城市污水环境下混凝土构筑物特殊防护后耐久性分析预测.pdf

2 0 1 0年 第 5期 ( 总 第 2 4 7期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 0 ( T o ml No 2 4 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 1 5 城市污水环境下混凝土构筑物特殊防护后 耐久性分析预测 刘廷滨 ，赵建 昌 ( 1 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 甘肃省建筑物耐久性诊治工程技术研究中心，甘肃 兰州 7 3 0 0 2 0 ) 摘要： 城市污水处理系统处于复杂的侵蚀环境中， 受到生物腐蚀、 化学腐蚀、 物理腐蚀等多因素作用。已建及新建污水处理构筑物， 为 达到耐久性要求应采取必要的防护措施。以试验结果为依据， 对试验采用的3 种防腐方法： 表面涂覆结晶类防水材料、 表面涂覆非结晶类 防水材料 、 表面涂覆硅烷类防水 材料 ， 利用 GM( 1 ， 1 ) 灰色模型对防护措施 的效果进行了预测分析。试 验及 预测均表 明表面涂覆防水材料 能很好的提高混凝土构筑物的长期耐久性能。 关键词 ： 灰色理论 ；G M( 1 ， 1 ) ；污水环境 ；混凝土耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 5 0 0 4 6 0 3 Dur a bi l i t y f or e c as t i ng of c onc r e t e a f t er s pec i a l pr o t e c t i on i n s e wag e e nvi r o nmen t U U T i n g - b i n ZHA OJ i a n c h a n g ( 1 S c h o o l o f E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， t a n z h o u7 3 0 0 7 0 ， C h i n a 2 G a n s u C o n s t r u c t i o n Du r a b i l i ty Re s e a r c h C e n t e r ， L a n z h o u 7 3 0 0 2 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： S e wa g e t r e a t me n t s y s t e m o p e r a t e i n a c o mp l e x e n v i r o n me n t ， Bi o c o r r o s i o n， c h e mi c a l c o rro s i o n a n d p h y s i c a l e r o s i o n a r e a f f e c t i n g i t T h e S e wa g e t r e a tm e n t s t r u c t u r e s t h a t h a v e b e e n c o mp l e t e d a n d w i l l b e b u i l t ， I n o r d e r t o a c h i e v e t h e d u r a b i l i ty r e q u i r e me n t s s h o u l d t a k e t h e n e c e s - s a r y p r o t e c t i v e me a s u r e s Ba s e d o n t h e e x p e ri me n t a l r e s ul t s ， t h e r e a r e t h r e e k i n d s o f a n t i c o r r o s io n me t h o d s ： c o a t i n g c r y s t a l l i z a t i o n ma t e ri a l s ， c o a t i n g n o n c rys tal l i zat i o n ma t e ri a l s ， c o a t in g s i l a n e s mate ri a l s Ba s e d o n GM( 1 ， 1 ) ， g r a y t h e o ry w a s e s t a b l i s h e d t O p r e d i c t t h e e ff e c t s o f ant i c o r r o s i o n me tho d s T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o a t i n g wa t e r - p r o o f ma t e r i a l c a n we l l i mp r o ve t h e d u r a b i l i ty of c o n c r e t e s t r u c t u r e s K e ywo r d s ： gra yt h e o ry； G M( 1 ， 1 ) ； s e wa g e e n v i r o n me n t ； c o n c r e t e d u r a b i l i ty 0 引言 由混凝土建造的污水处理构筑物易受到污水的侵蚀而发 生不同程度的损坏， 导致结构强度下降， 无法达到正常使用年 限的要求【 l _ 3 1 。 