的反應機理。

圖2 嚴寒地區垃圾滲濾液侵蝕混凝土機理

在以上影響因素中，會因為混凝土構筑物的結構不同及所處環境的不同而產生差異。如在垃圾滲濾液收集池中，滲濾液中含有的微生物和鹽離子會對收集池的池壁產生強烈影響，在池內反應產生的H2S氣體會進一步反應產生硫酸，會對收集池的池壁產生嚴重的腐蝕；而深埋在填埋區的一些混凝土構筑物受到的土壤污染和外界氣溫的影響則占據主導地位。目前，對于不同因素耦合作用影響機制的研究是非常欠缺的，因此在未來應著重關注對此方向上的研究。

4 結論和展望

國內外的大量研究證明，垃圾滲濾液對混凝土耐久性有明顯的負面影響。而處于嚴寒地區的垃圾填埋場在受垃圾滲濾液侵蝕的同時又會受到凍融循環的作用，凍融循環會使混凝土構筑物的外表面產生明顯的裂縫、骨料脫落等，這會加劇垃圾滲濾液中的鹽離子和微生物等有害物質進入混凝土構筑物的內部，多種因素的疊加作用會對整個混凝土構筑物和結構耐久性產生巨大影響，從而使混凝土構筑物的使用壽命大大折減。

目前，垃圾滲濾液對混凝土耐久性影響的諸多單因素的研究成果已逐漸豐富，并且證明了這些因素會對混凝土構筑物產生巨大影響。但由于條件限制，對于多種因素耦合作用和機理的研究還不夠充分。因此，在未來有必要進一步研究耦合性試驗，建立相應的試驗模型并完善相關的研究機理，以期為嚴寒地區的實際工程案例的建設和防護提供更好的參考。