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污水混凝土构筑物腐蚀情况分析

2019/09/05 阅读:

摘要:通过混凝土中性化深度测试并综合XRD、SEM、EDS、X-CT等微观测试手段对既有污水混凝土构筑物表层混凝土的腐蚀深度进行定量化表征。对污水混凝土构筑物内部混凝土力学性能、微观性能、内部钢筋锈蚀情况、氯离子含量分布进行测试,确认内部混凝土的腐蚀情况。通过污水水质分析推测污水混凝土构筑物腐蚀破坏的可能原因。结果表明,既有污水混凝土构筑物表面往下深度5mm以内的混凝土受腐蚀较为严重,表面往下5~22mm深度范围内的混凝土发生轻度的钙溶蚀,距腐蚀表面深度大于22mm的内部混凝土未受腐蚀,污水构筑物表层混凝土受腐蚀的主要原因为有机物在微生物作用下形成的酸溶蚀。

关键词:污水混凝土;腐蚀深度;中性化;钙硅比;氯离子分布;微观形貌

前言

城市污水混凝土构筑物如污水厂的污水处理池、地下工程中的污水处置箱涵、城市污水输送泵站、雨污合流深层隧道调蓄工程的混凝土管片等,长期与污水接触,通常会发生明显的粉化、剥落、开裂、钢筋外露、表面呈蜂窝麻面状等腐蚀破坏[1-2],影响设施的安全使用。许多污水混凝土构筑物在发生明显腐蚀破坏后需要了解混凝土的腐蚀深度,以此为基础对混凝土进行耐久性评估与后续维护。本文以上海某城市污水输送干线的泵站混凝土为例,采用XRD表征不同深度粉末样品CaCO3、Ca(OH)2峰强变化,SEM表征不同深度处水化产物形貌变化,EDS表征水化产物钙硅比随深度的变化,X-CT断层图像分析表征表层混凝土低密实度区域的深度,结合中性化深度测试结果,定量化地确定混凝土的腐蚀深度;通过内部混凝土的强度、水化产物钙硅比变化、氯离子含量分布、内部钢筋锈蚀情况等测试判定内部混凝土的腐蚀情况;对水样水质及侵蚀性介质含量测试,分析既有污水混凝土构筑物的腐蚀机理。结合表层和内部混凝土腐蚀情况结果,确定污水混凝土构筑物的腐蚀深度,以期为污水混凝土构筑物的耐久性评估作技术支撑。

1样品制备

从上海某城市污水输送干线泵站箱涵混凝土表面向下钻取2个直径100mm、长度200mm的芯样。将1个芯样烘干后按1~2mm每层的深度分层粉磨,得到的粉末样品用于XRD测试和氯离子含量分布测试,分层粉磨的深度如表1所示。另一个沈贵阳,刘远祥,樊俊江既有污水混凝土构筑物表层及内部混凝土腐蚀情况研究混凝土芯样从表面切割出带腐蚀表面的混凝土片,用于X-CT测试,并从混凝土薄片和剩余混凝土中切割出立方体小试块,烘干后用于扫描电镜和能谱测试。两个混凝土芯样的剩余部分切割出直径为100mm、长度为100mm的圆柱体试块,表面磨平后进行抗压强度试验。

2测试与结果分析

2.1表层混凝土腐蚀深度的确定

2.1.1混凝土芯样中性化深度将混凝土芯样剖开后喷上(或滴上)浓度为1%的酚酞酒精溶液,测试表面未变红区域深度,即为中性化深度。经测量,两个剖面处的中性化深度分别为4mm、5mm,如图1(a)、图1(b)所示。

2.1.2混凝土芯样中物相含量随深度的变化规律采用XRD方法测试粉磨样品的物相组成随深度的变化规律,测试结果如图2~图3所示。不同深度处粉末样品的物相分析结果表明,A、B、C三个样品在2θ值为29°处有明显的CaCO3特征峰,D、E样品的该CaCO3特征峰强度较弱,F~J粉末样品的该特征峰消失。C粉末样品的粉磨深度为4.6mm,结合中性化深度测试结果,发现混凝土在表面深度5mm范围内发生了明显的碳化。L、M、N、O粉末样品在2θ值为18°左右处均有明显的Ca(OH)2峰,K样品的该Ca(OH)2峰强度较弱,F~J粉末样品均未发现该特征峰。K粉末样品的粉磨深度为21.1mm,表明混凝土表层22mm范围内Ca(OH)2的含量较少,混凝土中的Ca(OH)2受到溶蚀或与渗入的酸性物质反应而被消耗。距表面大于22mm的混凝土粉末样品中观察到较为明显的Ca(OH)2峰,说明内部混凝土基本未受腐蚀。

