污水环境中聚丙烯混凝土配合比设计

污水环境中聚丙烯混凝土配合比设计

李晓珍王锡洲王垚锋蒋鑫棋卢将龙

金华职业技术学院

摘要：钢筋混凝土结构被广泛应用于污水处理结构，因其服役环境恶劣，多数污水处理混凝土结构在短期内即出现耐久性问题，故研制耐污水腐蚀的新型混凝土材料已成为环保工程，特别是污水处理工程中的重要课题。本文对污水环境中聚丙烯混凝土的配合比设计研究提出了具体的思路和方案。

关键词：污水耐久性聚丙烯配合比

项目编号:2015-3-050城市污水处理构筑物中混凝土材料耐腐蚀性能研究；项目编号：2016R468010新型耐腐蚀混凝土管道的研制

1引言

随着我国城镇的不断扩大、人口的急剧增加和经济的快速发展，工业废水及生活污水量逐年增长。而长期以来，在我国城市建设快速发展的过程中，由于对环境保护基础设施的建设重视不够、投入不足，大量垃圾在城市边缘露天堆放或简易填埋，污水直接排入城市水系及相关流域，造成江河湖泊水质恶化和地下水污染，城市环境污染问题日益突出[1]。表现为局部地区地下水部分水质指标超标，主要有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、pH值等。2003年，全国废水排放总量增加到460.0亿吨，其中工业废水排放量212.4亿吨，城镇生活污水排放量247.6亿吨[2]。2007年，全国废水排放总量556.8亿吨，其中，工业废水排放量246.6亿吨，城镇生活污水排放量310.2亿吨[3]。2013年全国废水排放总量695.4亿吨。其中，工业废水排放量209.8亿吨、城镇生活污水排放量485.1亿吨[4]。新加坡《联合早报》报道指出，目前中国最大污染源是城市排放的生活污水。江西省会南昌的生活污水处理不到20%，省内其他城市为零。首都北京，污水处理率也只有56%，每年大约有60亿吨的污水未经处理直接流入附近河道。基于此，为保护环境，促进城市经济的可持续发展，国家对环境治理的投资力度正在加大，各大城市结合自身特点，分别制定了污水治理的总体规划，城市污水处理厂的建设正在逐步展开。

在城市环境工程中，输送和处理污水的构筑物如排污管、初沉池、曝气池和氧化沟、二沉池等都是钢筋混凝土结构。许多大中城市在扩建和增建污水处理厂，需要大量的排水管，用钢管作排水管不仅造价高，而且存在易腐蚀的问题，而塑料管、玻璃钢管的耐腐蚀性虽好，但刚度小，易变形，抵抗外压能力差，造价高，作为排水管使用的局限性很大，所以，目前混凝土管在排水管中还占绝对多数。而污水处理池一般为埋地式、半埋地式的封闭、半封闭或敞口露天形态，长期受酸碱等化学品、工业污水、工业大气、紫外线、固体颗粒的流动磨损、冲刷等因素的作用，存在着酸碱腐蚀、大气腐蚀、磨蚀、渗透式胀裂的物理侵蚀，菌藻类的微生物腐蚀等多种复杂的腐蚀形态，同时要经历一年四季的温差变化，还会发生胀裂渗透的物理性破坏，从而形成严重的腐蚀[5]。

日本近年来调查了几座污水处理构筑物，服役时间从3到22年不等。在服役3年的构筑物中没有发现明显的劣化，但发现了腐蚀的迹象，而服役年限长的结构，如泵井和贮泥池中，砼表面看到20-30mm厚度的软化膨胀，特别是露天部分的泵井和贮泥池，砼表面膨胀、剥落后钢筋露出，发锈。从贮泥池的换气管取到的凝结水的成分分析结果表明，硫酸离子浓度为13000mg/L，PH值为1.2，确认生成了高浓度的硫酸[6]。

在我国，从上世纪50年代开始大规模建设地下排水管网，排水管道多为混凝土制造，近年来也发生了类似的腐蚀案例[7]。以国内最早的污水厂—天津纪庄子污水处理为例，该厂始建于上世纪80年代，目前处理规模26万立方/日，服务面积37.7平方公里，服务人口108万人。采用传统活性污泥法二级处理工艺。构筑物均为钢筋混凝土结构，根据该厂建厂之初，1986-1992年的统计数据表明，仅仅6年维修费用达2500多万元，占运行费用的30%，随着时间的延续、破坏的加剧，维修费还要不断攀升。

韩静云、张小伟[8]调查服务期15年的苏州城西污水处理厂，发现各混凝土构筑物都有不同程度的腐蚀现象。初沉池中，污水入水口处的混凝土池壁已严重受损，面层水泥砂浆脱落，粗骨料外露，部分混凝土结构的表面甚至已无水泥砂浆，严重处混凝土已完全破坏；曝气池混凝土表面受损，砂浆层剥落；二沉池污水液面处砂浆层剥落。

除此，在南京、上海、重庆、哈尔滨等地的污水厂也都发现了严重的腐蚀，而这些构筑物最长的也才服役20余年，因此，研制耐污水腐蚀的新型混凝土材料已成为环保工程，特别是污水处理工程中的重要课题。综上所述，针对城市污水的酸性环境，研究开发一种耐污水腐蚀的混凝土材料是亟需解决的问题。

