模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置及方法与流程

本发明属于混凝土腐蚀实验装置技术领域，更具体地说，是涉及一种模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置及方法。

背景技术：

随着我国经济社会的快速发展和城镇化进程的不断加速，生活污水排放量正在逐年增加。在城市环境工程中，用来输送污水的管道多为钢筋混凝土结构，因处于埋地式的封闭或半封闭形态，且长期受酸碱、大气、冲刷、微生物等多种腐蚀作用，易造成结构的破坏。

目前世界各地的城市均面临大量地下污水管网老化和劣化的问题，管道内部混凝土表面污损、表层疏松、砂浆脱落、骨料外露，严重时产生开裂和钢筋锈蚀，这不仅影响城市的整体功能，而且还导致严重的经济损失。由于城市污水环境下混凝土材料耐久性影响因素的复杂性以及腐蚀因素的相互交替作用，其腐蚀机理相当复杂，且污水管内不同部位混凝土因所处环境不同其腐蚀机制也不尽相同。因此，开展污水环境下混凝土的耐久性研究迫在眉睫，但污水对混凝土的腐蚀是一个漫长的过程，为模拟混凝土整个服役周期的劣化过程，缩短试验时间，往往采用加速模拟腐蚀的试验方法。

基于污水对混凝土的腐蚀机制，目前的加速腐蚀研究方法主要有化学腐蚀、微生物腐蚀及强化污水腐蚀，但均未考虑实际污水管道的环境条件。污水管道主要有压力管(满流)和重力管(非满流)两种，对于前者混凝土管道始终处于污水充满的厌氧环境，腐蚀相对较轻；而对于应用广泛的后者，由于内部环境影响因素众多，使得其腐蚀机制更加错综复杂，必须分部位进行研究。

现有的污水管道模拟装置重在实现新鲜污水的不间断补充以及污水的适时排出，以便能够模拟不同水深状态下污水管道内气体和水质的变化，并未将混凝土试件安放其中进行长期的腐蚀监测。国内关于污水环境下混凝土的腐蚀研究多是将混凝土试件浸没在污水中进行试验，该方法不能综合模拟非满流污水管道的顶部(气相)、水位区(气液界面)以及底部(液相)混凝土的腐蚀。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置及方法，以解决现有技术中存在的不能综合模拟非满流污水管道的顶部、水位区以及底部混凝土腐蚀的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置，包括实验箱、与所述实验箱相连通的硫化氢产生器以及污水储备箱，所述实验箱与所述污水储备箱之间设置有用于向所述实验箱内输送污水的抽水泵，所述实验箱包括箱体和设置于所述箱体内的第一夹具、第二夹具和第三夹具，所述第一夹具、所述第二夹具和所述第三夹具的高度依次降低。

进一步地，所述箱体内设置有用于控制箱体内温度的加热器、用于控制箱体内湿度的喷淋器和用于监测箱体内温湿度的探头。

进一步地，所述硫化氢产生器包括用于盛放稀盐酸溶液的第一烧杯、用于盛放硫化钠溶液的第二烧杯和分别与所述第一烧杯和所述第二烧杯相连通的锥形瓶，所述第一烧杯通过第一蠕动泵与所述锥形瓶相连通，所述第二烧杯通过第二蠕动泵与所述锥形瓶相连通，所述锥形瓶通过抽气泵与所述箱体相连通。

进一步地，所述箱体内设置有用于将通入的硫化氢气体、加热后的热空气以及喷出的水雾吹散的风扇。

进一步地，所述箱体上设置有用于测定箱体内硫化氢气体浓度的气体检测仪。

进一步地，所述箱体内设置有用于固定所述加热器、所述喷淋器和所述探头的支架。

进一步地，所述污水储备箱、所述抽水泵和所述箱体通过耐腐蚀管相连通。

进一步地，所述抽水泵与所述箱体之间设置有用于控制污水流速的阀门。

进一步地，所述箱体的材质为透明有机玻璃。

本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置有益效果在于：与现有技术相比，本发明设计合理，通过将硫化氢产生器和污水储备箱分别与箱体相连通，并用第一夹具、第二夹具和第三夹具分别将混凝土试件固定于箱体内的不同高度，来同时模拟污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀，从而实现不同环境条件下污水管道不同部位混凝土的加速腐蚀模拟研究；操作简单，使用方便，应用和推广前景良好。

本发明还提供一种模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验方法，包括如下步骤：

根据设计要求配制不同强度等级的混凝土，制作成边长40mm的立方体混凝土试件，拆模后置于温度20±2℃、相对湿度大于等于95％的环境中，标准养护28天，然后开始进行加速腐蚀实验，所述混凝土试件仅留一面进行腐蚀，其余五面均进行石蜡密封处理；

