混凝土排水管具有抗压能力强、使用期限长、生产技术简单、成本低等优点[1]，是我国大量应用的一种市政排水管。在工业排水设施中，也大量采用混凝土排水管。但在长期使用过程中，混凝土排水管也暴露出耐腐蚀性较差、寿命较短等问题[2]。为保障排水管网的长期安全有效运行，对混凝土排水管进行更新换代势在必行。
超高性能混凝土(UHPC)作为近年发展起来的超高性能水泥基材料，具有超高强度和耐久性，其抗压强度在150 MPa左右，电通量低于100 C，抗冻等级超过F500，抗硫酸盐等级超过KS120[3]，其强度和耐久性较排水管常用的C40混凝土有很大提升，有可能作为混凝土排水管的升级换代产品。
对于混凝土排水管而言，其造成腐蚀破坏的因素主要有两个，一是环境中的氯离子引起排水管中的钢筋锈蚀，二是污水中的腐蚀性物质引起的混凝土腐蚀破坏。
目前我国的排水管网有雨污分流和雨污合流两种方式，厂区的排水管多为雨污合流方式，且工业废水和生活污水多为混合排放，因此排水管输送的水主要包括工业废水、生活污水、雨水等三种。其中工业废水多为工矿企业排放的生产废水、化工企业的化学试验废水及用来输送某些特定物料后的污水；生活污水中含有很多的有机物；工厂所排放的粉尘、废气，会使雨水落在地面前受到腐蚀，成为酸雨。排水管道在输送这些污水的过程中，污水中的无机物、有机物、细菌微生物之间会发生生物化学反应，变成酸性溶液，并对管道内壁混凝土造成严重的腐蚀破坏。
对于UHPC而言，其耐久性方面的研究主要集中在抗氯离子、抗硫酸盐、抗冻等方面[4-9]，且由于UHPC优异的抗氯离子、抗硫酸盐和抗冻性能，UHPC在海洋工程、桥梁等工程中得到应用[10-12]，因此采用UHPC制备排水管，氯离子引起钢筋腐蚀的可能性很小。
目前针对普通混凝土抗污水腐蚀的研究较多[13-16]，但对于UHPC抗污水腐蚀性能的研究未见报道，因此非常有必要进行深入研究。
为明确UHPC的抗污水腐蚀性能，采用模拟工业废水、无机酸、有机酸等三种模拟污水溶液，对比研究了UHPC和普通混凝土的抗污水腐蚀性能，并对其机理进行分析。
1 原材料与试验方法
1.1 混凝土原材料与配合比
配制UHPC的原材料如下：广州市珠江水泥有限公司生产的粤秀牌P·Ⅱ42.5R水泥，广东盖特奇新材料有限公司提供的复合掺料、石英砂(粒径0.16～1.25 mm)、钢纤维(长12～14 mm，直径0.18～0.22 mm)、聚羧酸减水剂(固体质量分数40%)、自来水。配制普通混凝土原材料如下：广州市珠江水泥有限公司生产的粤秀牌P·Ⅱ42.5R水泥，唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生产的S95级矿渣微粉，II区河砂，花岗岩碎石(粒径5～10 mm)，聚羧酸减水剂(固体质量分数40%)，自来水。
UHPC配比见表1，普通混凝土配比见表2。
表1 UHPC配合比
Table 1 Mix proportion of UHPC kg/m3
类型水泥矿物掺和料石英砂水钢纤维减水剂UHPC5804201 18016011028
表2 普通混凝土配合比
Table 2 Mix proportion of ordinary concrete kg/m3
类型水泥矿粉河砂碎石水减水剂普通混凝土2941268191 0011582.1
1.2 腐蚀溶液的配制
1.2.1 试验试剂
1)柠檬酸：工业纯，潍坊英轩实业有限公司生产。
2)磷酸：分析纯，无锡市晶科化工有限公司生产。
3)氢氧化钠(NaOH)：工业纯，天津渤天化工有限责任公司生产。
4)硫酸(H2SO4)：分析纯，广州化学试剂厂生产。
5)葡萄糖：分析纯，上海伯奥生物科技有限公司生产。
1.2.2 模拟工业废水溶液
工业废水对混凝土管道的腐蚀破坏与污水中的化学需氧量(COD)有很大的关系[17]。参照文献[18]，设计了一种有高COD值的人工模拟工业废水，其配比见表3。
1.2.3 无机酸溶液
无机酸腐蚀是引起混凝土排水管道腐蚀老化的一个重要原因。国内许多学者对其腐蚀机理进行分析研究后指出[19-20]：硫化氢附着在混凝土管道内壁表面，在噬混凝土菌的作用下生成浓硫酸，从而导致混凝土管道内壁的腐蚀破坏。由于在研究模拟工业废水对混凝土腐蚀时，所配置的溶液已添加有硫酸，所以改为以磷酸为基质配制无机酸缓冲溶液，其配比见表3。
表3 模拟污水溶液配比
Table 3 Mix proportion of simulated sewage solution
