垃圾滲濾液對混凝土耐久性影響研究

（湖南恒德檢測有限公司，湖南衡陽421000）

0 引言

1 垃圾填埋場構(gòu)筑物耐久性研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已有許多在垃圾填埋場上及其附近新建混凝土結(jié)構(gòu)的案例[3]，對廢舊垃圾填埋場進(jìn)行“再生”挖掘也成為生態(tài)修復(fù)的重要手段[4]，但其研究主要集中在垃圾填埋場中垃圾土物理力學(xué)參數(shù)的確定、垃圾土沉降變形規(guī)律以及垃圾滲濾液對建筑物基礎(chǔ)施工的影響等，關(guān)于垃圾滲濾液對混凝土構(gòu)筑物耐久性的研究還相對較少。施建勇等通過在有機(jī)質(zhì)含量不同的垃圾土中摻入不同含量的水泥研究了有機(jī)質(zhì)含量、水泥含量對水泥垃圾土的強(qiáng)度特性的影響，指出垃圾土中的有機(jī)質(zhì)對水泥垃圾土既有加筋作用，同時也減弱了水泥垃圾土的強(qiáng)度。楊明亮等對金口垃圾填埋場內(nèi)垃圾土的壓縮特性、承載特性以及抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行了研究，指出垃圾土具有高壓縮、不均勻沉降等特性，并對垃圾填埋場內(nèi)大型建筑物的地基安全性進(jìn)行了驗(yàn)證?？铝盏韧ㄟ^理論研究和數(shù)值計(jì)算，對建設(shè)在某垃圾填埋場上的鐵路樁基耐久性進(jìn)行了研究。李玉雯通過試驗(yàn)研究了垃圾滲濾液對混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響，并對垃圾滲濾液在鉆孔灌注樁成樁過程中所起的作用進(jìn)行了研究。鐘曉華等對在垃圾填埋場內(nèi)施工的施工工藝進(jìn)行了分析，提出了針對垃圾填埋場的施工工藝，有效保障了灌注樁的施工質(zhì)量。姚海林等對鉆孔灌注樁施工過程中垃圾滲濾液對地下水的影響進(jìn)行了研究，建立了施工過程中地下水污染物濃度模型，并結(jié)合具體工程實(shí)例預(yù)測了地下水中的污染物濃度。

2 混凝土滲透特性研究現(xiàn)狀

混凝土滲透特性越好，侵蝕環(huán)境中的侵蝕性離子、水等越不容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，混凝土耐久性也就越好，因此滲透特性是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容，也是評價混凝土耐久性的重要指標(biāo)[5]?；炷翝B透性試驗(yàn)主要采用氣滲法、水滲法以及電測法等[6]。水滲法是利用水溶液作為滲透介質(zhì)，通過在混凝土一側(cè)施加一定水壓的水溶液，并測量經(jīng)滲透一定時間后的滲水量或滲水高度來計(jì)算混凝土滲透性。由于采用水溶液作為滲透介質(zhì)，該方法會導(dǎo)致水泥的繼續(xù)水化以及造成侵蝕產(chǎn)物的遷移，從而對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，且不適用于現(xiàn)代高強(qiáng)、高性能、低滲透混凝土。電測法是通過在試樣兩端施加一定的電壓并測量通過試樣的電量或離子濃度進(jìn)而計(jì)算試樣滲透率，其測量周期較短，操作簡單，是目前評價混凝土滲透率的主要方法，但施加的電壓可能會影響混凝土孔溶液中的化學(xué)成分，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氣滲法是以氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w作為滲透介質(zhì)，具有測量精度高的特點(diǎn)，對微裂紋尤其是裂紋貫通時的混凝土滲透性評價具有不可替代的作用，是未來研究混凝土滲透特性的重要手段[7]。下面從上述三方面綜述國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展及發(fā)展動態(tài)。

