严寒地区垃圾渗滤液对混凝土耐久性的影响

毕帅帅，许铁夫，陈悦佳，黄 瑜，张 博

(黑龙江大学 a.水利电力学院；b.建筑工程学院，哈尔滨 150080)

1 概 述

目前，国内外生活垃圾的无害化处理主要有填埋、焚烧和堆肥3种方法。相对于焚烧和堆肥，垃圾填埋是现阶段我国生活垃圾处理的最主要方式。当前，我国各省城市共有垃圾填埋场644座，年处理垃圾量达7 772×104t[1-2]。生活垃圾自身含有的有机物和无机物再加上雨雪等外来水分的渗入，经过长期的反应和发酵会形成化学成分非常复杂的高浓度有机废水[3]。近10年来，我国垃圾渗滤液的产量呈上升趋势[4](图1)，由垃圾渗滤液带来的对混凝土耐久性的影响已成为目前迫切需要解决的问题。

图1 我国垃圾渗滤液产量及增长率(2011-2020年)

在垃圾填埋场中存在许多混凝土构筑物，如垃圾渗滤液收集池和垃圾处理区等。这些混凝土构筑物在垃圾渗滤液的长期浸泡下很容易产生损坏，特别是在我国北方的严寒地区，冻融破坏更是加剧了垃圾渗滤液对混凝土构筑物的侵蚀作用。经研究发现，垃圾渗滤液含有多种污染物，其中包括有机物、重金属、氯离子和硫酸根离子等(表1)，混凝土构筑物长期浸泡在含有高浓度盐离子的垃圾渗滤液中，其耐久性会受到严重影响[5]，加之严寒地区冻融循环的耦合作用会使整个混凝土构筑物的寿命发生严重折减。

表1 垃圾渗滤液中的污染物及其对混凝土的影响

2 垃圾渗滤液对混凝土耐久性影响的研究现状

目前，已有越来越多的学者开始关注垃圾渗滤液对混凝土耐久性的影响。Aleksandra Wdowczyk等[10]对4个城市垃圾填埋场进行现场多维统计，检测出相关研究指标并设置了影响性试验，以此综合研究垃圾渗滤液的性质，为后期研究垃圾渗滤液对混凝土影响奠定理论基础。漆明毅[11]介绍了一种新兴的测定材料微观力学方面的方法——微纳米压痕试验，并结合混凝土单轴压缩试验研究了混凝土在受垃圾渗滤液侵蚀条件下的微观和宏观力学特性变化规律，相关试验研究结果可以作为科学依据来了解垃圾渗滤液在微观、宏观方面对混凝土的影响。Ben Li等[12]提出了一种新的离子输运模型，通过氯离子腐蚀与冻融循环耦合试验数据验证了模型的有效性，该模型可以弥补当前冻融循环对氯离子扩散影响研究的不足。孙丹丹等[13]提出了一个基于可靠性的数值模型，该模型能够有效评估在硫酸盐侵蚀下的混凝土变化状态，也能有效描述整个腐蚀过程中硫酸盐离子的活性传输行为。DUBRAVKA Bjegovic[14]表示微生物侵蚀会导致混凝土的严重破坏, 导致了一些处于恶劣环境下的混凝土构筑物过早受损产生破坏, 使其需要提前修复，因此着重对容易遭受微生物侵蚀的水工混凝土构筑物作了分析研究，并提出了后期混凝土抵抗微生物侵蚀的保护方法。刘骏霓等[15]综述了混凝土自身和外部环境因素对寒区水工混凝土的冰冻害影响，提出了一套完整的体系，能清晰地反映出外加材料对混凝土的增强作用，通过技术规范验证后能扩大其实际工程应用。见表2。

表2 国内外垃圾渗滤液对混凝土耐久性作用的研究总结

基于上文提及的研究方法，许多学者从影响因素方面对混凝土耐久性进行了大量的研究。在冻融破坏方面，Rustamov Sardorbek[16]分析了混凝土受冻融破坏的机理，对混凝土提高抗冻性的方法做了分析总结，最后通过试验研究证明所归纳的方法能有效提高混凝土的抗冻性能；张一奔[17]结合已有的冻融机理，通过对材料性能研究和数值模拟相结合的方式对混凝土的冻融机理作了进一步完善。在微生物侵蚀方面，Osman Khaled M[18]发现微生物能够有效改变混凝土的外观和内部结构，通过试验得出混凝土在宏观方向上的受腐蚀演变规律；张新丽[19]通过类似的方式对微生物作用混凝土的机理进行研究，并建立了相关的预测方程来预测受侵蚀混凝土构筑物的寿命折减。在高盐类侵蚀方面，Wang Hui等[20]通过试验研究发现，氯盐能够改变内部钝化膜的组成成分，使钢筋混凝土发生膨胀损坏；沈晨曦等[21]通过试验也进一步得出高盐侵蚀混凝土耐久性具有强烈的影响作用。在高浓度有机物侵蚀方面，韩静云等[22]综合国内外研究发现，垃圾渗滤液中的高浓度有机物能改变垃圾渗滤液的pH值，从而对混凝土的耐久性产生影响。见表3。

