公路交通科技  2024, Vol. 41 Issue (6): 36-45

扩展功能

文章信息

徐国会.
XU Guo-hui
硫酸盐干湿循环作用下废水混凝土寿命预测模型
Service Life Prediction Model for Wastewater Concrete Under Sulfate Dry-wet Cycle
公路交通科技, 2024, 41(6): 36-45
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(6): 36-45
10.3969/j.issn.1002-0268.2024.06.005

文章历史

收稿日期: 2023-08-25
  Abstract             PDF              Figures               Tables
引用本文 0
徐国会. 硫酸盐干湿循环作用下废水混凝土寿命预测模型[J]. 公路交通科技, 2024, 41(6): 36-45.
XU Guo-hui. Service Life Prediction Model for Wastewater Concrete Under Sulfate Dry-wet Cycle[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(6): 36-45.
硫酸盐干湿循环作用下废水混凝土寿命预测模型
徐国会     
中铁十四局集团有限公司市政工程分公司, 山东 青岛 266700
收稿日期: 2023-08-25
作者简介: 徐国会(1983-), 男, 山东沂水人, 高级工程师
摘要: 为解决中国西北高寒盐渍土地区混凝土的耐久性问题, 采用不同掺量搅拌站废水拌制混凝土, 以研究其在抗硫酸盐-干湿循环双重作用下的影响。以0%, 25%, 50%, 75%, 100%比例混凝土搅拌站废水取代等质量饮用水混合拌制C40混凝土, 以20%比例粉煤灰等质量取代水泥。混凝土试件为40 mm×40 mm×160 mm, 采用5%浓度的硫酸镁溶液进行全浸泡干湿循环试验, 测试混凝土的抗压强度、抗折强度、相对动弹性模量、质量及吸水率。以相对动弹性模量为评价指标, 利用灰色预测GM(1, 1)模型及损伤二次函数衰减模型进行寿命预测。结果表明: 随着废水替代率的增加, 混凝土抗压强度损失率先减小后增大, 干湿循环下的混凝土质量损失率由高到低依次为C40-75, C40-100, C40-50, C40-25;搅拌站废水的主要氧化物与水泥类似, 微观形貌多为多孔状不规则颗粒, 可以延缓C40混凝土在硫酸盐干湿循环环境中的劣化速度, 使混凝土提高抵抗SO42-侵入的能力, 其中废水替代率为50%时混凝土抗SO42-侵蚀能力最好; GM(1, 1)寿命预测显示废水替代率为50%时混凝土耐久性年限最长, 其耐久年限提高了2.3倍, 可抵抗74次硫酸盐-干湿循环, 且衰减模型相关系数R2大于0.94, 具有较高精度。
关键词: 道路工程    寿命预测模型    灰色预测GM(1, 1)    废水混凝土    干湿循环    硫酸盐    
Service Life Prediction Model for Wastewater Concrete Under Sulfate Dry-wet Cycle
XU Guo-hui    
Municipal Engineering Branch of China Railway 14th Bureau Group Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266700, China
Abstract: To solve the durability problem of concrete in salty soil environment in the alpine region of Northwest China, the influence of different mixing plant wastewater on the durability of concrete against sulfate dry-wet cycle was investigated. To study the influence of different dosage of mixing plant wastewater on concrete resistance to sulfate under dry-wet cycle, the concrete mixing plant wastewater was mixed with C40 concrete by replacing potable water with 0%, 25%, 50%, 75%, and 100% proportion of equal mass. The fly ash replaced cement with 20% proportion of equal mass. The specimens of 40 mm×40 mm×160 mm were tested by using 5% concentration of magnesium sulfate solution for full immersion dry-wet cycle test. The compressive strength, flexural strength, relative dynamic elastic modulus, mass and water absorption of concrete were tested. The relative dynamic elastic modulus was also used as the evaluation index, and the life prediction was carried out by using the gray prediction GM (1, 1) model and damage quadratic decay model. The result indicates that with the increase of wastewater substitution rate, the concrete compressive strength loss firstly decreases and then increases. The rate of concrete mass loss under dry-wet cycle is C40-75, C40-100, C40-50, and C40-25 in descending order. The main oxides of mixing plant wastewater are similar to cement, and the microscopic morphology is mostly porous irregular particles, which can delay the deterioration rate of C40 concrete in sulfate dry-wet cycle. The degradation rate of C40 concrete in sulfate dry-wet cycle environment can slow down the deterioration rate of C40 concrete in cycle environment, so that the concrete improves the resistance to the invasion of SO42-, of which the concrete has the best resistance to SO42- erosion when the wastewater substitution rate is 50%. The GM (1, 1) life prediction shows that the concrete has the longest durability life when the wastewater substitution rate is 50%. The durability life increases by 2.3 times. The concrete can resist 74 times sulfate dry-wet cycle. The decay model correlation coefficient R2 is greater than 0.94, which has high accuracy.
Key words: road engineering    service life prediction model    gray prediction GM (1, 1)    wastewater concrete    dry-wet cycle    sulfate    
0 引言