采用所述第一夹具、所述第二夹具和所述第三夹具分别将三组所述混凝土试件置于所述箱体内，模拟非满流污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀，将所述第一夹具夹持的所述混凝土试件的腐蚀面朝下设置并高于污水上表面，将所述第二夹具夹持的所述混凝土试件的腐蚀面与污水流动的方向相向设置，将所述第三夹具夹持的所述混凝土试件的腐蚀面朝上设置并被污水浸没；

定期将所述第一夹具夹持的所述混凝土试件取下并放入污水中浸泡一段时间；

在所述污水储备箱中添加人工配制的不同浓度的强化污水；

控制污水的浓度和流速以及箱体内的温度、相对湿度和硫化氢气体浓度形成不同的腐蚀环境条件；

定期将三组所述混凝土试件从所述箱体内取出，并分别进行表面ph、腐蚀深度、质量损失以及抗压强度的测试分析，对不同污水环境下混凝土的劣化过程进行对比监测研究。

本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验方法有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过配制混凝土试件来代替污水管道内部的混凝土，并采用将混凝土试件分别在污水上方悬挂、气液界面放置和污水中浸泡的方法来同时模拟污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀；通过观测探头和气体检测仪的数值，便于对实验过程进行环境条件测定；根据测定结果人工调节气相中硫化氢的浓度、温湿度以及液相中污水的浓度和流速，实现不同环境条件下污水管道不同部位混凝土的加速腐蚀模拟研究，大大缩短了实验周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的结构示意图；

图2为图1中实验箱的内部结构示意图；

图3为图1中硫化氢产生器的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-污水储备箱；2-硫化氢产生器；21-第一烧杯；22-第二烧杯；23-锥形瓶；3-抽水泵；4-箱体；5-混凝土试件；6-第一夹具；7-第二夹具；8-第三夹具；9-加热器；10-喷淋器；11-探头；12-电源；13-第一蠕动泵；14-第二蠕动泵；15-抽气泵；16-导管；17-气体检测仪；18-风扇；19-支架；20-耐腐蚀管；24-阀门；25-加热棒；26-流量计；27-石蜡；28-翻口塞；29-软孔塞。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要理解的是，术语“高度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置进行说明。所述模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置，包括实验箱、与所述实验箱相连通的硫化氢产生器2以及污水储备箱1，所述实验箱与所述污水储备箱1之间设置有用于向所述实验箱内输送污水的抽水泵3，所述实验箱包括箱体4和设置于所述箱体4内的第一夹具6、第二夹具7和第三夹具8，所述第一夹具6、所述第二夹具7和所述第三夹具8的高度依次降低。

本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置，与现有技术相比，其设计合理，操作简单，将硫化氢产生器和污水储备箱分别与箱体相连通，用于模拟不同环境条件下的污水管道；利用第一夹具、第二夹具和第三夹具分别将混凝土试件固定于箱体内的不同高度，来同时模拟污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀，从而实现污水管道不同部位混凝土的加速腐蚀模拟研究，适于应用和推广。

这里需要进一步说明的是，所述箱体4为由有机玻璃板组装的长方体密闭箱体；为更好地模拟污水管道内部混凝土的腐蚀，所述混凝土试件5仅留一面进行腐蚀，其余的五面进行石蜡27密封处理；所述第一夹具6、所述第二夹具7和所述第三夹具8均为现有技术中能够实现夹持固定作用的不锈钢夹具。所述第一夹具6固定在所述箱体4的顶部，所述第二夹具7和所述第三夹具8均固定在所述箱体4的底部；所述第二夹具7的高度高于所述第三夹具8的高度，并且所述第一夹具6固定的所述混凝土试件5的底部高于污水上表面；所述第二夹具7固定的所述混凝土试件5的顶部高于污水上表面且底部低于污水上表面，即所述混凝土试件5非蜡封面的一半没入污水中、另一半裸露在空气中；所述第三夹具8固定的所述混凝土试件5的顶部低于污水上表面，分别用于模拟非满流污水管道的顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀情况。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述箱体4内设置有用于控制箱体内温度的加热器9、用于控制箱体内湿度的喷淋器10和用于监测箱体内温湿度的探头11。优选的，所述探头11外接有显示器；所述加热器9、所述喷淋器10和所述探头11分别为现有技术中能够控制箱体内温度、湿度以及用于监测箱体内温湿度的设备；且其外接线均通过开孔连接到箱外的电源12上，便于在箱外控制。

