我國(guó)建筑材料與構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)現(xiàn)狀與展望

劉婷婷 蔣 荃 劉玉軍

（1中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）（2建材行業(yè)建筑構(gòu)件及材料環(huán)境條件與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，北京 100024）

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)建材產(chǎn)品，尤其是新型建材產(chǎn)品發(fā)展迅猛。從材料分類看，幾乎涉及到從無(wú)機(jī)非金屬材料到金屬材料、高分子材料及各種復(fù)合材料的所有領(lǐng)域。但是，我們也看到，在使用環(huán)境作用下，性能下降、狀態(tài)改變，不僅影響材料外觀，還直接影響構(gòu)件和建筑物的使用壽命。材料及構(gòu)件是建筑品質(zhì)的重要載體。由于材料的腐蝕與老化造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，環(huán)境試驗(yàn)日益受到重視。環(huán)境試驗(yàn)是建筑環(huán)境工程的重要組成部分，是提高其環(huán)境適應(yīng)性的重要手段。眾多建筑物環(huán)境失效案例的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)說(shuō)明了開(kāi)展環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)研究的重要性。由此可見(jiàn)，及時(shí)、系統(tǒng)和充分開(kāi)展建筑材料的環(huán)境試驗(yàn)研究是提高建筑材料耐久性與使用壽命的必由之路。

2 我國(guó)建筑材料與構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)現(xiàn)狀

我國(guó)的建材行業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度很快。伴隨著金屬材料、有機(jī)材料、復(fù)合材料應(yīng)用于建材行業(yè)，使用環(huán)境對(duì)材料的腐蝕及其使用壽命的評(píng)估和相關(guān)的測(cè)試方法方面的研究開(kāi)展的相對(duì)滯后。檢測(cè)技術(shù)及評(píng)估系統(tǒng)還處于起步階段，要么采用國(guó)外的數(shù)據(jù)，要么采用傳統(tǒng)建材的檢測(cè)技術(shù)和指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。檢測(cè)結(jié)果缺乏科學(xué)性和公正性，制約了新材料的發(fā)展。甚至出現(xiàn)企業(yè)在未對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行耐環(huán)境腐蝕性及使用壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)就提供虛假使用壽命保證書(shū)，出了問(wèn)題又相互推卸責(zé)任的局面。而檢測(cè)單位和質(zhì)檢單位由于沒(méi)有系統(tǒng)的檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)體系無(wú)法進(jìn)行仲裁。這導(dǎo)致市場(chǎng)的混亂的同時(shí)，也給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全帶來(lái)了巨大的損失。目前在許多工程項(xiàng)目上建筑設(shè)計(jì)師和用戶傾向于選購(gòu)進(jìn)口材料。這給一些研發(fā)、生產(chǎn)高質(zhì)量新型建材的國(guó)內(nèi)企業(yè)和我國(guó)新型建材的發(fā)展帶來(lái)負(fù)面影響。

2.1 自然環(huán)境試驗(yàn)現(xiàn)狀

我國(guó)材料自然環(huán)境（大氣、海水、土壤）腐蝕試驗(yàn)開(kāi)始于本世紀(jì)50年代中期，1955年開(kāi)始建立大氣腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)，后來(lái)又建立了海水與土壤腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)。60年代中期至70年代末試驗(yàn)一度中斷，1980年在國(guó)家科委組織和有關(guān)部門(mén)的共同支持下，全國(guó)大氣、海水、土壤的腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)全面恢復(fù)建設(shè)，開(kāi)始了我國(guó)常用材料自然環(huán)境中長(zhǎng)期、系統(tǒng)的腐蝕試驗(yàn)研究。

“六五”期間在全國(guó)腐蝕站網(wǎng)，投入的腐蝕試驗(yàn)材料主要以黑色金屬、有色金屬、金屬涂鍍/保護(hù)層和高分子材料為主，建筑材料較少。2002、2003年科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)組織腐蝕試驗(yàn)材料補(bǔ)投試樣后，建筑材料腐蝕投樣力度同其他材料相比依然較小。