大量试验及工程检测表明对污水环境下混凝土构 筑物进行必要的特殊防护是必要的4 1 。 对既有构筑物， 提高其耐 久性的最直接方法就是涂层保护。选取 3 种混凝土防护方案： 涂覆水泥基渗透结晶、 涂覆水泥基渗透非结晶、 涂覆硅烷类混 凝土防护材料。在贫氧污水环境中进行快速腐蚀试验5 - 6 1 ， 测量 其抗压强度和抗折强度。根据试验结果建立了基于灰色理论 的GM( 1 ， 1 ) 预测模型对污水环境下混凝土构筑物的耐久性进 行了分析评价。 然后浸泡在以 1 5 0 k g 城市污水为母液配置的强化贫氧污水中。 强化污水的配置见表 2 。 表 1 混凝土配合比 贫氧污水 9 2 0 5 0 0 1 4 0 6 1 3 4 0 0 1 8 1 8 9 1 2 试 验结果 第 1 组浸泡之前检测。定期更新强化污水的同时， 其他组 每 6 周检测 1 次混凝土的抗压、 抗折强度。共检测 6次， 试验结 果见于表 3 。 1 试验设计及试验 结果 2 结果分析预 测 1 1 试 验设计 将按照表 l 混凝土配合比配制的混合料， 振捣成型。将 2 8 d 龄期的混凝土试块( 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 mm) 分为 A、 B、 C、 D、 E 5组。 A组涂覆水泥基渗透结晶类、 B组涂覆水泥基非结晶类、 C 组涂覆硅烷类混凝土防护材料、 D组作为参照试块 ，放在清水 中养护、 E组也作为参照试块， 放在污水中养护。 涂覆后标养2周， 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 1 1 46 混凝土耐久性试验研究的周期一般较长， 目前采用的快速 试验方法虽然在一定范围内解决了试验周期的问题。但是混凝 土的设计正常使用时间一般在 5 O 年， 许多标志性和生命线工程 的设计使用时间甚至超过百年。要想把握混凝土在使用期间的 耐久性状况， 建立准确的预测模型是必须的。本研究采用灰色 G M( 1 ， 1 ) 模型对混凝土的耐久性进行长期预测。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 抗压 、 抗折 强度试验值 MP a 2 1 灰 色 G M( 1 ， 1 ) 模型算法的实现 建立 G M模型就是将原始数列累加生成后建立具有微分、 差分近似指数规律的兼容方程。灰色理论将无规律的原始数列 经累加生成后， 使其变为较有规律的生成数列后 ， 再建模。所以 G M( 1 ， 1 ) 模型实际是生成数列的模型。给定序列： 。 ( 0 ) ， 【o 】 ( 1 ) ， ， ( n ) 】 ( 1 ) 卿 表示混凝土试件在污水环境中浸泡后的腐蚀系数的原 始序列。 用 1 - GA O累加生成算法将原始数据系列生成一阶 累加生成序列。 ( = ( 0 ) ， ( ) ( 1 ) ， ， ( n ) 】 ( 2 ) ( ) 表示一阶累加生成序列。其中： ( 彻 ( ) 】 ( k = l ， 2 ， ， n ) ( 3 ) = 1 将累加生成序列对时间求导建立微分方程 + a x ( 1 )( t ) ： ( 4 ) d 式中： o ， z 一由已知序列确定的常数， 按最小二乘法求解。 ，U l B T B Y N ( + 划， ( + 划， 划， YN = I x ( ) ( 2 ) 卜 ) ( 1 ) ) ( 3 ) 卜 ) ( 2 ) 】 将上两式代入( 4 ) ， 得到初沉池混凝土劣化程度预测模型 离散形式的时间响应函数： ( ) ( + 1 ) = ) ( 1 ) 一 】 e ( = O ， 1 ， ， 一 1 ) n a 2 2 预测结果及分析 分别以 A、 B、 C、 D、 E组试验所得的抗压强度和抗折强度 为原始序列， 根据灰色 G M( 1 ， 1 ) 算法的实现编制计算程序。预 测结果见于表 4 、 5 。 由表4 可见抗压强度预测值与试验值的最大残差为4 4 9 MP a ， 由表 5 可见抗折强度的最大残差为0 2 5 MP a 。 混凝土抗压强度 的预测值基本能够满足工程要求， 混凝土抗折强度的预测值与 试验值拟合程度较好。以表 4 、 5 预测数据及试验数据为依据绘 制抗压强度和抗折强度变化曲线如图 1 、 2 。 由图 1 、 2可见表层涂覆水泥基渗透结晶类的A组试块 ， 涂 覆水泥基非结晶类的 B组试块， 涂覆硅烷类混凝土防护材料的 C组试块。虽然在强化污水中养护但其抗压强度、 抗折长期强 度并未降低。而且其抗压强度、 抗折强度比在清水中标准养护 的 D组试块更好。而在污水 中养护 的混凝 土试块其抗压 、 抗 折 强度在有短暂上升之后随即有明显的降低， 说明其受到了污水 的侵蚀。 水泥基渗透结晶型防水材料是由硅酸盐水泥， 石英砂以及 多种化学材料组成。防水材料中的化学物质可以促使硅酸二钙 与水泥水化过程中产生的C a ( O H) 发生反应。 生成结晶体硫铝 酸钙， 并且堵塞混凝土毛细孑 L 。使混凝土的抗压、 抗折强度增 大。 抗腐蚀性提高。 水泥基改性非结晶型防水材料、 硅烷类防水 材料提高混凝土抗压、 抗折强度及抗腐蚀的原理与水泥基渗透 结晶型防水材料的原理类似。 污水环境下混凝土试块的试验值和预测值都表明， 对于提高 已建混凝土工程的抗腐蚀性。表面涂覆防水材料是很好的选择。 