模拟工业废水无机酸溶液有机酸溶液葡萄糖/g硫酸/mL自来水/L磷酸/mLNaOH/g自来水/L柠檬酸/gNaOH/g自来水/L3 0001.53001 000400501 1403950
1.2.4 有机酸溶液
污水环境下微生物代谢的最终产物之一为有机酸。根据张小伟等通过对比两种酸对混凝土腐蚀的试验研究[21]可知：在相同pH值下，有机酸对混凝土的腐蚀较无机酸更为严重。参考相关资料，选择柠檬酸为基质配制有机酸缓冲溶液，其配比见表3。
1.3 试验方法
试验采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的试件，成型方法按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[22]，UHPC与普通混凝土各24组，每组3个试件。
UHPC试件采用蒸汽养护+标准养护。试件成型后，放入蒸汽养护箱，在20 ℃环境静停6 h，以15 ℃/h的速度缓慢升温至40 ℃，40 ℃恒温养护24 h后拆模；然后放入蒸汽养护箱中，以15 ℃/h的速度缓慢升温至90 ℃，90 ℃恒温养护48 h后停止加热，开箱使温度缓慢降至室温。取出试件，放入标准养护室养护至28 d龄期。
普通混凝土试件采用标准养护，拆模后放入标准养护室，养护至28 d龄期。
将UHPC和普通混凝土试件分别放入模拟工业废水、无机酸、有机酸、自来水等四种溶液中浸泡，浸泡时试件上表面距溶液表面的距离不小于10 cm，试件间距不小于1 cm。每浸泡1个月龄期，取出一组试件测试强度，直至浸泡至6个月龄期。
试件强度按照GB/T 17671—1999进行，测试试件的抗折和抗压强度，并计算混凝土的抗折和抗压强度耐腐蚀系数(耐腐蚀系数=腐蚀溶液中浸泡的试件强度/同龄期下自来水中浸泡的试件强度)。
2 试验结果与分析
a—UHPC; b—普通混凝土。
—自来水； 
—模拟工业废水； 
—无机酸； 
—有机酸。
图1 不同溶液下混凝土抗折强度
Fig.1 Rupture strength of concrete in different solution
a—UHPC; b—普通混凝土。—自来水； —模拟工业废水； —无机酸； —有机酸。
图2 不同溶液下混凝土抗压强度
Fig.2 Compressive strength of concrete in different solution
试件抗折强度见图1。试件抗压强度见图2。由图1和图2中数据分析可知：
1)UHPC在自来水浸泡下抗折和抗压强度均随浸泡龄期增加呈缓慢增长趋势；在模拟工业废水和无机酸浸泡环境下抗折强度先缓慢增加随后下降，在有机酸浸泡环境下抗折强度呈下降趋势；在3种腐蚀溶液浸泡下抗压强度均随浸泡龄期增加呈下降趋势。污水溶液中强度变化趋势主要由胶凝材料水化作用和溶液腐蚀作用相对大小决定，当胶凝材料水化作用大于溶液腐蚀作用时，强度增加；反之则强度下降。随着浸泡龄期延长，腐蚀作用大于水化作用，故长期浸泡后强度均下降。
2)普通混凝土在自来水浸泡下抗折强度随浸泡龄期增加呈缓慢增长趋势，抗压强度随浸泡龄期增加呈略微下降趋势；在三种腐蚀溶液浸泡下抗折和抗压强度均随浸泡龄期增加呈大幅下降趋势。
3)三种腐蚀溶液对UHPC和普通混凝土的影响规律基本一致，均为模拟工业废水与无机酸的腐蚀相近且较轻，有机酸的腐蚀效果较强。
4)对同一种腐蚀溶液而言，虽然UHPC和普通混凝土强度降低的绝对值接近；但由于UHPC强度是普通混凝土的2～3倍，其对UHPC的腐蚀程度要远小于普通混凝土。
计算得到UHPC与普通混凝土的抗折耐腐蚀系数见图3。计算得到UHPC与普通混凝土的抗压耐腐蚀系数见图4。
a—UHPC; b—普通混凝土。—模拟工业废水； —无机酸； —有机酸。
图3 不同环境下混凝土抗折耐腐蚀系数(RSCRC)
Fig.3 Rupture strength corrosion resistance coefficient(RSCRC) of UHPC and ordinary concrete in different solution
a—UHPC; b—普通混凝土。—模拟工业废水； —无机酸； —有机酸。
图4 不同环境下混凝土抗压耐腐蚀系数(CSCRC)
Fig.4 Compressive strength corrosion resistance coefficient(CSCRC) of UHPC and ordinary concrete in different solution
由图3和图4中数据分析可见：
