模擬生活污水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度試驗研究

黃明躍

(遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110006)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程發(fā)展速度迅猛，生活污水的排放和處理已然成為環(huán)境治理過程中尤為重要的部分。污水排放管道和處理系統(tǒng)是城市運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵組成部分，污水處理系統(tǒng)中的混凝土構(gòu)件長期與這些成分復(fù)雜的污水接觸，不可避免地受到各種腐蝕作用，從而影響著排水系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。因此，提高生活污水環(huán)境下混凝土的耐腐蝕性能已然成為城市排水系統(tǒng)中急需解決的重要問題。

通過在混凝土中摻入粉煤灰材料，研究了模擬生活污水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，采用抗壓耐腐蝕系數(shù)對粉煤灰混凝土的耐腐蝕性能的改善情況進(jìn)行評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥

選用營口金地球42.5級普通硅酸鹽水泥，各項性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理-力學(xué)性能指標(biāo)表

(2)細(xì)集料

選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6。

(3)粗集料

選用5～10mm單一粒徑玄武巖粗集料。

(4)粉煤灰

選擇I級粉煤灰，質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 I級粉煤灰性能指標(biāo)

1.2 試驗設(shè)計

(1)配合比設(shè)計

試驗采用的配合比見表3，根據(jù)污水管道混凝土強(qiáng)度要求，本試驗配制的粉煤灰混凝土目標(biāo)強(qiáng)度等級為C35，粉煤灰采用等量取代膠凝材料的摻入方式。

表3 粉煤灰混凝土配合比設(shè)計

(2)模擬生活污水配置

生活污水中的化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)是對混凝土產(chǎn)生腐蝕的關(guān)鍵成分[1]。本試驗取上夾河污水處理廠生活污水為母液，為保證試驗的加速進(jìn)行，向母液中添加富含氮、磷、鈉、鎂等化學(xué)物質(zhì)，配置的生活污水內(nèi)部COD值可以達(dá)到10000以上，滿足快速腐蝕試驗所需的高濃度污水要求[2]，所配置生活污水組成成分見表4。試驗過程中，每隔10d向生活污水母液中加入一定量表4中所列的化學(xué)物質(zhì)，保證試驗過程中模擬污水的COD值始終不低于5000。

表4 試驗用生活污水配比情況

(3)試驗方法及結(jié)果處理

養(yǎng)生及試驗方法：成型150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)生28d，然后分別放入清水與配置的生活污水環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)生，在齡期分別到達(dá)60d、90d、120d、150d和180d時取出部分試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。

抗壓耐腐蝕系數(shù)：根據(jù)生活污水環(huán)境中的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度與同齡期清水環(huán)境中的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，計算抗壓耐腐蝕系數(shù)，公式如下：

(1)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 清水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

不同摻量粉煤灰混凝土在清水環(huán)境中的各齡期抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表5。

表5 清水環(huán)境下粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果(單位：MPa)

從表5及圖1可以看出，在清水環(huán)境下，各種摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度不斷上升，并且在試驗期內(nèi)仍繼續(xù)增長。在28d齡期時，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度低于普通水泥混凝土對照組，這是由于在粉煤灰混凝土內(nèi)部早期水化產(chǎn)物較少，未能充分填充內(nèi)部空隙[2]。隨著齡期的持續(xù)增加，粉煤灰混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，混凝土的結(jié)構(gòu)變得致密，粉煤灰混凝土強(qiáng)度最終高于普通混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時由于粉煤灰自身特性，內(nèi)部水化熱產(chǎn)生的速率相對水泥材料比較緩慢，從而在齡期達(dá)到180d時粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度仍然不斷提高。

圖1 清水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2 生活污水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

不同摻量粉煤灰混凝土在生活污水環(huán)境中的各齡期抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表6。

表6 生活污水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果(單位：MPa)

從表6及圖2可以看出，生活污水環(huán)境下普通混凝土對照組抗壓強(qiáng)度不斷下降，而粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，在120d齡期時其抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，此時抗壓強(qiáng)度數(shù)值低于清水環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度。這是因為雖然粉煤灰在水環(huán)境中能夠繼續(xù)進(jìn)行水化作用，但是生活污水中的化學(xué)物質(zhì)對混凝土水化進(jìn)程產(chǎn)生了一定的抑制作用[3]，并在峰值時達(dá)到平衡狀態(tài)。隨著齡期的繼續(xù)增長，水化作用變緩，生活污水的抑制作用強(qiáng)于水化反應(yīng)[4]，出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度逐漸下降的情況。從變化趨勢可以看出，粉煤灰的摻量越高，混凝土抗壓強(qiáng)度上升的持續(xù)時間越長，后期強(qiáng)度下降幅度越小。從180d齡期各組混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值來看，當(dāng)粉煤灰摻量為25%左右時，其抗壓強(qiáng)度數(shù)值最大，下降幅度最小。

圖2 生活污水環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 污水環(huán)境下粉煤灰混凝土的耐腐蝕性能

將生活污水環(huán)境與清水環(huán)境下粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，得到各組試件的抗壓耐腐蝕系數(shù)，計算結(jié)果見表7。

表7 粉煤灰混凝土抗壓耐腐蝕系數(shù)

從表7及圖3可以看出，普通水泥混凝土在試驗開始時，抗壓耐腐蝕系數(shù)即出現(xiàn)急劇下降的情況，說明生活污水的腐蝕作用明顯。各組粉煤灰混凝土試件的抗壓耐腐蝕系數(shù)隨著齡期的增長呈現(xiàn)相對較緩的下降趨勢，其中35%摻量的粉煤灰混凝土在齡期達(dá)到120d后，其抗壓耐腐蝕系數(shù)急劇下降，說明粉煤灰的摻量并不是越高越好，存在一個最優(yōu)摻量。從180d齡期耐腐蝕系數(shù)結(jié)果來看，粉煤灰摻量為25%時，其抗壓耐腐蝕系數(shù)達(dá)到0.91為最高值，同時下降趨勢最為緩慢，說明有效地抵抗了生活污水對混凝土的腐蝕作用。

圖3 粉煤灰混凝土抗壓腐蝕系數(shù)變化情況

綜合以上數(shù)據(jù)可以得出，粉煤灰摻量在25%左右時，混凝土試件的抗壓耐腐蝕系數(shù)高于其他各組，明顯提高了耐腐蝕性能，同時滿足污水處理系統(tǒng)水泥混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和使用要求。

3 結(jié)論

(1)粉煤灰的摻入可以明顯提高混凝土的后期強(qiáng)度，在清水環(huán)境下，隨著齡期的增長抗壓強(qiáng)度不斷提高。

(2)在生活污水的腐蝕作用下，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，在120d齡期時達(dá)到峰值。當(dāng)粉煤灰摻量為25%左右時，其抗壓強(qiáng)度數(shù)值最大，總體下降幅度最小。

(3)通過不同摻量粉煤灰混凝土抗壓耐腐蝕系數(shù)的變化規(guī)律可知，粉煤灰的摻量并非越高越好，存在最優(yōu)摻量，當(dāng)摻量為25%時，其抗壓耐腐蝕系數(shù)在180d齡期達(dá)到最高值。

(4)綜合抗壓強(qiáng)度與耐腐蝕系數(shù)試驗結(jié)果，選取粉煤灰摻量25%作為最優(yōu)摻量，此時既有效提高了混凝土耐腐蝕性能，又滿足了污水處理系統(tǒng)水泥混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和使用要求。