國(guó)內(nèi)從事自然環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)工作的有：廣州電器科學(xué)研究院（汽車、電器行業(yè)）；國(guó)家建筑材料測(cè)試中心（海南）（吐魯番）環(huán)境氣候試驗(yàn)站（建材行業(yè)），中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所（軍工產(chǎn)品）和國(guó)家材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)站（28個(gè)材料環(huán)境腐蝕站和綜合研究中心 ）（金屬及高分子材料），目前我國(guó)建筑材料及構(gòu)件的自然環(huán)境實(shí)驗(yàn)工作還處于起步階段。

2.2 實(shí)驗(yàn)室人工加速環(huán)境條件試驗(yàn)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室人工加速環(huán)境條件試驗(yàn)局限于簡(jiǎn)單的鹽霧、濕熱、人工加速氙燈、紫外老化試驗(yàn)等，形式單一，沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)化和規(guī)范化；而且僅限于小的材料部件，對(duì)于大型的建筑材料及構(gòu)件還未開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，大型材料及構(gòu)件的老化性能（即壽命）愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注，例如：風(fēng)電產(chǎn)品、光伏產(chǎn)品等，人們所關(guān)注的已經(jīng)不再是其組件的壽命，更多關(guān)注的是其整體產(chǎn)品性能的壽命，并期望能通過(guò)合適實(shí)驗(yàn)室人工加速環(huán)境條件試驗(yàn)結(jié)合戶外環(huán)境測(cè)試對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，為產(chǎn)品質(zhì)保及性能提供長(zhǎng)期的支持。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)體系研究現(xiàn)狀

我國(guó)建筑材料行業(yè)建筑材料及構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，建筑材料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)基本都采用實(shí)驗(yàn)室人工加速耐候試驗(yàn)方法，近幾年才有少量標(biāo)準(zhǔn)提到自然耐候性，如GB/T 23443-2009標(biāo)準(zhǔn)中做了一個(gè)說(shuō)明：中國(guó)大氣腐蝕試驗(yàn)站中，大氣條件與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地點(diǎn)佛羅里達(dá)比較接近的是海南省瓊海大氣腐蝕試驗(yàn)站。最近由國(guó)家工業(yè)和信息化部剛剛批準(zhǔn)成立了建材行業(yè)建筑材料及構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，其工作剛剛開(kāi)展，有待加速和加強(qiáng)。

3 國(guó)外建筑材料與構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)現(xiàn)狀

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視材料老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)建設(shè)工作，起步早、規(guī)模大，并且建立了較為完善的材料環(huán)境條件和環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化體系。

歐美從事環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)工作的有：美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）、美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)（AAMA）、美國(guó)腐蝕學(xué)會(huì)、歐洲鋁型材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證組織Qualicoat、美國(guó)Atlas氣候服務(wù)集團(tuán)、美國(guó)Q-lab公司、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）等。

亞洲從事環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)工作的有：韓國(guó)建材試驗(yàn)研究院、日本豐田通商株式會(huì)社等。

以美國(guó)為例，早在上世紀(jì)初，美國(guó)就通過(guò)材料在本土自然環(huán)境中的長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)（大氣25～35年、海水20～25年、土壤40～45年）和系統(tǒng)的研究，積累了大量的環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)，美國(guó)ATLAS公司的兩大曝曬場(chǎng)占地幾十萬(wàn)平方米，規(guī)模最大，試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試技術(shù)先進(jìn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范齊全，并且配備室內(nèi)模擬各種自然環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)裝置。另外，美國(guó)軍方也建有規(guī)模很大的環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)。經(jīng)過(guò)多年大量的環(huán)境試驗(yàn)研究，制定了大量的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，形成了環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，做到了自然環(huán)境試驗(yàn)的曝曬框架。試驗(yàn)按ASTM、SAE等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行操作，如AAMA 2603～AAMA 2605標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定在美國(guó)佛羅里達(dá)進(jìn)行自然暴曬試驗(yàn)。弗羅里達(dá)環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)各類環(huán)境涉及的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)850多個(gè)，通過(guò)有效的環(huán)境試驗(yàn)可評(píng)價(jià)材料的環(huán)境適應(yīng)性。由于有科學(xué)、系統(tǒng)的運(yùn)作及各類標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和運(yùn)行，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果具有權(quán)威性，同時(shí)在該領(lǐng)域，培養(yǎng)了大量的專業(yè)人才，并且為工程防腐設(shè)計(jì)、發(fā)展各種耐蝕材料、延長(zhǎng)設(shè)備和工程使用壽命，為制定材料防護(hù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)，保證安全生產(chǎn)，減少腐蝕經(jīng)濟(jì)損失。在美國(guó)，大公司及服務(wù)商的新材料、新工藝均需有自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)，才能在企業(yè)間推廣應(yīng)用。