混凝土是世界上应用极为广泛的建筑材料，每立方米混凝土的生产都将造成近500 L淡水的消耗[1]。作为运输混凝土主要工具之一的搅拌机在清洗过程中会产生大量废水，平均每辆搅拌机产生570~1 300 L废水[2-3]。冲洗产生的废水含有未水化的水泥和各类外加剂，属于高碱性溶液，无法达到标准的排放要求[4-7]。因此处理这些废水成为搅拌站的一项大的额外成本[2, 8]，而混凝土生产运输产生的废水如何回收利用受到广泛关注，利用搅拌站废水替代淡水来拌制混凝土[9-10]被认为是一种绿色环保的方式。

混凝土的耐久性一直被工程应用及学者们关注，中国西北地区盐渍土盐湖面积广泛，水工混凝土处于硫酸盐浸泡环境中，同时西北地区气候干燥，混凝土同时会面临干湿循环与硫酸盐侵蚀的双重破坏[11]。因此，许多学者展开了对混凝土硫酸盐干湿循环环境下的研究。甘磊等[12-13]开展了对玄武岩纤维混凝土在硫酸盐干湿循环作用下的侵蚀试验，研究发现玄武岩纤维混凝土的劣化受到纤维掺量、硫酸盐浓度及干湿循环次数的共同影响。刘超等[14]对硫酸盐干湿循环环境中再生复合微粉混凝土劣化机理进行了研究，研究表明再生微粉的多孔性是混凝土耐久性劣化的主要原因。李艺等[15]对混杂纤维混凝土的抗硫酸盐干湿循环性能进行了研究，研究发现纤维可以增强混凝土密实性，提高抗侵蚀能力。刘鹏等[16]总结了硫酸盐干湿循环环境下混凝土耐久性的研究进展，认为硫酸盐干湿循环的研究目前仍处于起步阶段，缺乏系统的化学热力学和动力学机理解释及评判标准。冯琦等[17]对粉煤灰再生混凝土在硫酸盐干湿循环下的耐久性进行了研究，同时采用Weibull函数建立寿命预测模型，研究表明粉煤灰的替代率为15%时，试件在硫酸盐干湿循环环境下的耐久性最强。乔宏霞等[18]对陶瓷粉再生混凝土抗硫酸盐干湿循环性能进行了研究，并利用Wiener随机分布函数建立了可靠度模型，进行了寿命预测，结果表明陶瓷粉代替部分再生细骨料能有效提高再生混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。覃源等[19]对不同粉煤灰掺量的纤维混凝土进行了硫酸盐干湿循环试验，采用GM(1，1)模型预测了剩余寿命，结果表明粉煤灰掺入量为10%时可以增强其耐久性，且GM(1，1)预测结果与此一致。董瑞鑫等[20-21]针对风积沙混凝土的硫酸盐干湿循环作用机理及性能进行了研究，并进行了寿命预测，结果表明在硫酸盐和干湿循环双重作用下混凝土孔隙裂缝发展较单一作用时更快，小孔隙向大孔隙发展更为明显。

然而，目前少有关于废水拌制混凝土在硫酸盐干湿循环环境下的研究，缺少干湿循环和硫酸盐耦合环境下的侵蚀变化机理，并且废水拌制混凝土的使用寿命仍然未知。因此，本研究选用5%浓度的硫酸镁溶液，对不同废水替代率下的C40混凝土进行硫酸盐干湿循环试验，测试其抗压强度、抗折强度、相对动弹性模量、质量及吸水率，阐释废水拌制混凝土的硫酸盐干湿循环作用机理。选用相对动弹性模量，采用灰色系统理论GM(1, 1)模型及二次型函数对废水拌制混凝土使用寿命进行预测，建立寿命预测模型，旨在为废水拌制混凝土在工程中的应用作参考。

1 试验材料 1.1 原材

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，表观密度为334 kg/m3，密度为3.18 g/cm3，28 d龄期抗压强度和抗折强度分别为45.4 MPa和8.4 MPa，化学成分见表 1；粗骨料为粒径5~10 mm碎石，吸水率为0.53%；细骨料为河砂，细度模数为2.6，含泥量为0.8%，表观密度为2 650 kg/m3，堆积密度为1 470 kg/m3；粉煤灰为Ⅰ级，需水量比为93%，采用等量替代水泥；外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为26%；硫酸镁溶液为七水硫酸镁(MgSO4·7H2O)，纯度>99%，配置浓度为5%；拌和水为饮用水与废水按比例混合制备。

表 1 水泥、废水粉末主要化学成分(单位：%) Tab. 1 Main chemical composition of cement and wastewater powder (unit: %)
化学成分 CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 SO3 K2O Na2O
废水 41.95 32.64 13.24 3.70 3.63 1.74 1.24 0.52
水泥 63.22 18.63 4.93 1.03 3.99 3.01 0.79 0.47
表选项

1.2 废水物理、化学及力学性能

废水来自预拌混凝土厂在混凝土生产过程中产生的经处理的废料(生产设备、运输设备、泵送设备、场地冲洗水和雨水)。废水固体含量为12%，pH值为12。研磨自然条件下风干后获得的废水粉末，并用孔径为45 μm负压筛分仪进行细度测试，测得细度为17.6%。化学成分见表 1。