2.1 水滲法

水滲法是我國《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中推薦的測量混凝土滲透性的方法，其原理主要是在混凝土上游施加一定水壓的水溶液，通過測量經(jīng)滲透一定時間后的滲水量或滲水高度計(jì)算混凝土滲透性。方永浩等對混凝土試樣在持續(xù)壓荷載下的滲透特性進(jìn)行測量，研究了混凝土在單軸壓縮荷載下的滲透率演化特性，指出當(dāng)荷載低于極限荷載60%時滲透系數(shù)隨荷載增加而減小，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載70%時滲透系數(shù)急劇增大。薛維培等在方永浩的基礎(chǔ)上為試樣施加了圍壓作用，研究了應(yīng)力-滲流耦合作用下混凝土滲透率、力學(xué)特性演化規(guī)律，指出滲透壓對試樣有一定損傷效應(yīng)，能降低混凝土力學(xué)強(qiáng)度，并建立了滲透率隨應(yīng)力-應(yīng)變曲線的演化關(guān)系。Li等利用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，探究了骨料含量和界面過渡區(qū)對混凝土滲透率的影響，研究指出骨料含量和界面過渡區(qū)是影響混凝土滲透率的主要因素。Halamickova等研究了水灰比、含砂率對滲透率的影響，并測量了孔徑分布，進(jìn)而建立了滲透率與臨界孔徑的關(guān)系。

2.2 電測法

電測法根據(jù)測量方法的不同，又分為電通量法、電導(dǎo)率法和氯離子擴(kuò)散系數(shù)法等。電通量法是通過在試樣兩端施加一定的電壓并測量通過試樣的電量進(jìn)而計(jì)算試樣滲透率，其中使用最多的是ASTMC1202 電通量法。侯旭良等對比了ASTMC1202電通量法與氣滲法測量效果，指出兩種測量方法具有很好的相關(guān)性，但氣滲法精度較高，適合測量水膠比較小的水泥砂漿滲透率。但與此同時，SHI等學(xué)者也指出電通量與氯離子滲透特性之間并沒有直接聯(lián)系，且所加電壓太高，可能會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時外加劑等對試驗(yàn)結(jié)果的影響也十分巨大。蔣林華等對上述三種測量氯離子滲透特性的方法進(jìn)行了對比，指出三種方法不具備普遍適用性，需要針對具體試驗(yàn)情況合理選擇試驗(yàn)方法。吳麗君等利用氯離子擴(kuò)散系數(shù)法測量了不同水灰比混凝土試樣的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，指出氯離子滲透擴(kuò)散能力隨混凝土水灰比減小而減小。

2.3 氣滲法

水泥基材料氣體滲透特性測量方法來源于巖石力學(xué)中氣體滲透性測量方法，該方法在巖石力學(xué)中應(yīng)用較多，在水泥基材料中的應(yīng)用還相對較少。目前常規(guī)混凝土氣體滲透率的測量方法主要分為流量法、變壓壓力法等，即通過測量氣體通過混凝土試樣的流量或試樣兩端的壓力差來計(jì)算混凝土試樣滲透率[8]。Liu 等研究了巖石在三軸壓縮蠕變過程中氣體滲透率的演化規(guī)律，指出施加偏應(yīng)力初期，氣體滲透率隨蠕變的進(jìn)行而有所減小，但當(dāng)試樣破壞時滲透率有所增大。彭蘇萍等研究了砂巖在全應(yīng)力應(yīng)變過程中的滲透率演化規(guī)律，并建立了應(yīng)力-應(yīng)變與滲透率之間的定量關(guān)系。賀玉龍等研究了圍壓升降對砂巖和單裂隙花崗巖滲透性的影響，指出兩種巖石的滲透率均隨著有效應(yīng)力的增加而有規(guī)律的減小，但單裂隙花巖滲透率對有效應(yīng)力的敏感性遠(yuǎn)大于砂巖。宋楊等研究了高溫作用對混凝土氣體滲透率的影響，試驗(yàn)指出氣體滲透率隨著溫度升高而增加，且在400～500℃時氣體滲透率增大速率較快。Picandet等通過在混凝土試樣直徑方向施加荷載的方式人為制造裂紋，研究了裂紋寬度與滲透率之間的關(guān)系，并建立了滲透系數(shù)與氣體體積、流速之間的關(guān)系。Abbas等研究了含水率對氣體滲透率的影響，結(jié)果表明含水率對混凝土滲透率的影響巨大，能達(dá)到兩個數(shù)量級。費(fèi)正岳等分析了混凝土氣體滲透率與碳化深度的關(guān)系，指出氣體滲透率對碳化深度的控制程度受粉煤灰摻量的影響。

3 現(xiàn)有研究不足及可能的研究方向

綜上所述，混凝土耐久性問題已引起國內(nèi)外學(xué)者的足夠重視，針對氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕、酸侵蝕、凍融循環(huán)、碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。然而，對于構(gòu)筑在垃圾填埋場上及其附近的混凝土建筑物，其服役環(huán)境惡劣，經(jīng)常處于垃圾滲濾液侵蝕性環(huán)境當(dāng)中，混凝土耐久性問題嚴(yán)重，而目前針對垃圾滲濾液侵蝕條件下的混凝土耐久性研究還相對較少，存在以下待解決問題：

