复杂水力条件下污水管内混凝土的腐蚀机制及劣化模型研究

Facing with the complicated operating environment and deterioration situation of concrete sewers in our country, this project is planned to be conducted as follows: (1) Build up the accelerated test platform to simulate the corrosion of concrete under differtent hydraulic conditions, and carry out the corrosion experiments of concrete in non-full flow, full flow and free-surface-pressure flow sewers both in situ and in laboratory simultaneously. (2) Systematically investigate the properties of concrete (e.g., surface pH value, corrosion layer thickness, etc.), gas and liquid phase environment (e.g., hydrogen sulfide concentration, temperature and relative humidity, sewage pH value, flow velocity, chemical oxygen demand, erosion frequency, etc.) as well as biofilm (e.g., thickness, structure, microbial content, etc.) in concrete sewers, then to explore the interaction of physical, chemical and microbial corrosion of sewage on concrete, furthermore, reveal the corrosion mechanism based on grey correlation analysis. (3) Analyze the corrosion morphology, corrosion products, corrosion mechanism and corrosion kinetics characteristics of concrete in the indoor and outdoor tests by contrast, and provide the correlation evaluation between these two research methods. (4) Adopt the multiple regression and neutral network to establish the mathematical models of corrosion induction stage and corrosion development stage of the fresh and old concrete sewers, respectively, and verify the reliability of the model based on the data collected from the field, which can realize the prediction of the service life of concrete sewers under different hydaulic conditions. The results obtained are expected to have important practical significance for the control and prediction of concrete sewers corrosion.

面对我国复杂的污水管道运行环境及各地污水管网日益老化劣化的现状，本项目首先搭建模拟不同水力条件下污水管内混凝土腐蚀的加速试验平台，并同步开展现场与室内非满流、满流及明满流污水管内混凝土的腐蚀试验；其次对污水管内混凝土（表面pH、腐蚀层厚度等）、气液相环境（硫化氢浓度、温湿度、污水pH值、流速、化学需氧量、冲刷频率等）以及生物膜（厚度、结构、微生物含量等）进行测定，探究污水对混凝土腐蚀的物理、化学及微生物交互作用，并基于灰关联分析进一步揭示其腐蚀机制；再次对户内外试验中混凝土的腐蚀形貌、腐蚀产物、腐蚀机制及腐蚀动力学特征进行对比分析，给出两种研究方法间的相关性评价；最后分别采用多元回归和神经网络建立新老污水管道混凝土的腐蚀诱发及发展两阶段劣化模型，并基于现场采集的数据综合验证该模型可靠性，实现对不同水力条件下污水管道使用寿命的预测。研究成果对混凝土污水管道的腐蚀防控及预测均具有重要现实意义。

目前世界各地城市均面临大量污水管网的老化和劣化问题，维修或更换耗资巨大。鉴于污水管道环境的复杂性以及混凝土腐蚀的多样性，本项目全面系统地开展了不同水力条件下污水管道混凝土劣化规律及腐蚀机制、户内外腐蚀试验相关性、腐蚀劣化模型三方面研究工作，在基本按照原有方案执行的基础上，又有一定拓展和延伸。主要结果归纳如下：(1) 对于满流运行的污水管道，持续冲刷的物理作用使得混凝土质量损失出现较早，但随时间增加微生物引起的劣化逐渐占主导地位，特别是流速较低时，试件表面附着的生物膜及形成的腐蚀层结构均较疏松，不仅屏障作用弱，且更有利于微生物生长。(2) 对于非满流运行的污水管道，现场调研结果发现处于气相区混凝土的损失厚度达到25.78 mm，腐蚀速率为1.29 mm/年，分别是水位区和液相区的1.7和3.6倍。此外，附近生活区多、内部水流量大的污水管混凝土腐蚀更严重，除硫化氢气体浓度稍高外，用水高峰期时水面上涨导致气相区试件周期性被淹没，这种干湿循环作用（即明满流交替）也加速了混凝土劣化。(3) 通过对户内外试验中的混凝土试件进行腐蚀形貌观察、腐蚀产物对比、腐蚀机理分析及腐蚀动力学特性回归，发现室内试验具有较好的模拟性和加速性。对于非满流污水管道内部气相区，在提高硫化氢气体浓度的同时还需在试件表面定期喷淋菌液，加速其生物硫氧化过程及生物硫酸产生。(4) 开展了二氧化碳及硫化氢气体中性化、嗜中菌及嗜酸菌腐蚀的全过程加速模拟研究，并将碱激发混凝土、铝酸盐水泥混凝土与普通混凝土进行对比，通过质量、强度、pH值三指标随时间的变化规律，建立了腐蚀诱发及发展两阶段线性模型，计算结果表明污水环境下碱激发粉煤灰混凝土的服役寿命相比普通混凝土可延长1-2倍。本项目的研究工作可为混凝土污水管道的结构设计提供一定理论依据，并为其使用寿命预测提供了科学有效的研究方法与途径。