废水粉末的微观结构分析使用扫描电镜(见图 1)和元素分析(见图 2)，原子百分比为C: 26.08，O: 56.56，Ca: 13.29，Si: 4.08。采用X射线衍射法对废水粉末进行分析(见图 3)。元素分析和X射线衍射分析可以确定废水粉末的成分。分析发现，石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、氢氧化钙[Ca (OH)2]，钙矾石(AFt)是废水的主要矿物成分。废水粉末的微观形状主要是颗粒状，可以观察到水化硅酸钙(C—S—H)，Ca(OH)2和微观孔隙。

图 1 废水粉末SEM图像 Fig. 1 SEM image of wastewater powder
图选项

图 2 废水粉末元素分析 Fig. 2 Analysis on wastewater powder element
图选项

图 3 废水粉末X射线衍射分析 Fig. 3 X-ray diffraction analysis on wastewater powder
图选项

2 试验配比及测试方法 2.1 试验配合比

以0%，25%，50%，75%，100%比例混凝土搅拌站废水取代等质量饮用水，将废水与饮用水混合后拌制C40混凝土。以20%比例粉煤灰取代水泥，混凝土配合比如表 2所示。

表 2 C40混凝土配合比(单位：kg/m3) Tab. 2 Mix propotion of C40 concrete(unit: kg/m3)
编号 废水 饮用水 水泥 砂 5~10 mm碎石 粉煤灰 减水剂
C40-0 0 184 358 845 1 059 89 8.2
C40-25 46 138 358 845 1 059 89 8.2
C40-50 92 92 358 845 1 059 89 12.3
C40-75 138 46 358 845 1 059 89 16.4
C40-100 184 0 358 845 1 059 89 16.4
表选项

2.2 测试方法

混凝土试件成型养护依据《水工混凝土试验规程》 (SL/T 352—2020)规定进行。试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。试件标准养护至26 d，放入常温清水中浸泡48 h。然后将试件放入SO42-浓度为5%的MgSO4溶液中进行浸泡，溶液超过试件顶面2 cm以上。硫酸盐干湿循环周期为15 d，其中每个循环硫酸盐溶液浸泡13 d，60 ℃烘箱烘干48 h，共15 d。每2个循环测试质量、吸水率、抗折强度、抗压强度及相对动弹性模量。为保证溶液浓度稳定，每2个循环更换一次。

3 试验结果与分析 3.1 抗压强度损失率

随着干湿循环次数的增加，各组废水混凝土的抗压强度损失率先减小后增大(见图 4)。相同循环次数不同废水掺量的混凝土抗压强度损失率也各不相同。干湿循环2次和6次时未掺废水的对照组混凝土抗压强度损失率最高，其损失率由高到低依次为C40-0, C40-75，C40-100，C40-50，C40-25；干湿循环4次时C40-75混凝土抗压强度损失率最高；干湿循环8次时，随着废水替代率的增加, 抗压强度损失率先减小后增大。其中C40-25抗压强度增长幅度最大，干湿循环2次时抗压强度提高了26.4%，而对照组C40-0抗压强度仅提高了7.4%，增长幅度为C40-25的28%。而C40-50，C40-75，C40-100抗压强度分别增长了18.5%，16.5%，17.8%，各组废水混凝土增长幅度均大于对照组。对照组C40-0抗压强度增长幅度未达到任一组废水混凝土抗压强度增长的一半。另外，干湿循环8次时，C40-25抗压强度损失仅为1.3%，对照组C40-0抗压强度损失达20%，而C40-50，C40-75，C40-100抗压强度损失分别为2.2%，8.8%，11.2%，仅C40-100抗压强度损失达到对照组的50%。

图 4 C40混凝土抗压强度损失率 Fig. 4 Loss rate of C40 concrete compressive strength
图选项

3.2 抗折强度损失率

各组废水混凝土的抗折强度随干湿循环次数的增加先增大后减小(见图 5)，即抗折强度损失率先减小后增大。相同循环次数不同废水掺量的混凝土抗折强度损失率各不相同。干湿循环2次时C40-25混凝土抗折强度损失率最高，其余3组抗折强度损失率均低于对照组；干湿循环4次时C40-25和C40-50混凝土抗折强度损失率均高于对照组；干湿循环6次和8次时，相比各组废水混凝土，对照组混凝土抗折强度损失率均为最高；干湿循环8次时，随着废水替代率的增加抗折强度损失率先减小后增大。其中C40-75抗折强度增长幅度最大，干湿循环2次时抗折强度损失为-70.6%，即抗折强度增长了70.6%，与之相比，对照组C40-0抗折强度增长了28.1%，仅为C40-75抗折强度增长幅度的40%。C40-50和C40-100抗折强度分别增长44%和55.6%，均高于对照组C40-0的28.1%。C40-75干湿循环8次时抗折强度损失为-49.3%，即抗折强度增长了49.3%，而对照组C40-0抗折强度增长仅为1%；同时C40-25，C40-50，C40-100抗折强度分别增长了11.9%，30.3%，46.9%。综上可见掺入废水后，C40混凝土在硫酸盐干湿循环境下抗折强度得到了较大的提升。