1)在三种腐蚀溶液浸泡下，UHPC的抗折和抗压耐腐蚀系数均随浸泡龄期增加呈缓慢下降趋势，而普通混凝土的抗折和抗压耐腐蚀系数均随浸泡龄期增加呈大幅下降趋势。
2)三种腐蚀溶液对UHPC和普通混凝土的影响规律基本一致，均为模拟工业废水与无机酸的腐蚀相近且较轻，有机酸的腐蚀效果较强；对于有机酸和其他两种腐蚀溶液的耐腐蚀系数的差异，UHPC较普通混凝土小得多。
3)对同一种腐蚀溶液而言，UHPC的耐腐蚀系数远大于普通混凝土。在腐蚀最为严重的有机酸液体中，普通混凝土浸泡6个月的抗压耐腐蚀系数为0.18，而UHPC的抗压耐腐蚀系数为0.70。
上述结果表明，在污水环境下，UHPC仍会受到腐蚀，但腐蚀程度要远远小于普通混凝土，以UHPC制备排水管能够大幅提高排水管的使用寿命。
虽然UHPC 的材料单价较高，但将UHPC应用于排水管中时，由于其强度高，排水管的壁厚可降低1/3～1/2，从而可以大幅降低原材料成本以及相应的运输、吊装成本；再考虑到其优异的耐久性所带来的管道寿命的大幅延长和维修次数的大幅减少，其全寿命周期的综合成本将低于普通混凝土。
3 机理分析
模拟工业废水、无机酸、有机酸等三种模拟污水溶液对试件造成的腐蚀，是腐蚀溶液中酸性物质与胶凝材料水化产物发生反应所造成的。由于硅酸盐水泥基材料水化产物是强碱性的，因此会与污水溶液发生酸碱反应，使得混凝土的表面逐步被破坏，从而引起宏观上截面减少和强度降低。
这一现象在有机酸溶液浸泡普通混凝土时特别明显。普通混凝土在有机酸溶液浸泡2 d左右，混凝土表面出现了一层蓬松状的白色颗粒(图5)；用水冲去以后，可以看到混凝土表面的砂浆出现了脱落的现象。浸泡6个月后，混凝土试件表面几乎只剩下裸露的粗集料。
图5 在有机酸溶液浸泡2 d后的普通混凝土试件
Fig.5 Ordinary concrete specimen soaked in organic acid solution after 2 days
不同溶液的腐蚀能力不同，不同混凝土的抗腐蚀能力也不同，因此表现出数据上的差异，但规律性是一致的，这与本文的研究结果一致。
与普通混凝土相比，UHPC的水胶比更低，掺入硅灰等复合掺合料并采用高温蒸养，使得胶凝材料水化更为完全，微观结构更为致密，外界腐蚀离子难以进入，所以其强度、抗氯离子渗透性能、抗污水腐蚀性能均明显优于普通混凝土。
下面通过电镜观察微观形貌和压汞法测定孔结构做进一步分析。
对UHPC与普通混凝土28 d龄期试件做电镜分析，结果见图6。
a—UHPC放大倍率10 000x； b—混凝土放大倍率10 000x。
图6 扫描电镜示意
Fig.6 SEM images
由图6可知：UHPC内部结构非常致密，且界面区没有裂纹和明显的缺陷；而普通混凝土内部结构不够致密，有较多裂缝与孔隙。
对UHPC与普通混凝土28 d龄期试件采用压汞法分析孔结构，结果见表4。
表4 孔结构分析试验结果
Table 4 Test result of pore structure analysis
类型孔隙率/%最可几孔径/nm孔径分布/%无害孔<20 nm少害孔(20～100 nm)有害孔(100～200 nm)多害孔(>200 nm)UHPC1.266.0346.836.882.1144.19普通混凝土11.3124.334.9415.619.4240.02
由表4可知:UHPC的孔隙率和最可几孔径相较普通混凝土小得多；虽然超高性能混凝土孔结构中，多害孔(>200 nm)占了44.19%，略高于普通混凝土，但是由于其累计孔体积相当小，所以这些孔多为封闭孔，对混凝土耐久性的影响也是很小的。
综合电镜相片和孔结构分析数据可知，UHPC 的致密性非常高，基本不存在腐蚀通道，外界腐蚀离子难以进入UHPC内部，只能通过表层进行腐蚀，因此其抗污水腐蚀性要明显优于普通混凝土。
4 结束语
通过本文的研究，可以得出如下结论。
1)在模拟工业废水、无机酸、有机酸等三种模拟污水溶液中，UHPC也会受到腐蚀，但其抗污水腐蚀性能要明显优于普通混凝土，以UHPC制备排水管能够大幅提高排水管的使用寿命。
2)UHPC内部结构十分致密，孔隙率极低，外界腐蚀离子难以进入UHPC内部，只能通过表层进行腐蚀，是其具有优异的抗污水腐蚀性能的主要原因。
3)虽然UHPC 排水管的材料单价较高，但其壁厚和自重较低、管道寿命大幅延长、维修次数大幅减少，其全寿命周期的综合成本将低于普通混凝土排水管。
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