污水环境中清水混凝土保护剂对混凝土抗压强度的影响

程梨明，周 永，马军旗，张云鹏，李 芳，柳志丹，陈军程，张志增

（1.中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450007；2.中电建路桥集团有限公司，北京 100048；3.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

近些年，随着我国综合实力的不断提升，人民生活水平得到了大幅提高，越来越多的人口涌入了城市，使得城市规模不断扩大。城市规模的扩大带来了更多的生活污水与工业污水，混凝土作为污水处理厂和污水管网常用的建筑材料，其长时间在污水环境中的抗压强度是评判混凝土性能的重要指标之一。

一般情况下，混凝土的正常使用年限为60～70 a。但污水这种特殊环境给混凝土造成的物理破坏、化学侵蚀、生物腐蚀，会使混凝土的使用年限下降，直接影响到建筑物的使用年限。建筑物重建与维护的过程中不仅会造成资源与能源的浪费，也会对人们的生活秩序造成一定的影响，所以需要寻求延长污水中混凝土使用寿命的方法。

1 污水中混凝土的腐蚀机理

1.1 物理破坏

混凝土内部具有多孔结构，大致分为凝胶孔、毛细孔和大气孔3类，其中毛细孔占比约为1/5［1］。污水管道和污水处理设施长期处在干湿循环的状态下，在湿润状态下，污水中的盐类溶液通过混凝土中的毛细孔进入混凝土内部，当环境干燥时，孔隙中的盐结晶膨胀，产生一定应力，长此以往，混凝土孔隙内的结晶应力达到一定程度，便会导致混凝土的开裂［2］。

1.2 化学侵蚀

生活污水及工业废水中存在大量的硫酸盐。硫酸盐会通过混凝土的毛细孔与微裂缝渗入到混凝土内部，生成膨胀性石膏和钙矾石。如果只是少量的膨胀性石膏和钙矾石积累，会修复混凝土的毛细孔与微裂缝，将会使混凝土的耐久性得到提升。但随着硫酸盐的不断渗入，膨胀性石膏与钙矾石不断地在混凝土的毛细孔与微裂缝中积累，不但导致混凝土内部应力不断加大，使混凝土开裂，而且加快腐蚀，使混凝土的强度降低。

在正常情况下，混凝土表面的pH为11～13，让混凝土维持碱性的物质主要是氢氧化钙，混凝土中的氢氧化钙会与水和二氧化碳发生反应，生成碳酸钙，即混凝土碳化［3］。碳化反应会降低混凝土的pH，长此以往会导致混凝土的强度降低。而高碱性是保持混凝土耐久性的必备条件。

1.3 生物腐蚀

早在1945年，Parker［4］就提出了污水中的一些细菌生长代谢过程中产生的生物硫酸会使混凝土腐蚀。随着研究的深入，现在普遍认为微生物导致混凝土腐蚀的主要原因是在无氧环境下，污水中的有机硫和硫酸盐会被硫酸还原菌还原成硫化氢，硫化氢气体进入管道中未被液体充满的区域，在有氧环境下被硫酸氧化菌氧化成生物酸。生物酸与混凝土内部的氢氧化钙发生反应，不仅会产生石膏和钙矾石导致混凝土开裂，而且会降低混凝土的pH，给只能在pH为4～6的环境下生存的噬砼菌提供了繁殖条件，噬砼菌的存在会使混凝土的结构发生腐蚀破坏。

2 解决问题的途径与办法

通过分析混凝土在污水环境中强度降低的主要原因，从理论上可以得出，减缓污水环境中混凝土抗压强度降低的主要途径有提高混凝土的耐酸性、阻止腐蚀物质进入混凝土内部、减少生物酸的生成。目前常用的解决办法有混凝土改性、生物灭杀技术和表面涂层技术等［5］。

本研究通过试验，探究污水环境中清水混凝土保护剂对混凝土抗压强度的影响。

3 试验部分

3.1 混凝土试块的制备

原料：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，郑州市天瑞水泥厂；细骨料：细度模数为2.48、堆积密度为1 580 kg/m3、表观密度为2 600 kg/m3，含泥量为5.3 %的河砂；粗骨料：堆积密度为1 600 kg/m3、表观密度为2 890 kg/m3，5～20 mm连续级配，吸水率为1.9 %的碎石；水：普通自来水；聚羧酸类减水剂：减水率≥30 %、固含量25 %，郑州巨源混凝土外加剂有限公司。

混凝土强度按C40标准配制，水灰比为0.5，经过多次适配，具体配合比如表1所示。

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

成型后的试块规格为100 mm×100 mm×100 mm，为了不影响后续清水混凝土保护剂的涂覆以及试验结果的可靠性，在浇筑的时候不在模板上涂刷脱模剂。浇筑完成后48 h将模板拆除，然后将试块置于标准养护室养护28 d，取出试块，用干抹布擦干其表面，放入60 ℃的烘箱中进行干燥处理，直到试块质量不再发生变化后，将其从烘箱中拿出，备用［6］。