2.1.3混凝土微观形貌随深度的变化规律在样品表层按深度每1mm用记号笔做标记,通过扫描电镜观察不同深度处混凝土微观形貌的差别,并观察了内部深度22~23mm处水化产物形貌进行对比,如图4所示。结果表明,与污水直接接触的混凝土表面,砂石基本处于裸露状态,未发现板状水化产物;在深度为0~1mm区域,发现板状水化产物,但并未呈现大片连续板状结构,而呈现碎片状,说明该区域水化产物受到了很严重的腐蚀;在深度为3~5mm区域,水化产物有较大的连续板状结构,但部分地方结构有所损伤,说明该区域水化产物也受到了一定程度的腐蚀;深度6~7mm区域,凝胶类水化产物形貌完整,表面分布大量其他颗粒状水化产物,混凝土受腐蚀程度较轻或基本未受腐蚀;在深度为22~23mm区域,观察到的凝胶类水化产物结构完整,并能发现有六方片状Ca(OH)2和针棒状钙矾石,表明内部混凝土基本未受腐蚀。

2.1.4混凝土中钙硅比随深度的变化规律距混凝土样品表面不同深度水化产物的钙硅比测试结果见图5。根据水泥水化理论,硬化混凝土水泥浆中C-S-H凝胶的钙硅比在1.7左右。当有大量掺合料时,火山灰反应使其降至1.2左右[3],当有Ca(OH)2共存时,钙硅比测试值为2.0左右,故认为混凝土水化产物钙硅比测试结果在1.2~2.0范围内是合理的。测试结果表明,距混凝土表面深度小于5mm时,混凝土水化产物钙硅比明显低于1.2;深度大于5mm时,水化产物的钙硅比测试结果较为稳定,保持在1.2~2.0左右。说明在与污水接触的混凝土表面以下5mm范围内,混凝土水化产物中的钙元素大量流失,混凝土受到了较为严重的侵蚀[4];混凝土内部钙硅比稳定,水化产物受侵蚀的可能性较低。

2.1.5混凝土表层低密实度区域深度对污水泵站混凝土芯样表层进行X-CT断层成像,通过不同区域灰度值的变化可判断腐蚀深度,如图6所示。从表面切割得到20mm厚混凝土片的X-CT断层图像来看,距腐蚀表面深度为4~5mm范围内(整体厚度的1/4),有明显的低灰度区域(白色虚线以上部分),表明该区域混凝土受腐蚀后微小孔隙数量增多、密实度降低,腐蚀较为严重。

2.2混凝土内部宏观性能的分析

2.2.1混凝土芯样抗压强度污水泵站混凝土芯样内部切割得到的3个混凝土试块的抗压强度平均值为44.3MPa,污水泵站构筑物的混凝土设计强度等级通常为C25~C30,测试结果仍满足设计强度等级要求。说明混凝土构筑物除表面腐蚀区域外,内部混凝土的力学性能保持良好,未受到损伤。

2.2.2内部钢筋锈蚀情况分析将芯样中的混凝土破型后取出钢筋观察钢筋锈蚀情况,未发现有任何锈蚀的迹象,表明芯样内部区域混凝土性能良好,对钢筋起到了良好的保护作用。

2.2.3氯离子含量及分布随深度的变化规律参照NTBUILD443—1995《硬化混凝土加速氯离子渗透测试方法》,测试不同深度处样品中的酸溶性氯离子含量,结果见图7。随着深度的增加,混凝土中氯离子含量呈先升后降再逐渐稳定的趋势。说明污水中氯离子仅在混凝土的表层发生扩散,未扩散到混凝土内部。测得的氯离子含量最大为0.0719%(折算到占胶凝材料重量百分比为0.395%),依据专著《大型海工混凝土结构耐久性研究与实践》中的结论,对于混凝土使用寿命预测或者耐久性设计,导致钢筋锈蚀的氯离子临界浓度为0.4%~1.0%(占胶凝材料重量百分比)。芯样内部氯离子含量明显低于氯离子临界浓度,表明污水混凝土构筑物不太可能受到氯盐侵蚀而引起混凝土中钢筋锈蚀破坏。从深度大于23mm开始,混凝土的氯离子含量测试结果极低且区域稳定,表明污水中的侵蚀性介质基本不可能渗入到该深度。