进一步地，请参阅图3，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述硫化氢产生器2包括用于盛放稀盐酸溶液的第一烧杯21、用于盛放硫化钠溶液的第二烧杯22和分别与所述第一烧杯21和所述第二烧杯22相连通的锥形瓶23，所述第一烧杯21通过第一蠕动泵13与所述锥形瓶23相连通，所述第二烧杯22通过第二蠕动泵14与所述锥形瓶23相连通，所述锥形瓶23通过抽气泵15与所述箱体4相连通。具体的，上述构件均通过导管16相连通；所述第一蠕动泵13将所述第一烧杯21中盛放的稀盐酸溶液、所述第二蠕动泵14将所述第二烧杯22中盛放的硫化钠溶液分别输送到所述锥形瓶23中，混合反应后得到硫化氢气体，所述锥形瓶23由软孔塞29塞住，作密封保护；所述锥形瓶23中的硫化氢气体会被所述抽气泵15抽到所述箱体4内，经气体检测仪17检测达到设定的浓度范围，即停止抽取。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述箱体4内设置有用于将通入的硫化氢气体、加热后的热空气以及喷出的水雾吹散的风扇18。优选的，所述风扇18的数量为两个，分别设置于所述箱体4的两侧内壁。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述箱体4上设置有用于测定箱体内硫化氢气体浓度的气体检测仪17。优选的，所述气体检测仪17通过翻口塞28与所述箱体4相连通，用于硫化氢气体的检测和排放。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述箱体4内设置有用于固定所述加热器9、所述喷淋器10和所述探头11的支架19。优选的，所述支架19为不锈钢支架，由多根不锈钢管焊接而成。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述污水储备箱1、所述抽水泵3和所述箱体4通过耐腐蚀管20相连通，形成一个流动循环。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述抽水泵3与所述箱体4之间设置有用于控制污水流速的阀门24。优选的，所述抽水泵3与所述箱体4之间设置有用于检测污水流速的流量计26。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验装置的一种具体实施方式，所述箱体4的材质为透明有机玻璃。方便观察所述混凝土试件5的腐蚀形貌及污水流态。

请一并参阅图1至图3，本发明还提供一种模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验方法，包括如下步骤：

根据设计要求配制不同强度等级的混凝土，制作成边长40mm的立方体混凝土试件5，拆模后置于温度20±2℃、相对湿度大于等于95％的环境中，标准养护28天，然后开始进行加速腐蚀实验，所述混凝土试件5仅留一面进行腐蚀，其余五面进行石蜡27密封处理；

采用所述第一夹具6、所述第二夹具7和所述第三夹具8分别将三组所述混凝土试件5置于所述箱体4内，模拟非满流污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀，将所述第一夹具6夹持的所述混凝土试件5的腐蚀面朝下设置并高于污水上表面，将所述第二夹具7夹持的所述混凝土试件5的腐蚀面与污水流动的方向相向设置，将所述第三夹具8夹持的所述混凝土试件5的腐蚀面朝上设置并被污水浸没；

定期将所述第一夹具6夹持的所述混凝土试件5取下并放入污水中浸泡一段时间，以模拟真实污水管道不定时的满流运行情况；

在所述污水储备箱1中添加人工配制的不同浓度的强化污水；

控制污水的浓度和流速以及箱体内的温度、相对湿度和硫化氢气体浓度形成不同的腐蚀环境条件；具体地，通过添加不同浓度的强化污水，来控制所述箱体4中污水的浓度以加速腐蚀；通过控制所述阀门24的开启大小来控制污水的流速；通过观测所述探头11和所述气体检测仪17的数值，来控制所述加热器9、所述喷淋器10和所述硫化氢产生器2的开关，并根据所述箱体4内的温度、相对湿度和硫化氢气体的浓度来设定不同的腐蚀环境条件；

定期将三组所述混凝土试件5从所述箱体4内取出，并分别进行表面ph、腐蚀深度、质量损失以及抗压强度的测试分析，对不同污水环境下混凝土的劣化过程进行对比监测研究。

本发明提供的模拟非满流污水管道混凝土腐蚀的实验方法，与现有技术相比，根据混凝土排水管制品要求制备混凝土试件，将混凝土试件分别在污水上方悬挂、气液界面放置和污水中浸泡，用于模拟污水管道顶部、水位区及底部混凝土的腐蚀；观测探头和气体检测仪的数值，对实验过程能够方便的进行环境条件测定；根据测定结果调节箱体内硫化氢的浓度、温湿度以及污水的浓度和流速，从而实现不同环境条件下混凝土的加速腐蚀模拟，缩短实验周期。

具体的，所述混凝土试件5的强度等级为c30，所述箱体4内设置有用于控制污水温度的加热棒25；所述强化污水是通过在清水中添加一定比例的各种营养物质配制营养液，然后利用接种培驯法对微生物进行培养和驯化。接种污泥取自石家庄市桥西污水厂二沉的污泥池，可根据需要配制出不同cod(化学需氧量)浓度的强化污水。为维持污水浓度的稳定，需定期添加营养物质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。