3.2 污水的人工强化

考虑到原位腐蚀周期较长，本试验将污水加以人工强化以加快试验进度。化学需氧量（COD）通常作为衡量水中有机物质含量的标准，一般生活污水中的COD含量在300 mg/L左右。人工强化污水的配制方式为在水中加入生活污水与工业污水中常见的碳源、氮源以及盐类，调节水的酸碱度，并进行硫酸氧化菌、硫酸还原菌、噬砼菌的接种。最终得到的人工强化污水的指标如表2所示。

表2 人工强化污水的指标Table 2 Artificially enhanced sewage indicators

3.3 试块的涂刷

本试验采用的丙烯酸类清水混凝土保护剂体系为清典丙烯酸树脂透明保护底漆QD-700和丙烯酸树脂透明保护面漆QD-900；有机硅类清水混凝土保护剂体系为蓝宝集佳有机硅清水混凝土保护剂底漆和面漆；氟碳类清水混凝土保护剂体系为清典氟碳树脂透明保护剂底漆QD-100和氟碳树脂透明保护剂面漆QD-300。试件涂刷步骤如下：

（1）用砂纸、锉刀等工具对上述养护好的混凝土试块表面进行打磨，处理试块表面的空鼓、砂包等缺陷，并将试块件表面的棱角进行倒角处理，然后用干抹布擦干净［7］。

（2） 取20块处理好的混凝土试块，每组5块，分为4组，1组不做任何处理，其余3组分别进行丙烯酸类清水混凝土保护剂、有机硅类清水混凝土保护剂和氟碳类清水混凝土保护剂的涂装。

（3） 采用辊涂的方式涂刷保护剂，底漆1层，面漆1层，尽量保证保护剂涂刷均匀且无漏涂。试块经涂刷完毕后，于室内干燥环境下放置72 h。

3.4 强化污水中混凝土试块的腐蚀

做好标记后，将准备好的4组试块有序放置于一个矩形带盖的试验箱内，相邻试块之间应最少保持30 mm的间距，试块与容器壁的间距应不小于30 mm，加入调配好的强化污水并没过试件的2/3处。试验箱中内置恒温装置，将强化污水温度恒定在最适宜细菌生长繁殖的32 ℃。每间隔3 h，给气泵通电20 min，目的是为水中补充氧气和模拟原位测试状态下污水的流动。试验开始后，给试验箱加盖，防止升温后试验箱内水分流失过快，也模拟了污水管网内相对封闭的环境。

3.5 试验结果

经过为期90 d的人工强化污水腐蚀，将混凝土试块取出，测试每组试块的抗压强度值，并取平均值。另外，每组中的5个试块的抗压强度值若超过中间值的15% 时，应舍去，取剩下数值的算数平均值作为此组试块的抗压强度值，结果如图1所示。

由图1可以看出，经过90 d的人工强化污水腐蚀后，未涂刷清水混凝土保护剂的标准试块的抗压强度均值为28.6 MPa；涂刷氟碳保护剂的混凝土试块的抗压强度均值为35.04 MPa；涂刷有机硅保护剂的混凝土试块的抗压强度均值为34.47 MPa；涂刷1层丙烯酸保护剂的混凝土试块的抗压强度均值为34.10 MPa。图1结果表明，在人工强化污水中腐蚀90 d的条件下，经过3类清水混凝土保护剂涂刷过的混凝土试块，它们的抗压强度明显高于未经涂刷的标准试块；经过3类混凝土保护剂涂刷后的混凝土试块的抗压强度相差不多，其主要原因是清水混凝土保护剂能够封堵混凝土表面的毛细孔及微裂缝，并且还会在混凝土表面形成一层致密的保护膜，进而减缓混凝土内部的氢氧化钙渗出，也减缓了污水中的生物酸、化学酸、盐类与混凝土接触。因此，盐类在混凝土毛细孔和微裂缝中的析出减缓，膨胀性石膏和钙矾石在混凝土毛细孔及微裂缝中的生成减缓、混凝土表面pH下降减缓，嗜砼菌无法在混凝土表面生存和繁殖。所以清水混凝土保护剂能够很好地减缓混凝土在污水环境中受到的物理破坏、化学侵蚀和生物腐蚀，从而减缓了污水中清水混凝土抗压强度的下降速率。

图1 污水腐蚀后混凝土试块的抗压强度Figure 1 Compressive strength of the concrete specimens after sewage corrosion

4 结语

（1） 在人工强化污水腐蚀90 d的条件下，经过氟碳类、有机硅类、丙烯酸类清水混凝土保护剂涂覆过的混凝土试块，它们的抗压强度显著高于未经涂覆的标准试块。

（2） 在人工强化污水90 d腐蚀条件下，氟碳类、有机硅类、丙烯酸类清水混凝土保护剂对延缓混凝土强度下降的效果无明显差异。

（3） 氟碳、有机硅、丙烯酸3类清水混凝土保护剂对污水中能对混凝土造成损害的物质均有着不错的延缓进入效果。

清水混凝土保护剂能够很好地对污水环境中的混凝土起到保护作用，在污水管网、污水处理厂及一些经常接触污水的混凝土设施领域应用前景广阔。