污水－干湿循环耦合作用下钢纤维混凝土腐蚀性能试验研究

朱海堂，范向前，张启明，高丹盈

(1.郑州大学 水利与环境学院，河南郑州450001;2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京210024)

关于混凝土，一般都是在实验室按照现有标准测得单一破坏因素作用下的耐久性指标来考核其耐久性的.然而，实际污水处理系统中混凝土是在承受干湿循环作用下的双重破坏因素的耐腐蚀问题［1－3］.钢纤维的掺加可以有效提高混凝土的耐久性.关于钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)物理力学性能的研究在国内外已有很多，而对混凝土抗污水腐蚀耐久性能的研究国内外报道较少，有关污水环境下钢纤维混凝土的耐久性报道更少，因此进行污水－干湿循环耦合作用下钢纤维混凝土耐久性的试验研究极具实用价值.

城市污水对混凝土的腐蚀程度主要与化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等值有直接关系［4］.根据国内若干城市生活污水成分组成的调查，生活污水中 COD为250 ～1 000 mg/L，BOD5为110～400 mg/L［5］.实际上如此小浓度的污水在短时间内对污水处理系统和污水构筑物的腐蚀是微不足道的，依此浓度进行试验，需要经过长期的腐蚀试验才能得出明显的试验规律.为了在试验室加速腐蚀进程，必须选择一种快速、有效且符合实际情况的试验方法进行替代.为此，笔者通过提高溶液浓度、进行污水－干湿循环耦合及缩小试件尺寸，进行了污水环境下钢纤维混凝土的耐久性试验.

干湿循环试验主要是模拟污水液面处混凝土所遭受的腐蚀.污水处理厂中，由于各类处理池的污水量随着城市污水排放量的不同而不断变化，导致污水处理池中的液面出现时高时低的情况，从而使污水液面处的混凝土时而处于污水中，时而暴露在空气中，这势必会加剧腐蚀进程.因此有必要在实验室对该工况进行模拟研究，找出腐蚀规律.

1 试验概况

1.1 试件成型

1.1.1 混凝土原材料

水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，具体指标见表1.粗骨料采用粒径为5～10 mm的碎石，级配合格.细骨料采用细度模数为2.5的河砂，级配合格.钢纤维采用扭曲形Ⅰ型纤维，主要指标见表2.

1.1.2 试件尺寸

除了提高溶液浓度和进行污水－干湿循环耦合腐蚀试验以外，参考相关文献［6—7］，选择的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，通过缩减试件尺寸提高腐蚀试验效率.鉴于钢纤维混凝土的优良特性，除普通混凝土耐久性试验以外，还选择钢纤维体积分数为0.5%，1.0%的钢纤维混凝土进行试验.试验周期为6个月，每个试验龄期为1个月.

表1 水泥的物理及化学指标

表2 钢纤维主要参数指标

1.1.3 混凝土配合比

根据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)和文献［8］中关于纤维混凝土配合比设计的相关内容，确定了混凝土配合比设计情况见表3.参考《钢纤维混凝土试验方法标准》(CSCE 13∶2009)进行混凝土试件的制作和养护.

表3 混凝土设计配合比

1.2 腐蚀溶液的模拟

1.2.1 生活污水

以保证污水中的基本元素不至于减少为基准，该试验通过向污水处理厂中低浓度的生活污水添加化学物质配制而成［9］，为提高腐蚀效率，要求模拟生活污水的COD不小于5 000 mg/L.

配置完成的高浓度生活污水在试验过程中需要长时间静止放置，由于固体悬浮物的沉淀、微生物的降解、有机物的自身分解等原因，COD和pH值将不断发生变化.鉴于此，每隔10 d向原溶液中添加一次化学物质，并通过重铬酸钾法测试污水的COD以保证其在整个试验过程中介于5 000～10 000 mg/L，酸碱性为中性.

1.2.2 工业废水

为了对比高浓度的生活污水，试验中人工配置了一种高COD、高BOD的工业废水进行COD和BOD的加速腐蚀试验.由于酸对混凝土的腐蚀也相当严重，且很多工业废水中除了COD浓度比较高外，还是强酸溶液.因此，在配置的高COD工业废水中添加无机酸以得到高COD和酸性的混合溶液，从而考察COD和酸耦合作用对钢纤维混凝土性能的影响.