3腐蚀程度判定

综合各项测试分析结果,既有污水构筑物混凝土表层4~5mm范围内发生明显中性化且水化产物中的钙元素流失严重,钙硅比明显低于1.2,水化产物结构受到破坏,表层混凝土区域密实度降低,四种微观测试手段的测试结果具有较高的一致性,可确定既有污水混凝土构筑物与污水直接接触的表面往下4~5mm的混凝土受到了较为严重的腐蚀。混凝土表层以下深度22mm范围内未发现到明显的Ca(OH)2峰,且氯离子含量在该深度范围内有一定的波动,表明该深度范围混凝土也可能受到轻微的钙溶蚀。混凝土腐蚀表面以下大于22mm深度处混凝土水化产物结构完整,能发现明显的Ca(OH)2峰且水化产物钙硅比稳定在正常范围1.2~2.0,混凝土中的氯离子含量随深度变化也趋于稳定。芯样内部抗压强度保持良好,内部钢筋未发生锈蚀,表明污水混凝土构筑物距腐蚀面大于22mm的内部混凝土未受到侵蚀。

4腐蚀原因分析

对污水泵站中的污水进行取样检测,分析可能的腐蚀原因,检测结果如表2。由表2可知,泵站污水样pH基本呈中性,未达到酸性腐蚀环境条件;污水中氯化物含量88.1mg/L,低于GB/T50476—2017《混凝土结构耐久性设计规范》规定的水中氯离子浓度较低等级100~500mg/L,未形成氯离子侵蚀环境;污水中硫酸根离子浓度明显低于水中硫酸盐环境作用等级V-C级200~1000mg/L,未形成硫酸盐侵蚀环境;污水中COD值为176mg/L,高于GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级标准限值120mg/L,有机物含量较高,水体污染较为严重,含硫有机物在厌氧环境下与厌氧微生物反应,生成H2S气体,当H2S接触到混凝土的潮湿表面后被立即吸附,滞留在这层潮湿凝结水层中的H2S接着就会被硫杆菌属的好氧菌转换成H2SO4,对混凝土表面产生了酸腐蚀[5],在污水冲刷的条件下发生剥落,未剥落区域即既有混凝土表面在一定深度也受到了酸腐蚀而发生了中性化[6]。

5结论

(1)采用表层混凝土中性化深度测试并综合XRD、SEM、EDS、X-CT等微观测试手段可以对污水混凝土构筑物表层混凝土的腐蚀深度进行定量化的判断。(2)既有污水混凝土表面往下深度4~5mm范围内水化产物发生明显中性化,水化产物微结构受破坏不再完整,钙硅比明显偏低,区域混凝土密实度降低,混凝土受到了较为严重的腐蚀。表层往下深度5~22mm范围内混凝土物相分析未发现明显Ca(OH)2峰,但水化产物结构基本完整,钙硅比在正常范围内,混凝土可能受到了轻微的钙溶蚀。深度大于22mm的内部混凝土力学性能保持良好、钢筋未发生锈蚀、水化产物结构完整、物相分析发现明显Ca(OH)2峰、且氯离子含量分布稳定,混凝土基本未受到腐蚀。(3)根据污水水样的测试分析,污水混凝土构筑物可排除氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀因素引起的破坏,其腐蚀破坏原因主要为含硫有机物在微生物作用下引起的酸腐蚀。

参考文献:

[1]韩静云,张小伟,田永静,等.污水处理系统中混凝土结构的腐蚀现状调查及分析[J].混凝土,2000(9):52-54.

[2]韩静云,张小伟,陈忠汉,等.混凝土排污管的微生物腐蚀[J].混凝土与水泥制品,2000(12):28-30.

[3]耿健.混合水泥水化产物中C-S-H凝胶的半定量分析[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[4]蒋慷.矿渣-粉煤灰-水泥复合材料的钙溶蚀过程研究[D].南京:南京理工大学,2016.

[6]孔丽娟,韩梦迪,吴志刚.碳化对污水环境下混凝土性能的影响[J].硅酸盐学报,2018,46(8):1117-1125.

作者:沈贵阳 刘远祥 樊俊江 单位:上海市建筑科学研究院

污水混凝土构筑物腐蚀情况分析

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