2研究内容及方法

通过前期的调查研究发现，聚丙烯是一种非极性的聚合物，几乎不吸水，与大多数的化学药品（如酸、碱、有机溶剂）都不发生反应，掺入混凝土中能迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物、碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。本项目通过大量正交设计试验和对比试验,以普通硅酸盐水泥作为主要材料，以聚丙烯和硅灰作为掺合料，探讨其掺量对水泥性能的影响，并分析筛选出耐腐蚀性最优的最佳掺量配比。在所用材料可靠、易得、经济的前提下，研究出具有抗压性能，抗渗性能及干缩率等耐久性指标优于普通混凝土且经济性较强的新型混凝土材料。另外，污水输送及贮存设施中的水位不断变动，研究表明，干湿循环的环境中混凝土的腐蚀程度要大于恒湿环境，故有必要对此类环境下新型混凝土的耐久性指标进行分析。

（1）制备人工强化污水

混凝土的劣化是一个长期的过程，而普通污水中的各项有害成分含量相对较少，采用人工强化的方法，以便在短时间内得到有用的数据。通过项目团队前期对污水环境中混凝土的腐蚀机理的调查研究，表明污水环境中主要腐蚀物质为有机酸和无机酸，通过选取有代表性的两种酸配置人工强化污水。

（2）研究人工强化污水环境中新型混凝土材料最佳配合比

对原材料充分进行筛选和分析,对每种材料除了研究最佳掺量的优选外,还需研究单种材料与水泥的相容性的问题。通过测试其1天、3天、7天、28天的力学性能指标,同时测试其耐久性指标来评定其效果（如抗压强度、抗渗等级、干缩率等）。进行有机酸溶液和无机酸溶液的浸泡腐蚀试验,研究相同PH值环境下酸溶液对不同组分掺量的新型混凝土的影响,得出最佳配合比。

（3）实际生活污水中新型混凝土的长期浸泡试验

选取金华地区有代表性的生活污水对新型混凝土进行长期浸泡腐蚀试验,以普通混凝土为参照组，对不同浸泡时间的混凝土进行内部离子分析，对比分析两种混凝土的耐久性评价指标。

（4）实际工业废水中新型混凝土的长期浸泡试验

选取金华地区有代表性的工业废水对新型混凝土进行长期浸泡腐蚀试验,以普通混凝土为参照组，对不同浸泡时间的混凝土进行内部离子分析，对比分析两种混凝土的耐久性评价指标。

（5）城市污水干湿循环作用下聚丙烯硅粉矿渣混凝土的耐久性研究

通过人工强化污水来模拟城市污水，开展干湿循环作用下的腐蚀试验,研究干湿循环对新型混凝土的腐蚀影响,分析该种环境下混凝土抗压强度、抗渗等级及干缩率的变化规律,并与普通混凝土试验结果进行对比分析。

（6）分析新型混凝土的经济型

对比分析新型混凝土和普通混凝土的经济性：一方面，从生产工艺、材料、人工、所需设备等方面着手；另一方面，分析在同一个周期内，两种混凝土结构作为污水处理池所耗费的维修费用。最后，将两方面进行综合，得出经济型比较结果。

3社会效益

随着浙江省“五水共治”的展开，污水处理问题被提到了一个前所未有的高度。污水主要来源于工业废水和生活污水，浙江是一个工业大省，仅工厂排出的废水就已经是一个庞大的数字，“五水共治”背景下加大了对工厂污水处理设施的检查力度，也促使很大一部分工厂新建或改建了污水处理设施。同时，增建了许多污水处理厂，截止2013年，全国共有7972座污水处理厂，仅金华地区就有23座。且污水处理设施中混凝土结构占了很大一部分。

污水环境下耐腐蚀混凝土的研制能够改进混凝土结构的耐久性，提高污水处理设施的使用寿命，从而为工厂、污水处理厂、政府节约资金，提高治理污水的积极性。

参考文献

[1]中国的水环境,http://www.xmepb.gov.cn/environment/2.htm

[2]全国环境统计公报（2003）：http://zls.mep.gov.cn/hjtj/qghjtjgb/200406/t20040602_90393.htm

[3]全国环境统计公报（2007），http://zls.mep.gov.cn/hjtj/qghjtjgb/200809/t20080924_129355.htm

[4]全国环境统计公报（2013），http://zls.mep.gov.cn/hjtj/qghjtjgb/201503/t20150316_297266.htm

[5]林文波，刘荣，闻宝联，污水处理构筑物钢筋混凝土结构的防腐与防水维护，中国建筑防水，2005（4）：23-25.

[6]姚舜华（译），关于污水处理厂混凝土劣化问题的调查研究，土木学会论文集，日本；1989（3）：64-74.

[7]刘华平,李田，上海市排水管道硫化氢腐蚀的探察与分析，给水排水,2005,(6)：91-94.

[8]韩静云，张小伟，田永静，陈忠汉，污水处理中混凝土结构的腐蚀现状调查与分析.混凝土2000（3）：52-55.