垃圾渗滤液对混凝土耐久性影响研究

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0 引言

1 垃圾填埋场构筑物耐久性研究现状

目前，国内外已有许多在垃圾填埋场上及其附近新建混凝土结构的案例[3]，对废旧垃圾填埋场进行“再生”挖掘也成为生态修复的重要手段[4]，但其研究主要集中在垃圾填埋场中垃圾土物理力学参数的确定、垃圾土沉降变形规律以及垃圾渗滤液对建筑物基础施工的影响等，关于垃圾渗滤液对混凝土构筑物耐久性的研究还相对较少。施建勇等通过在有机质含量不同的垃圾土中掺入不同含量的水泥研究了有机质含量、水泥含量对水泥垃圾土的强度特性的影响，指出垃圾土中的有机质对水泥垃圾土既有加筋作用，同时也减弱了水泥垃圾土的强度。杨明亮等对金口垃圾填埋场内垃圾土的压缩特性、承载特性以及抗剪强度等进行了研究，指出垃圾土具有高压缩、不均匀沉降等特性，并对垃圾填埋场内大型建筑物的地基安全性进行了验证。柯琳等通过理论研究和数值计算，对建设在某垃圾填埋场上的铁路桩基耐久性进行了研究。李玉雯通过试验研究了垃圾渗滤液对混凝土力学强度的影响，并对垃圾渗滤液在钻孔灌注桩成桩过程中所起的作用进行了研究。钟晓华等对在垃圾填埋场内施工的施工工艺进行了分析，提出了针对垃圾填埋场的施工工艺，有效保障了灌注桩的施工质量。姚海林等对钻孔灌注桩施工过程中垃圾渗滤液对地下水的影响进行了研究，建立了施工过程中地下水污染物浓度模型，并结合具体工程实例预测了地下水中的污染物浓度。

2 混凝土渗透特性研究现状

混凝土渗透特性越好，侵蚀环境中的侵蚀性离子、水等越不容易进入混凝土内部，混凝土耐久性也就越好，因此渗透特性是混凝土耐久性研究的重要内容，也是评价混凝土耐久性的重要指标[5]。混凝土渗透性试验主要采用气渗法、水渗法以及电测法等[6]。水渗法是利用水溶液作为渗透介质，通过在混凝土一侧施加一定水压的水溶液，并测量经渗透一定时间后的渗水量或渗水高度来计算混凝土渗透性。由于采用水溶液作为渗透介质，该方法会导致水泥的继续水化以及造成侵蚀产物的迁移，从而对试验结果造成影响，且不适用于现代高强、高性能、低渗透混凝土。电测法是通过在试样两端施加一定的电压并测量通过试样的电量或离子浓度进而计算试样渗透率，其测量周期较短，操作简单，是目前评价混凝土渗透率的主要方法，但施加的电压可能会影响混凝土孔溶液中的化学成分，进而影响实验结果。气渗法是以氮气或氩气等惰性气体作为渗透介质，具有测量精度高的特点，对微裂纹尤其是裂纹贯通时的混凝土渗透性评价具有不可替代的作用，是未来研究混凝土渗透特性的重要手段[7]。下面从上述三方面综述国内外相关研究进展及发展动态。

2.1 水渗法

水渗法是我国《水工混凝土试验规程》中推荐的测量混凝土渗透性的方法，其原理主要是在混凝土上游施加一定水压的水溶液，通过测量经渗透一定时间后的渗水量或渗水高度计算混凝土渗透性。方永浩等对混凝土试样在持续压荷载下的渗透特性进行测量，研究了混凝土在单轴压缩荷载下的渗透率演化特性，指出当荷载低于极限荷载60%时渗透系数随荷载增加而减小，当荷载达到极限荷载70%时渗透系数急剧增大。薛维培等在方永浩的基础上为试样施加了围压作用，研究了应力-渗流耦合作用下混凝土渗透率、力学特性演化规律，指出渗透压对试样有一定损伤效应，能降低混凝土力学强度，并建立了渗透率随应力-应变曲线的演化关系。Li等利用数值模拟和室内试验，探究了骨料含量和界面过渡区对混凝土渗透率的影响，研究指出骨料含量和界面过渡区是影响混凝土渗透率的主要因素。Halamickova等研究了水灰比、含砂率对渗透率的影响，并测量了孔径分布，进而建立了渗透率与临界孔径的关系。

2.2 电测法

电测法根据测量方法的不同，又分为电通量法、电导率法和氯离子扩散系数法等。电通量法是通过在试样两端施加一定的电压并测量通过试样的电量进而计算试样渗透率，其中使用最多的是ASTMC1202 电通量法。侯旭良等对比了ASTMC1202电通量法与气渗法测量效果，指出两种测量方法具有很好的相关性，但气渗法精度较高，适合测量水胶比较小的水泥砂浆渗透率。但与此同时，SHI等学者也指出电通量与氯离子渗透特性之间并没有直接联系，且所加电压太高，可能会影响实验结果，同时外加剂等对试验结果的影响也十分巨大。蒋林华等对上述三种测量氯离子渗透特性的方法进行了对比，指出三种方法不具备普遍适用性，需要针对具体试验情况合理选择试验方法。吴丽君等利用氯离子扩散系数法测量了不同水灰比混凝土试样的氯离子扩散系数，指出氯离子渗透扩散能力随混凝土水灰比减小而减小。