图 5 C40混凝土抗折强度损失率 Fig. 5 Loss rate of C40 concrete flexural strength
图选项

3.3 相对动弹性模量

C40混凝土相对动弹性模量如图 6所示。随着干湿循环次数的增加，各组废水混凝土的相对动弹性模量先增大后减小。相同循环次数不同废水掺量的混凝土相对动弹性模量各不相同。干湿循环2次和4次时相对动弹性模量从高到低依次为C40-100，C40-75，C40-0，C40-25，C40-50；干湿循环6次时仅C40-50混凝土相对动弹性模量低于对照组；干湿循环8次时，随着废水替代率的增加相对动弹性模量先增大后减小。其中C40-75与C40-100相对动弹性模量降低较慢，干湿循环2次时相对动弹性模量分别为106%和107%，与对照组C40-0相比，分别提高了3%和4%。干湿循环2次时，C40-25和C40-50与对照组C40-0相比，相对动弹性模量分别降低了2%和5%。干湿循环8次时，C40-75相对动弹性模量为99%，与对照组C40-0相比，相对动弹性模量提高了9%，而C40-25，C40-50，C40-100相对动弹性模量分别提高了3%，3%，6%。可见废水替代率为75%和100%时，对C40混凝土在硫酸盐干湿循环下的密实性有一定的提升。

图 6 C40混凝土相对动弹性模量 Fig. 6 Relative dynamic elastic modulus of C40 concrete
图选项

3.4 废水混凝土质量

废水混凝土质量损失如图 7所示。随着干湿循环次数的增加，各组废水混凝土的质量损失先减小后增大，即各组废水混凝土的质量先增大后减小。相同循环次数不同废水掺量的混凝土质量损失各不相同。在整个干湿循环过程中，C40-75混凝土质量损失均为最低；干湿循环8次时，随着废水替代率的增加，最大循环次数时的质量损失先增大后减小；干湿循环2次时，C40-75质量损失降低较慢，质量损失率为-1.9%，即质量增加了1.9%；与之相比，对照组C40-0质量增加幅度分别为C40-75，C40-25，C40-50，C40-100的68.4%，130%，118%，162.5%。干湿循环8次时，C40-0，C40-25，C40-50，C40-75，C40-100质量损失率分别为-0.3%，-0.1%，-0.6%，-0.4%，-0.2%，质量变化与初始时相比均小于1%，变化较小，与干湿循环2次时相比，质量已有明显降低，但仍高于初始质量。

图 7 C40混凝土质量损失 Fig. 7 Mass loss of C40 concrete
图选项

3.5 废水混凝土吸水率

废水混凝土吸水率如图 8所示，随着干湿循环次数的增加，各组废水混凝土的吸水率先减小后增大。废水的掺入对混凝土的吸水率影响较小，各组废水混凝土吸水率与对照组接近，干湿循环4次和6次时，对照组混凝土吸水率最高。干湿循环8次时，混凝土吸水率由高到低依次为C40-75，C40-0，C40-100，C40-50，C40-25；干湿循环2次时，C40-25吸水率较低，吸水率为2.3%，与对照组C40-0相比，降低了8%。C40-50，C40-75，C40-100与对照组C40-0相比，吸水率分别提高了8%，4%，0%；干湿循环8次时，与对照组C40-0相比，C40-25，C40-50，C40-75，C40-100质量损失分别降低21%，14%，0%，12%。吸水率变化可近似显示混凝土内部孔隙含量的变化，孔隙率越低，强度越高，由此可知在干湿循环2~4次时，混凝土内部孔隙最低，这与宏观抗压强度等表现一致。

图 8 C40混凝土吸水率 Fig. 8 Water absorption rate of C40 concrete
图选项

3.6 微观机理分析

龄期为28 d的试件浸泡在MgSO4溶液中，并进行干湿交替，在此环境下试块受到了物理及化学侵蚀[16]，导致了混凝土强度、动弹性模量、质量及吸水率的变化。混凝土在硫酸镁溶液中浸泡初期，试件继续水化，生成的水化物如C—S—H等填充了部分毛细孔。同时，溶液中的SO42-顺着混凝土的孔隙通道进入混凝土，并在传输过程中与水泥水化产物发生反应[22]，生成少许的钙矾石或者石膏等膨胀性物质，同时还有难溶物质Mg (OH)2等，填充孔隙。此时，生成的晶体尚未对孔隙壁产生结晶压，导致混凝土质量损失率下降，即混凝土质量增大(见图 7)，吸水率下降(见图 8)，使混凝土更为密实，进而表现为宏观的抗压强度和抗折强度损失率下降，即抗压强度和抗折强度增大(见图 4和图 5)及相对动弹性模量增大(见图 6)。