（1）混凝土滲透性能越好，侵蝕環(huán)境中的侵蝕性離子、水等越容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，混凝土耐久性也就越差。因此，混凝土的滲透性能是評價混凝土耐久性的重要指標(biāo)，也是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容，而目前對經(jīng)垃圾滲濾液侵蝕后的混凝土滲透特性演化規(guī)律的研究還處于空白階段。同時，垃圾填埋場地下混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境較為復(fù)雜，在受到垃圾滲濾液化學(xué)侵蝕的同時還受到地層及上層建筑傳遞而來的三維應(yīng)力作用。而常規(guī)滲透率測量方法無法為試樣施加三維應(yīng)力作用，無法測量出垃圾填埋場地下混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)下的滲透特性。因此，研究混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力狀態(tài)及垃圾滲濾液侵蝕條件下的滲透特性演化規(guī)律對于評價垃圾填埋場混凝土結(jié)構(gòu)耐久性至關(guān)重要。

（2）混凝土力學(xué)性能越強(qiáng)，混凝土抵抗侵蝕性離子侵蝕作用而不發(fā)生破壞的能力越強(qiáng)，因而混凝土力學(xué)性能不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，也是混凝土耐久性研究的重點(diǎn)。目前針對混凝土力學(xué)特性的研究多集中在硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、酸侵蝕、凍融循環(huán)等，對經(jīng)垃圾滲濾液侵蝕后得混凝土力學(xué)特性演化規(guī)律的研究還處于空白階段。同時，常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)只能得到混凝土試樣宏觀力學(xué)參數(shù)，如單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等。事實(shí)上，混凝土腐蝕是由表及里的過程，分為腐蝕區(qū)和未腐蝕區(qū)，不同侵蝕深度處的力學(xué)性能是不一樣的。因此，在研究垃圾滲濾液侵蝕條件下的混凝土宏觀力學(xué)特性演化規(guī)律的同時，從細(xì)觀尺度出發(fā)，研究混凝土不同侵蝕深度處的細(xì)觀力學(xué)特性演化規(guī)律對了解垃圾滲濾液侵蝕條件下混凝土耐久性具有重要意義。

（3）混凝土耐久性問題及其發(fā)生變形破壞的宏觀現(xiàn)象背后隱藏著其微觀機(jī)理，即在微觀尺度上微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通至破壞的演化過程，從微觀尺度出發(fā)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律進(jìn)行研究是揭示混凝土劣化機(jī)理的主要手段。目前針對混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律的研究多集中在硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、酸侵蝕、凍融循環(huán)等，對經(jīng)垃圾滲濾液侵蝕后的混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律的研究還處于空白階段。因此，從微觀尺度出發(fā)研究混凝土微觀結(jié)構(gòu)的劣化規(guī)律具有重要意義，將為揭示垃圾滲濾液侵蝕條件下混凝土滲透特性演化規(guī)律、宏/細(xì)觀力學(xué)特性演化規(guī)律及混凝土劣化機(jī)理提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)語

本文采用文獻(xiàn)綜述法對垃圾滲濾液侵蝕條件下的混凝土耐久性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：

（1） 垃圾滲濾液對混凝土的耐久性具有較大的影響，而現(xiàn)有的研究成果較少，難指導(dǎo)現(xiàn)有的工程實(shí)踐。關(guān)于侵蝕性環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究還主要集中在氯鹽、硫酸鹽、酸性介質(zhì)、海水侵蝕以及碳化等方面，少有學(xué)者關(guān)注垃圾填埋場內(nèi)垃圾滲濾液對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

（2） 一些已開展的垃圾填埋場內(nèi)環(huán)境污染對構(gòu)筑物耐久性、安全性影響的研究也主要集中在垃圾填埋場中垃圾土物理力學(xué)參數(shù)的確定、垃圾土沉降變形規(guī)律以及垃圾滲濾液對基礎(chǔ)施工的影響等，鮮有學(xué)者考慮垃圾滲濾液對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

（3） 對垃圾滲濾液侵蝕條件下的混凝土耐久性進(jìn)行研究具有重要意義。鑒于此，建議后續(xù)從滲透性能、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)等方面著手，系統(tǒng)研究經(jīng)垃圾滲濾液侵蝕后的混凝土滲透特性、力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)演化特征和演化規(guī)律。