2.3 气渗法

水泥基材料气体渗透特性测量方法来源于岩石力学中气体渗透性测量方法，该方法在岩石力学中应用较多，在水泥基材料中的应用还相对较少。目前常规混凝土气体渗透率的测量方法主要分为流量法、变压压力法等，即通过测量气体通过混凝土试样的流量或试样两端的压力差来计算混凝土试样渗透率[8]。Liu 等研究了岩石在三轴压缩蠕变过程中气体渗透率的演化规律，指出施加偏应力初期，气体渗透率随蠕变的进行而有所减小，但当试样破坏时渗透率有所增大。彭苏萍等研究了砂岩在全应力应变过程中的渗透率演化规律，并建立了应力-应变与渗透率之间的定量关系。贺玉龙等研究了围压升降对砂岩和单裂隙花岗岩渗透性的影响，指出两种岩石的渗透率均随着有效应力的增加而有规律的减小，但单裂隙花岩渗透率对有效应力的敏感性远大于砂岩。宋杨等研究了高温作用对混凝土气体渗透率的影响，试验指出气体渗透率随着温度升高而增加，且在400～500℃时气体渗透率增大速率较快。Picandet等通过在混凝土试样直径方向施加荷载的方式人为制造裂纹，研究了裂纹宽度与渗透率之间的关系，并建立了渗透系数与气体体积、流速之间的关系。Abbas等研究了含水率对气体渗透率的影响，结果表明含水率对混凝土渗透率的影响巨大，能达到两个数量级。费正岳等分析了混凝土气体渗透率与碳化深度的关系，指出气体渗透率对碳化深度的控制程度受粉煤灰掺量的影响。

3 现有研究不足及可能的研究方向

综上所述，混凝土耐久性问题已引起国内外学者的足够重视，针对氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、酸侵蚀、冻融循环、碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应等做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。然而，对于构筑在垃圾填埋场上及其附近的混凝土建筑物，其服役环境恶劣，经常处于垃圾渗滤液侵蚀性环境当中，混凝土耐久性问题严重，而目前针对垃圾渗滤液侵蚀条件下的混凝土耐久性研究还相对较少，存在以下待解决问题：

（1）混凝土渗透性能越好，侵蚀环境中的侵蚀性离子、水等越容易进入混凝土内部，混凝土耐久性也就越差。因此，混凝土的渗透性能是评价混凝土耐久性的重要指标，也是混凝土耐久性研究的重要内容，而目前对经垃圾渗滤液侵蚀后的混凝土渗透特性演化规律的研究还处于空白阶段。同时，垃圾填埋场地下混凝土结构服役环境较为复杂，在受到垃圾渗滤液化学侵蚀的同时还受到地层及上层建筑传递而来的三维应力作用。而常规渗透率测量方法无法为试样施加三维应力作用，无法测量出垃圾填埋场地下混凝土结构在实际应力状态下的渗透特性。因此，研究混凝土结构在不同应力状态及垃圾渗滤液侵蚀条件下的渗透特性演化规律对于评价垃圾填埋场混凝土结构耐久性至关重要。

（2）混凝土力学性能越强，混凝土抵抗侵蚀性离子侵蚀作用而不发生破坏的能力越强，因而混凝土力学性能不仅是结构设计的重要指标，也是混凝土耐久性研究的重点。目前针对混凝土力学特性的研究多集中在硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀、酸侵蚀、冻融循环等，对经垃圾渗滤液侵蚀后得混凝土力学特性演化规律的研究还处于空白阶段。同时，常规力学试验只能得到混凝土试样宏观力学参数，如单轴压缩试验、三轴压缩试验等。事实上，混凝土腐蚀是由表及里的过程，分为腐蚀区和未腐蚀区，不同侵蚀深度处的力学性能是不一样的。因此，在研究垃圾渗滤液侵蚀条件下的混凝土宏观力学特性演化规律的同时，从细观尺度出发，研究混凝土不同侵蚀深度处的细观力学特性演化规律对了解垃圾渗滤液侵蚀条件下混凝土耐久性具有重要意义。

（3）混凝土耐久性问题及其发生变形破坏的宏观现象背后隐藏着其微观机理，即在微观尺度上微裂纹的萌生、扩展、贯通至破坏的演化过程，从微观尺度出发对混凝土微观结构劣化规律进行研究是揭示混凝土劣化机理的主要手段。目前针对混凝土微观结构劣化规律的研究多集中在硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀、酸侵蚀、冻融循环等，对经垃圾渗滤液侵蚀后的混凝土微观结构劣化规律的研究还处于空白阶段。因此，从微观尺度出发研究混凝土微观结构的劣化规律具有重要意义，将为揭示垃圾渗滤液侵蚀条件下混凝土渗透特性演化规律、宏/细观力学特性演化规律及混凝土劣化机理提供可靠的依据。

4 结语

本文采用文献综述法对垃圾渗滤液侵蚀条件下的混凝土耐久性进行研究。研究结果表明：

（1） 垃圾渗滤液对混凝土的耐久性具有较大的影响，而现有的研究成果较少，难指导现有的工程实践。关于侵蚀性环境下混凝土结构耐久性研究还主要集中在氯盐、硫酸盐、酸性介质、海水侵蚀以及碳化等方面，少有学者关注垃圾填埋场内垃圾渗滤液对混凝土结构耐久性的影响。

（2） 一些已开展的垃圾填埋场内环境污染对构筑物耐久性、安全性影响的研究也主要集中在垃圾填埋场中垃圾土物理力学参数的确定、垃圾土沉降变形规律以及垃圾渗滤液对基础施工的影响等，鲜有学者考虑垃圾渗滤液对混凝土结构耐久性的影响。

（3） 对垃圾渗滤液侵蚀条件下的混凝土耐久性进行研究具有重要意义。鉴于此，建议后续从渗透性能、力学性能、微观结构等方面着手，系统研究经垃圾渗滤液侵蚀后的混凝土渗透特性、力学特性和微观结构演化特征和演化规律。