随着硫酸浸泡及干湿循环的进行，一方面，随着晶体生成物的增多，混凝土孔隙逐渐被填满，孔隙壁开始受压，当结晶压大于混凝土拉应力时，混凝土就会开裂，而新的裂缝又为硫酸盐进入混凝土开辟了道路[23]。另一方面，在湿状态时MgSO4在混凝土孔隙及表面为溶解状态，虽然MgSO4·7H2O具有易溶于水且常温下较为稳定的特点，但当混凝土处于干状态，随着孔隙中的水由表及里地蒸发，MgSO4·7H2O晶体达到超饱和状态，孔隙内开始有MgSO4·7H2O晶体析出，此时钙矾石等膨胀晶体停止生长[24]。在上述结晶压及干湿循环作用下，混凝土逐步开始开裂，表面发生脱落，具体表现为质量损失率增大(图 7)，硫酸盐侵蚀速度越来越快，混凝土抗压强度和抗折强度损失率增大(见图 4和图 5)。对于掺废水的C40混凝土，由于废水的掺入会降低混凝土的孔隙率，减小最可几何孔径，而且可以优化混凝土孔隙结构，提高无害孔比例[25]，而低孔隙率可以阻碍SO42-进入混凝土，延缓混凝土的性能下降，提高抗侵蚀能力，因此可知废水可以提高混凝土抗硫酸盐干湿循环的能力。

4 GM(1, 1)模型的理论与预测模型

不同废水替代率均可增强混凝土抗硫酸盐干湿循环的能力，因此对不同废水替代率下的混凝土耐久年限预测，建立耐久性预测模型[26]。

4.1 模型理论

设X0为原始数据的时间序列，则：

(1)

式中X0(t)为测试时间的实测值。记生成序列为X1：

(2)

式中X1为X0累加生成的序列，满足以下关系：

(3)

则有：

(4)

根据灰色系统理论对Xt-1建立的一个单序列的一阶线性动态模型为GM(1, 1)，其微分方程为：

(5)

式中a和u为模型参数。设Xt-1，通过最小二乘法求解一阶线性动态模型为：

(6)
(7)
4.2 模型精度检验方法

为使模型精度满足工程预测要求，对其进行回代检验和后验差检验。测试时间点t的预测残差为：

(8)
(9)
(10)

式中，S1为各项残差的方差；S2为实测值与预测值的方差；为原始数据均值；为残差均值，。

后验差比值C为:

(11)

计算小误差概率为：

(12)

当后验差比值C和小误差概率P均不超过计算精度检验等级(见表 3)允许的范围时，所建立的灰色模型精度才满足要求。

表 3 计算精度检验等级 Tab. 3 Calculation accuracy test level
模型精度等级 后验差比值C 小误差概率P
1级(好) C≤0.35 0.95≤P
2级(合格) 0.35＜C≤0.50 0.80≤P＜0.95
3级(勉强) 0.50＜C≤0.65 0.70＜P≤0.80
4级(不合格) 0.65＜C P＜0.70
表选项

4.3 建立灰色系统模型

根据灰色系统理论，在干湿循环环境下建立混凝土相对弹性模量预测模型，能够合理预测室内试验中混凝土的耐干湿循环次数，得到混凝土的耐久性年限。混凝土相对弹性模量的室内试验测量值和不同废水替代率下的累加值如表 4所示，干湿循环预测模型见表 5。

表 4 不同干湿循环次数下混凝土相对动弹性模量的实测值与累加值 Tab. 4 Measured and cumulative values of concrete relative dynamic elastic moldulus under different dry-wet cycles
干湿循环次数/次 C40-0 C40-25 C40-50 C40-75 C40-100
实测值/% 累加值/% 实测值/% 累加值/% 实测值/% 累加值/% 实测值/% 累加值/% 实测值/% 累加值/%
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 1.024 2 2.024 2 1.012 0 2.012 0 0.974 2 1.974 2 1.060 2.060 0 1.065 0 2.065 0
4 1.007 1 3.031 4 1.000 1 3.012 2 0.940 5 2.914 7 1.093 8 3.153 9 1.110 1 3.175 2
6 0.965 7 3.997 1 0.972 7 3.984 9 0.931 2 3.846 0 1.081 7 4.235 7 1.095 2 4.270 4
8 0.911 1 4.908 2 0.939 3 4.924 2 0.936 6 4.782 7 0.992 4 5.228 1 0.971 0 5.241 5
表选项

表 5 混凝土干湿循环预测模型 Tab. 5 Predictive model of concrete dry-wet cycle
配合比 预测模型
C40-0 -27.312e-0.039 4t+28.312
C40-25 -41.389e-0.025 2t+42.389
C40-50 -75.002e-0.013t+76.002
C40-75 -56.249e-0.019 4t+57.249
C40-100 -42.201e-0.026 8t+43.201
表选项

4.4 模型精度检验

根据式(7)~ (12)求出模型的后验差比值C和小误差概率P。本研究为所建立不同废水替代率下混凝土的相对动弹性模量预测模型的C值均小于0.6，P值均为1.0(见表 6)，满足此模型的预测精度要求，可用于预测室内试验下混凝土抗硫酸盐干湿循环次数。

表 6 模型精度参数 Tab. 6 Model accuracy parameters
参数 C40-00 C40-25 C40-50 C40-75 C40-100
C 0.35 0.35 0.26 0.31 0.30
P 1 1 1 1 1
表选项