1.2.3 清 水

为了消除试验过程中混凝土强度随龄期增加这一影响因素，在进行各污水环境下钢纤维混凝土性能测试的同时，进行清水浸泡环境下钢纤维混凝土的基本力学性能试验.

1.3 干湿循环的模拟

为了更加客观地模拟实际情况，该试验选择工业污水和生活污水腐蚀与空气中自然干燥进行干湿循环，具体循环情况如图1所示.其中生活污水中选择钢纤维体积分数为0.5%的试件进行腐蚀，工业废水中选择钢纤维体积分数分别为0.0%，0.5%，1.0%试件进行腐蚀.

图1 干湿循环模式

2 试验结果与讨论

2.1 腐蚀系数的定义

为有效对比污水－干湿循环耦合作用下不同体积率钢纤维混凝土的耐腐蚀性能，并消除试验过程中试验龄期对钢纤维混凝土强度的影响，试验结果在进行抗压强度和抗折强度的基础上采用抗压腐蚀系数(kcc)、抗折腐蚀系数(fcc)进行分析.kcc，fcc为污水－干湿循环耦合作用下的试验值与同龄期清水组的试验值之比，即

式中:δs为抗压强度;σs为抗折强度;δw为清水环境中与δs相对应的同龄期抗压强度;σw为清水环境中与σs相对应的同龄期抗折强度.

2.2 污水－干湿循环耦合作用下钢纤维混凝土的力学性能

图2为工业废水－干湿循环腐蚀后试件C35，FC35－0.5，FC35 －1.0 的抗压强度与抗折强度绝对值.图3为相同配合比试件FC35－0.5在生活污水和工业废水两种不同腐蚀环境下经历干湿循环后抗压强度和抗折强度的绝对值.

由图2可知:工业废水环境下，在设计试验龄期内，随着试验龄期的增加，钢纤维混凝土的抗压强度和抗折强度均先升高后降低;钢纤维体积分数为1.0%的试件的抗压强度和抗折强度均最大，普通混凝土试件的抗压强度和抗折强度均最小;钢纤维体积分数为0.5%的抗压强度和抗折强度则处于中间值，即钢纤维体积分数在0.0% ～1.0%的范围内，经污水－干湿循环耦合作用腐蚀后的钢纤维混凝土的抗压强度和抗折强度均随钢纤维体积分数的增加逐渐增大.

这主要是因为:在最初两个腐蚀龄期内，污水中的杂质通过钢纤维混凝土表面的微小裂缝渗透到试件内部，填补了试件内部的微小空隙，增加了试件内部的密实性，从而提高钢纤维混凝土的抗压强度;随后，渗透到试件内部的杂质和试件周围的杂质同时与钢纤维混凝土发生反应，钢纤维混凝土试件内外遭受污水的双重腐蚀;在试验龄期内，高浓度污水不断补充钢纤维混凝土试件内外腐蚀介质，使得腐蚀程度不断加剧.因此，钢纤维混凝土试件的抗压强度在增加一段时间后开始逐渐降低.

由图3可知，相同配合比的钢纤维混凝土试件，经生活污水－干湿循环腐蚀后的抗压强度和抗折强度均大于经工业废水－干湿循环腐蚀后的抗压强度和抗折强度.这主要是由于生活污水中的主要腐蚀因子为COD，而试验所用的工业废水腐蚀溶液除具有腐蚀因子COD外，还具有一定的酸碱度，比生活污水更具腐蚀性.从而说明，COD和酸的综合作用对钢纤维混凝土的腐蚀程度大于COD单因子对钢纤维混凝土的腐蚀程度.

2.3 污水－干湿循环耦合作用下钢纤维混凝土腐蚀系数变化规律

图4为经工业废水－干湿循环腐蚀后试件C35，FC35－0.5，FC35 －1.0 的抗压腐蚀系数和抗折腐蚀系数.图5为FC35－0.5在生活污水和工业废水两种不同腐蚀条件下经历干湿循环腐蚀后的抗压腐蚀系数和抗折腐蚀系数.