表 4抗压预测结果及 残差 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5抗折预测结果及残差 日 、 爱 +结晶类试验值 +结晶类预测值 t 一非结 晶类试验 值 * 一非结 晶类预测 值 +硅 烷类试验值 +硅烷 类预测值 一清水试验值 a 一 清水预测值 一污水试验值 污水 预测值 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 次数 图 1 抗压强度发展 曲线 次 数 图 2抗折强度发展 曲线 3结论 ( 1 ) 城市生活污水的成分较为复杂， 并且会随着季节变化 及工业污水的排放等因素发生改变。城市生活污水对混凝土的 侵蚀原理也极为复杂。化学腐蚀 、 微生物腐蚀、 物理腐蚀等都会 对混凝土的耐久性造成不利影响。对污水处理构筑物的防腐蚀 是十分必要的。对未采取防腐蚀设计的已建构筑物表面涂覆防 水材料是较好的选择。 ( 2 ) 灰色预测法是一种对含有不确定因素的系统进行预测 的方法。对复杂污水环境下混凝土的耐久性预测有着良好的适 应性。 随着试验数据的积累， 及预测模型的改进。 其预测精度会 进一步提高。 参考文献 ： M AE D A T ， N E G I S H I A， K OMO D O H， e t a 1 I s o l a t i o n o f i r o n o x i d i z i n g b a c t e ri a c o r r o d e d o f s e w a g e t r e a t me n t p l a n t s j o u ma l o f b i o s e i e n c e a n d b i o e n g i n e e r i n g J 1 9 9 9 ( 6 ) ： 3 0 0 3 0 5 2 韩静云， 张小伟， 等 污水处理系统中混凝土结构的腐蚀现状调查 J J 混凝土， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ： 5 2 5 4 3 】 韩静云， 郜志海 ， 张小伟 城市污水对初沉池混凝土不均衡损伤特性 研究【 J l _土木工程学报， 2 0 0 5 ( 3 8 ) ： 4 7 4 9 4 闻宝联 城市污水环境下混凝土腐蚀及耐久性研究 D 天津： 天津大 学， 2 0 0 5 【 5 V I N C K E E， B E E L D E N S AC h e mi c a l ， mi c r o b i o l o g i c a l ， a n d i n s i t u t e s t me t h o d s f o r b i o g e n i c s u l f u r i c a c i d c o r r o s i o n o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 6 2 3 6 3 4 【 6 1张小伟， 张雄 混凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法 建筑材 料学报， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 5 2 5 8 7 】邓聚龙 灰色系统基本方法【 M 】 武汉： 华中理工大学出版社 ， 1 9 8 8 ： 21 - 7 8 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 刘廷滨( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 在读硕士研究生， 研究方向： 混凝土结 构耐久性。 甘肃省兰州市兰州交通大学校长办公室( 7 3 0 0 7 0 ) 1 3 91 91 7 41 4 2 上接第 4 5页 2 】张宝善 ， 蒋晓东 离心钢管混凝土中心受压柱的研究【 J J 郑州工学院 7 】 韩林海 钢管混凝土结构【 M - 京： 科学出版社 ， 2 0 0 4 学报， 1 9 9 0 ， 1 l ( 2 ) ： 4 8 5 4 8 余志武， 丁发兴混凝土受压力学性能统一计算方法【 J 】 _ 建筑结构学 3 傅军薄壁罔 冈 管混凝土构件抗扭试验研究 D 1 杭州： 浙江大学， 2 0 0 0 报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 4 ) ： 4 1 4 6 1 4 】曲晨 离心钢管混凝土结构的扭转性能与组合作用试验与理论研究【 D 杭州： 浙江大学， 2 0 0 2 f 5 】金伟良， 袁伟斌， 干钢 离心钢管混凝土的等效本构关系 J 工程力 学， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 1 0 1 1 5 【 6 】O T T OS E N N S C o n s t i t u t i v e m o d e l f o r s h o r t - t i me l o a d i n g o f c o n c r e t e J A S C E， 1 9 7 9 ， 1 0 5 ( E M1 ) ： 1 2 7 1 4 1 48 作者简介 单位地址 联 系电话 户方伟( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博士， 从事地下空间与结构力学的设 计研究。 武汉市江汉区常青路 4 o 号 武汉市政工程设计研究院 ( 4 3 0 0 1 5 ) 0 2 7 51 1 5 6 2 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m