4.5 模型结果分析

将t=1，2，3，4，…，n代入表 5中的预测模型，并通过式(4)将计算结果 还原为，得到GM (1, 1)模型的预测值，对应的残差和相对误差分别见表 7~9。可以看出GM (1, 1)预测结果相对误差均在10%以内，与室内试验结果接近，预测准确性较高，表明了所建立的预测模型对混凝土冻融次数的预测是可靠的。

表 7 C40-0和C40-25混凝土干湿循环条件下相对动弹性模量预测结果 Tab. 7 Relative dynamic elastic modulus prediction result for concrete C40-0 and C40-25 under dry-wet cycles
冻融循环次数/次 C40-0 C40-25
Xt0 Xt0 ∂t0 ηt0/% Xt0 Xt0 ∂t0 ηt0/%
0 1 1 0 0 1 1 0 0
2 1.024 2 1.034 3 -0.010 1 0.99 1.012 0 1.018 0 -0.005 9 0.59
4 1.007 1 1.017 6 -0.010 4 1.04 1.000 1 1.004 4 -0.004 3 0.43
6 0.965 7 0.941 5 0.024 2 2.51 0.972 0 0.957 2 0.015 5 1.60
8 0.911 1 0.885 4 0.025 6 2.82 0.939 3 0.919 9 0.019 4 2.07
表选项

表 8 C40-50和C40-75混凝土干湿循环条件下相对动弹性模量预测结果 Tab. 8 Relative dynamic elastic modulus prediction result for concrete C40-50 and C40-75 under dry-wet cycles
干湿循环次数/次 C40-50 C40-75
Xt0 Xt0 ∂t0 ηt0/% Xt0 Xt0 ∂t0 ηt0/%
0 1 1 0 0 1 1 0 0
2 0.974 2 0.964 1 0.010 1 1.03 1.060 0 1.088 7 -0.028 6 2.70
4 0.940 5 0.926 6 0.013 8 1.48 1.093 8 1.124 9 -0.031 1 2.85
6 0.931 2 0.907 3 0.023 9 2.57 1.081 7 1.076 8 0.004 8 0.45
8 0.936 6 0.919 2 0.017 4 1.86 0.992 4 1.012 7 -0.020 3 2.05
表选项

表 9 C40-100混凝土干湿循环条件下相对动弹性模量预测结果 Tab. 9 Relative dynamic elastic modulus prediction result for concrete C40-100 under dry-wet cycles
干湿循环次数/次 C40-100
Xt0 Xt0 ∂t0 ηt0/%
0 1 1 0 0
2 1.065 0 1.103 9 -0.038 8 3.64
4 1.110 1 1.136 1 -0.025 9 2.34
6 1.095 2 1.085 5 0.009 7 0.88
8 0.971 0 1.001 7 -0.030 6 3.15
表选项

4.6 基于预测模型的耐久年限分析

不同废水替代率下混凝土相对动弹性模量预测结果与混凝土耐久年限如表 10和表 11所示。与对照组C40-0相比，不同比例废水加入后，C40混凝土的耐久年限均得到了延长。C40-25，C40-50，C40-75，C40-100分别比对照组C40-0耐久年限提高了143.7%，231.3%，200%，156.5%，其中C40-50使C40混凝土使用寿命提高了2.3倍，可见废水的加入很好地加强了混凝土抵抗硫酸盐干湿循环的能力。

表 10 混凝土相对动弹性模量预测结果 Tab. 10 Relative dynamic modulus prediction result for concrete
干湿循环次数/次 C40-0 C40-25 C40-50 C40-75 C40-100
10 0.901 3 0.931 2 0.919 6 1.0 1.002 5
12 0.866 5 0.908 0 0.907 8 0.980 8 0.976 0
30 0.607 8 — — — —
32 0.584 3 — — — —
44 — 0.606 7 — — —
46 — 0.591 6 — — —
48 — — — — 0.602 5
50 — — — — 0.586 5
62 — — — 0.603 9 —
64 — — — 0.592 3 —
74 — — 0.606 7 — —
76 — — 0.598 8 — —
表选项

表 11 混凝土耐久年限 Tab. 11 Service life of concrete
编号 C40-0 C40-25 C40-50 C40-75 C40-100
干湿循环次数/次 32 46 74 64 50
耐久年限/月 16 23 37 32 25
表选项

5 硫酸盐干湿循环损伤模型分析

动弹性模量可以作为重要参考因素来衡量混凝土内部结构损伤状况。为了比较不同废水替代率混凝土在干湿循环不同阶段的损伤程度，以混凝土相对动弹性模量的变化为基准，建立了混凝土硫酸盐干湿循环损伤二次函数衰减模型，为硫酸盐干湿循环环境下混凝土的寿命预测提供参考。混凝土试件干湿循环后的损伤度D[24]可以表示为：

(13)

式中，Er为试件的相对动弹性模量；En为试件经过干湿循环n次后的动弹性模量；E0为试件未经过干湿循环时的动弹性模量。混凝土试件经过不同干湿循环次数后的损伤度D随循环次数的变化曲线和拟合关系式如图 9所示。二次函数衰减模型为：