同時(shí)國(guó)外早已開(kāi)始對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)綜合研究。例如：國(guó)外某公司建立了一套大型構(gòu)件耐久性綜合測(cè)試系統(tǒng)：可對(duì)大型建筑構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試：紫外預(yù)處理測(cè)試——鹽霧腐蝕測(cè)試——冷凝和濕度測(cè)試——光照/高溫/高濕循環(huán)測(cè)試——光照/高溫/濕度/冷凍循環(huán)測(cè)試——日照跟蹤測(cè)試（1年），這套系統(tǒng)模擬組件長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中的影響，對(duì)組件施以各種環(huán)境應(yīng)力，模擬溫/濕度、凍融、光照、腐蝕及冷凝環(huán)境的影響、模擬長(zhǎng)期或短期季節(jié)變化所帶來(lái)的影響、真實(shí)模擬最終使用條件下的氣候老化效應(yīng)以及以長(zhǎng)期耐久性和可靠性評(píng)估補(bǔ)充短期測(cè)試的不足，為產(chǎn)品質(zhì)保及性能提供長(zhǎng)期的支持，降低因產(chǎn)品售后質(zhì)保而產(chǎn)生成本的浪費(fèi)。

目前國(guó)外建筑材料環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)工作有三個(gè)趨勢(shì)：

1、試驗(yàn)環(huán)境全球化（ATLAS公司除了在美國(guó)本土有6個(gè)大氣暴曬場(chǎng)以外，在全球其它8個(gè)國(guó)家還設(shè)立了11個(gè)特殊環(huán)境的暴曬場(chǎng)）；

2、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化（為了提高材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，以及環(huán)境腐蝕性的可比性，以積累材料腐蝕數(shù)據(jù)為主要目的試驗(yàn)研究工作從暴露方法到檢測(cè)手段都采用統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。）；

3、試驗(yàn)服務(wù)市場(chǎng)化（世界各國(guó)的環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)中心服務(wù)于社會(huì)，也得益于社會(huì)）。

4 我國(guó)開(kāi)展建筑材料及構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)工作的任務(wù)與展望

4.1 對(duì)我國(guó)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)分類并定級(jí)

我國(guó)地域遼闊，氣候多樣，不同地區(qū)對(duì)建筑材料及構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性要求是各不相同的，將我國(guó)環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)分類分級(jí)不可或缺。自然環(huán)境條件是指由地理或氣候因素形成的環(huán)境參數(shù)值的組合，應(yīng)根據(jù)其對(duì)產(chǎn)品影響特點(diǎn)確定其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值或劃分氣候分區(qū)，供設(shè)計(jì)者選擇應(yīng)用環(huán)境條件等級(jí)時(shí)參考。例如：電工電子行業(yè)將環(huán)境因素按溫度和濕度、降雨和風(fēng)、壓力、太陽(yáng)輻射和溫度、鹽霧、風(fēng)、地震引起的振動(dòng)和沖擊、生物條件（霉菌、白蟻……）、化學(xué)活性物質(zhì)（海鹽、路鹽、二氧化硫、硫化氫、氮氧化物、臭氧……）、機(jī)械活性物質(zhì)（沙、塵……）、污染性液體（發(fā)動(dòng)機(jī)油、齒輪箱油……）、電和電磁干擾、機(jī)械條件等種類組合分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定值和分區(qū)[1]。（部分分類示例見(jiàn)表1和表2）建材行業(yè)可參考以上分類方式，結(jié)合自己的特點(diǎn)建立針對(duì)建材行業(yè)產(chǎn)品環(huán)境條件分類體系。