由图4可知，试验设计的几种配合比的钢纤维混凝土试件的抗压腐蚀系数和抗折腐蚀系数均随着试验龄期的增加而逐渐减小.经6个月的工业废水－干湿循环腐蚀后，试件 C35，FC35－0.5，FC35－1.0的抗压腐蚀系数分别降低了33%，37%，31%;抗折腐蚀系数分别降低了15%，12%，10%.

对于浸泡在污水腐蚀溶液中的钢纤维混凝土试件，腐蚀溶液与试件表层、试件表层与试件内部之间存在腐蚀介质含量差.这种含量差驱使污水中的腐蚀介质以扩散方式向钢纤维混凝土试件内部渗透，基本符合Fick第二定律.污水腐蚀溶液单因素浸泡条件下，钢纤维混凝土试件处于近似水饱和而无水头压力的状态，溶液流速为零.遭受污水－干湿循环侵蚀的钢纤维混凝土，其毛细管虹吸压力对水流的作用等同于水饱和钢纤维混凝土遭受一定水头压力的效果［10］，故污水－干湿循环会加速钢纤维混凝土试件内部腐蚀介质的迁移，且固定的混凝土试件，其腐蚀因子扩散系数一定.

而对于干湿循环钢纤维混凝土试件，由于外界环境比较干燥，当饱水后的钢纤维混凝土试件经过一段时间的自然风干后，试件毛细管中的孔隙水不断向外蒸发，试件表层孔隙液中的腐蚀介质含量增大，试件表层与内部之间形成腐蚀介质含量差，这一差值驱使试件孔隙液中的腐蚀介质向试件内部扩散.随着自然风干时间的延长，试件中孔隙水不断减少，孔隙液中的腐蚀介质因子不断结晶析出，这样风干时水分向外渗透，而污染物腐蚀介质则向试件内部迁移，待下一次浸泡时，腐蚀溶液又渗入试件中的毛细管.在干湿交替作用下，溶液中的腐蚀介质在毛细管吸附作用下不断渗入钢纤维混凝土试件中［11］.

由图5可知，同一配比钢纤维混凝土试件(FC35－0.5)，对比生活污水和工业废水两种环境，经6个月干湿循环后试件的抗压强度和抗折强度所遭受的腐蚀劣化程度是不同的.生活污水环境下，试件FC35－0.5的抗压腐蚀系数降低了4%，抗折腐蚀系数降低了12%.相应地，在工业废水环境下，试件FC35－0.5的抗压腐蚀系数降低了33%，抗折腐蚀系数降低了15%.可见，工业废水－干湿循环腐蚀后钢纤维混凝土试件的腐蚀系数均小于生活污水－干湿循环腐蚀后的腐蚀系数，从而反映出工业废水对混凝土抗压强度和抗折强度的腐蚀劣化程度均强于生活污水，进一步说明了COD和pH值的综合作用对钢纤维混凝土的腐蚀劣化程度大于COD单因素对钢纤维混凝土的腐蚀劣化程度.

3 结语

1)针对耐久性试验龄期长的特点，提出了提高腐蚀液浓度、缩小试件尺寸以及进行干湿循环的试验方案，以抗压腐蚀系数和抗折腐蚀系数的形式更加精确地描述了耐久性试验结果.

2)在设计试验龄期内，随着试验龄期的增加，钢纤维混凝土的抗压强度和抗折强度先增大后减小.钢纤维体积率越大，其耐污水－干湿循环腐蚀性能越好.相同配合比试件遭受工业废水－干湿循环的腐蚀程度大于遭受生活污水－干湿循环的腐蚀程度.

3)钢纤维混凝土试件浸泡于污水腐蚀溶液时，腐蚀溶液与试件表层、试件表层与试件内部之间存在腐蚀介质含量差.这种差值驱使污水中的腐蚀介质以扩散方式向钢纤维混凝土试件内部渗透，而干湿循环模式加速了这一渗透进程，从而增加了腐蚀程度.

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