(14)
图 9 损伤程度与干湿循环次数 Fig. 9 Damage degrees and dry-wet cycle times
图选项

式中，N为试件干湿循环的次数；a和b为试件干湿循环次数的系数；c为硫酸盐干湿循环损伤模型的常数。

如图 9所示，混凝土的损伤度和干湿循环次数不同废水替代率下的拟合方程相关系数R2大于0.94。因此，该模型可以较好地反映废水掺入混凝土后的损伤程度变化趋势。

7 结论

本研究选用5%浓度的硫酸镁溶液对不同废水替代率下的C40混凝土进行硫酸盐干湿循环试验，测试其抗压、抗折、相对动弹性模量、质量及吸水率等，阐释废水拌制混凝土的硫酸盐干湿循环作用机理。选用相对动弹性模量，采用灰色系统理论GM(1, 1)模型及二次型函数对其使用寿命进行预测，建立寿命预测模型，得到主要结论如下：

(1) 废水替代率为75%及100%时可以显著提高C40混凝土的力学性能和抗硫酸盐干湿循环性能；

(2) GM(1, 1)模型表明，废水的加入很好地增强了C40混凝土抗硫酸盐干湿循环的能力，其中废水替代率为50%时，耐久年限最长；

(3) 基于损伤力学理论，采用回归分析的方法提出了废水拌制混凝土硫酸盐干湿循环环境下的经验公式，为废水混凝土的长期力学性能提供参考。

参考文献
[1]
PEIGHAMBARZADEH F S, ASADOLLAHFARDI G, AKBARDOOST J. The Effects of Using Treated Wastewater on the Fracture Toughness of the Concrete[J]. Australian Journal of Civil Engineering, 2020, 18(1): 56-64.
[2]
BORGER J, CARRASQUILLO R L, FOWLER D W. Use of Recycled Wash Water and Returned Plastic Concrete in the Production of Fresh Concrete[J]. Advanced Cement Based Materials, 1994, 1(6): 267-274.
[3]
AUDO M, MAHIEUX P Y, TURCRY P, et al. Characterization of Ready-mixed Concrete Plants Sludge and Incorporation into Mortars: Origin of Pollutants, Environmental Characterization and Impacts on Mortars Characteristics[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 183: 153-161.
[4]
PESQUEIRA J F J R, PEREIRA M F R, SILVA A M T. Environmental Impact Assessment of Advanced Urban Wastewater Treatment Technologies for the Removal of Priority Substances and Contaminants of Emerging Concern: A Review[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 261: 121078.
[5]
VARSHNEY H, KHAN R A, KHAN I K. Sustainable Use of Different Wastewater in Concrete Construction: A Review[J]. Journal of Building Engineering, 2021, 41: 102411.
[6]
赵溦, 刘欢, 张东, 等. 生态敏感区公路施工期水污染处理与雨洪管理技术[J]. 公路交通科技, 2022, 39(增2): 319-326.
ZHAO Wei, LIU Huan, ZHANG Dong, et al. Technology of Water Pollution Treatment and Stormwater Management During Highway Construction in Ecological Sensitive Area[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2022, 39(S2): 319-326.
[7]
ZHANG P, WANG K X, LI Q F, et al. Fabrication and Engineering Properties of Concretes Based on Geopolymers/Alkali-activated Binders: A Review[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 258: 120896.
[8]
DE MATOS P R, PRUDÊNCIO JR L R, PILAR R, et al. Use of Recycled Water from Mixer Truck Wash in Concrete: Effect on the Hydration, Fresh and Hardened Properties[J]. Construction & Building Materials, 2020, 230: 116981.
[9]
SANDROLINI F, FRANZONI E. Waste Wash Water Recycling in Ready-mixed Concrete Plants[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(3): 485-489.
[10]
CHATVEERA B, LERTWATTANARUK P, MAKUL N. Effect of Sludge Water from Ready-mixed Concrete Plant on Properties and Durability of Concrete[J]. Cement & Concrete Composites, 2006, 28(5): 441-450.
[11]
冯忠居, 霍建维, 胡海波, 等. 高寒盐沼泽区干湿-冻融循环下桥梁桩基腐蚀损伤与承载特性[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(6): 135-147.
FENG Zhong-ju, HUO Jian-wei, HU Hai-bo, et al. Corrosion Damage and Bearing Characteristics of Bridge Pile Foundations Under Dry-wet-freeze-thaw Cycles in Alpine Salt Marsh Areas[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(6): 135-147.
[12]
甘磊, 吴健, 沈振中, 等. 硫酸盐和干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土劣化规律[J]. 土木工程学报, 2021, 54(11): 37-46.
GAN Lei, WU Jian, SHEN Zhen-zhong, et al. Deterioration Law of Basalt Fiber Reinforced Concrete Under Sulfate Attack and Dry-wet Cycle[J]. China Civil Engineering Journal, 2021, 54(11): 37-46.
[13]
甘磊, 冯先伟, 沈振中, 等. 硫酸盐溶液干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土强度演化模型[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2022, 52(4): 720-729.
GAN Lei, FENG Xian-wei, SHEN Zhen-zhong, et al. Strength Evolution Model of Basalt Fiber Reinforced Concrete Under Dry-wet Cycles of Sulfate Solutions[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2022, 52(4): 720-729.