表3 垃圾渗滤液对混凝土耐久性影响因素的研究总结

通过以上研究发现，垃圾渗滤液中含有的多种因素均在不同程度上对混凝土耐久性产生影响。但因为存在环境差异，在实际的环境中这些影响因素在不同环境下的作用机理往往存在较大的区别。特别是当环境复杂的情况下，必须考虑到多种因素的耦合作用对混凝土耐久性的影响，才能更准确地建立起相关研究机理。

3 严寒地区垃圾渗滤液作用的机理分析

在我国北方的严寒地区，季节性寒冷干湿交替的气候环境会使垃圾渗滤液的性质产生变化，也会对此环境中的混凝土构筑物造成破坏。根据过往研究发现，冻融与垃圾渗滤液能对混凝土构筑物产生一种相互促进的耦合作用，其中冻融容易引起混凝土构筑物的表皮脱落，使内部孔隙和裂缝变大，增大了垃圾渗滤液与之的接触面积，加剧了垃圾渗滤液中污染物进入混凝土内部的速率。

受到冻融破坏后，失去保护层的混凝土更容易被垃圾渗滤液中含有的有害物质腐蚀。其中，氯离子在进入钢筋混凝土构筑物的孔隙后，一部分会与其他物质发生化学反应生成Friedel盐，使混凝土构筑物的孔隙率减小，降低了其他离子的传输速率；另一部分以游离态存在于孔隙中，这种游离态的氯离子会使混凝土中的钢筋锈蚀产生膨胀应力，从而导致混凝土开裂。硫酸根离子在进入钢筋混凝土构筑物的孔隙后，会与其中的水化产物发生化学反应产生具有膨胀性的钙矾石[23]。当反应进行到一定程度后，过量的钙矾石会对孔隙内壁产生应力，致使混凝土内壁产生裂缝。伴随着冻融和盐离子侵蚀程度的加深，垃圾渗滤液中的微生物对混凝土构筑物的侵蚀也会进一步加快，微生物在代谢过程中会产生一些酸性物质，这些生物酸会与混凝土内部的碱性水化产物反应产生水溶性的盐，经水冲刷后降低了混凝土内部的密实结构，使混凝土的结构耐久性大大降低。

由于盐类和微生物等因素造成混凝土孔隙加大，会使水分子更容易进入。在下一个冻融季来临时，受冻膨胀会继续加剧冻融循环对混凝土的影响，以此形成恶性循环，会对混凝土构筑物产生巨大影响。图2为严寒地区垃圾渗滤液对混凝土构筑物侵蚀的反应机理。

图2 严寒地区垃圾渗滤液侵蚀混凝土机理

在以上影响因素中，会因为混凝土构筑物的结构不同及所处环境的不同而产生差异。如在垃圾渗滤液收集池中，渗滤液中含有的微生物和盐离子会对收集池的池壁产生强烈影响，在池内反应产生的H2S气体会进一步反应产生硫酸，会对收集池的池壁产生严重的腐蚀；而深埋在填埋区的一些混凝土构筑物受到的土壤污染和外界气温的影响则占据主导地位。目前，对于不同因素耦合作用影响机制的研究是非常欠缺的，因此在未来应着重关注对此方向上的研究。

4 结论和展望

国内外的大量研究证明，垃圾渗滤液对混凝土耐久性有明显的负面影响。而处于严寒地区的垃圾填埋场在受垃圾渗滤液侵蚀的同时又会受到冻融循环的作用，冻融循环会使混凝土构筑物的外表面产生明显的裂缝、骨料脱落等，这会加剧垃圾渗滤液中的盐离子和微生物等有害物质进入混凝土构筑物的内部，多种因素的叠加作用会对整个混凝土构筑物和结构耐久性产生巨大影响，从而使混凝土构筑物的使用寿命大大折减。

目前，垃圾渗滤液对混凝土耐久性影响的诸多单因素的研究成果已逐渐丰富，并且证明了这些因素会对混凝土构筑物产生巨大影响。但由于条件限制，对于多种因素耦合作用和机理的研究还不够充分。因此，在未来有必要进一步研究耦合性试验，建立相应的试验模型并完善相关的研究机理，以期为严寒地区的实际工程案例的建设和防护提供更好的参考。