表2 我國(guó)生物環(huán)境條件分區(qū)[3]

4.2 環(huán)境試驗(yàn)方法的研究及環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立

環(huán)境試驗(yàn)方法包括自然環(huán)境暴露試驗(yàn)、人工模擬試驗(yàn)方法，即將建筑材料及構(gòu)件暴露到自然或人工模擬的相應(yīng)使用地區(qū)氣候特征的環(huán)境條件中，從而對(duì)他們實(shí)際使用中可能遇到的條件下的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以此為目的，首先應(yīng)建立分別對(duì)應(yīng)我國(guó)不同環(huán)境級(jí)別的建材行業(yè)建筑材料、構(gòu)件典型自然環(huán)境暴露試驗(yàn)站網(wǎng)、建材行業(yè)建筑材料及構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)人工加速實(shí)驗(yàn)室，目前我國(guó)現(xiàn)有環(huán)境腐蝕網(wǎng)站共有13個(gè)大氣環(huán)境試驗(yàn)站、8個(gè)土壤環(huán)境試驗(yàn)站、4個(gè)海水和3個(gè)淡水環(huán)境試驗(yàn)站，但在建材領(lǐng)域還未完全開(kāi)展工作，應(yīng)在此基礎(chǔ)上根據(jù)我國(guó)環(huán)境條件分級(jí)建立綜合、系統(tǒng)，覆蓋全部環(huán)境條件的試驗(yàn)站網(wǎng)，為我國(guó)建材行業(yè)環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)工作的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展材料環(huán)境試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)研究、材料環(huán)境腐蝕行為規(guī)律研究、腐蝕失效機(jī)理研究、模擬加速試驗(yàn)相關(guān)性研究，深入進(jìn)行各類建筑材料在不同自然環(huán)境中腐蝕規(guī)律的研究，自然環(huán)境中主要因素對(duì)建筑材料腐蝕的影響與作用機(jī)理的研究，實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)與長(zhǎng)期自然暴露試驗(yàn)相關(guān)關(guān)系的研究，以及建筑材料——自然環(huán)境腐蝕系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法和現(xiàn)場(chǎng)快速綜合測(cè)試方法的研究，以通過(guò)自然環(huán)境腐蝕性的評(píng)價(jià)和從短期的加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)建筑材料在自然環(huán)境中長(zhǎng)期的腐蝕行為和使用壽命。

環(huán)境試驗(yàn)方法另外一個(gè)重要的發(fā)展方向即是開(kāi)展對(duì)大型建筑材料及構(gòu)件的自然環(huán)境及人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法的研究及配套試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)工作。與此同時(shí)，應(yīng)該在上述研究基礎(chǔ)上，建立與國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)管理體系接軌的，較為系統(tǒng)、完善的，符合我國(guó)實(shí)際情況的建筑材料環(huán)境條件和環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，為自然環(huán)境下建筑材料的合理選擇、腐蝕控制和壽命延長(zhǎng)提供里理論依據(jù)和技術(shù)支持。

建筑材料及構(gòu)件環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)研究是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作，需要一代人甚至幾代人堅(jiān)持不懈的努力，這將會(huì)為提高建筑材料、構(gòu)件及整個(gè)建筑的壽命奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件分類 第1部分：環(huán)境參數(shù)及其嚴(yán)酷程度.GB/T 4796-2008.2008-10-01

[2]電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 溫度和濕度.GB/T 4797.1-2005.2005.8.1.

[3]電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 生物.GB/T 4797.3-2005.1987-10-01.