[14]
刘超, 姚羿舟, 刘化威, 等. 硫酸盐干湿循环下再生复合微粉混凝土的劣化机理[J]. 建筑材料学报, 2022(11): 1128-1135.
LIU Chao, YAO Yi-zhou, LIU Hua-wei, et al. Deterioration Mechanism of Recycled Composite Powder Concrete Under Dry-wet Cycles of Sulfate[J]. Journal of Building Materials, 2022(11): 1128-1135.
[15]
李艺, 张爽. 干湿循环作用下混杂纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2016, 37(6): 895-898.
LI Yi, ZHANG Shuang. Resistance to Sulfate Attack of Hybrid Fiber Concrete Under Dry-wet Cycles[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2016, 37(6): 895-898.
[16]
刘鹏, 陈颖, 余志武, 等. 干湿交替硫酸盐环境中混凝土耐久性研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37(9): 2822-2824.
LIU Peng, CHEN Ying, YU Zhi-wu, et al. Research Progress on Durability of Concrete Attacked by Sulfate Under Wetting-drying Environment[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2018, 37(9): 2822-2824.
[17]
冯琦, 王宇斌. 粉煤灰再生混凝土在干湿循环-抗硫酸盐侵蚀耦合条件下的耐久性研究[J]. 混凝土, 2021(5): 42-45.
FENG Qi, WANG Yu-bin. Study on the Durability of Recycled Fly Ash Concrete Under the Coupling Condition of Dry Wet Cycle and Sulfate Resistance[J]. Concrete, 2021(5): 42-45.
[18]
乔宏霞, 周茗如, 何忠茂, 等. 硫酸盐环境中混凝土的性能研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2009, 17(1): 77-84.
QIAO Hong-xia, ZHOU Ming-ru, HE Zhong-mao, et al. Research on Performance of Concrete in Sulfate Environment[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2009, 17(1): 77-84.
[19]
覃源, 关科, 马颖彪, 等. 硫酸盐干湿循环下纤维混凝土的耐久性及寿命[J]. 水力发电学报, 2021, 40(9): 141-150.
QIN Yuan, GUAN Ke, MA Ying-biao, et al. Durability and Service Life of Fiber Concrete with Sulfate Admixtures Under Wet-dry Cycling[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2021, 40(9): 141-150.
[20]
董瑞鑫, 申向东, 薛慧君, 等. 干湿循环与风沙吹蚀作用下风积沙混凝土的抗硫酸盐耐久性[J]. 材料导报, 2020(20): 20053-20060.
DONG Rui-xin, SHEN Xiang-dong, XUE Hui-jun, et al. Sulfate Durability of Aeolian Sand Concrete Under Dry-wet Cycles and Sand Blowing[J]. Materials Report, 2020(20): 20053-20060.
[21]
董瑞鑫, 申向东, 薛慧君, 等. 干湿循环作用下风积沙混凝土的抗硫酸盐侵蚀机理[J]. 材料导报, 2020(24): 24040-24044.
DONG Rui-xin, SHEN Xiang-dong, XUE Hui-jun, et al. Sulfate Resistance Mechanism of Aeolian Sand Concrete Under Dry-wet Cycles[J]. Materials Reports, 2020(24): 24040-24044.
[22]
高润东, 赵顺波, 李庆斌, 等. 干湿循环作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理试验研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43(2): 48-54.
GAO Run-dong, ZHAO Shun-bo, LI Qing-bin, et al. Experimental Study of the Deterioration Mechanism of Concrete Under Sulfate Attack in Wet-dry Cycles[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(2): 48-54.
[23]
姚贤华, 冯忠居, 王富春, 等. 复合盐浸下多元外掺剂-混凝土抗干湿-冻融循环性能[J]. 复合材料学报, 2018, 35(3): 690-698.
YAO Xian-hua, FENG Zhong-ju, WANG Fu-chun, et al. Property of Multiple Admixture-concrete in Multi-salt Soaking Under Wetting-drying and Freezing Thawing Cycles[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2018, 35(3): 690-698.
[24]
张明亮, 亢景付, 杨荣伟. 干湿循环下硫酸盐对水泥基孔隙材料的侵蚀破坏综述[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(10): 3150-3161.
ZHANG Ming-liang, KANG Jing-fu, YANG Rong-wei. Review on the Sulfate Attack of Cement-based Porous Materials Under Drying-wetting Cycles[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(10): 3150-3161.
[25]
YAO X H, XU Z W, GUAN J F, et al. Influence of Wastewater Content on Mechanical Properties, Microstructure, and Durability of Concrete[J]. Buildings, 2022, 12(9): 1343.
[26]
冯忠居, 陈思晓, 徐浩, 等. 基于灰色系统理论的高寒盐沼泽区混凝土耐久性评估[J]. 交通运输工程学报, 2018, 18(6): 18-26.
FENG Zhong-ju, CHEN Si-xiao, XU Hao, et al. Durability Evaluation of Concrete in Alpine Salt Marsh Area Based on Gray System Theory[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2018, 18(6): 18-26.