海洋環(huán)境下混凝土耐久性室內(nèi)加速試驗(yàn)研究方法

馬張銘　葉成　魯孟昊　曹明莉

摘 要：為縮短海洋環(huán)境下水泥混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)周期，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可靠性，通常采用室內(nèi)加速試驗(yàn)方法進(jìn)行該試驗(yàn)研究。文章較系統(tǒng)地評(píng)述了室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)方法的特點(diǎn)、具體分類、以及當(dāng)前學(xué)界及業(yè)界開展室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)的情況，為進(jìn)行耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；耐久性；室內(nèi)試驗(yàn)；加速模擬

一直以來，海水或沿海大氣等海洋環(huán)境對(duì)海工建筑物、構(gòu)筑物的侵蝕，引發(fā)了海洋混凝土工程存在耐久性問題的廣泛研究，

目前，海洋中各區(qū)域環(huán)境的侵蝕機(jī)理研究基本已趨于成熟，并普遍認(rèn)為，海洋環(huán)境下氯離子侵入導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的主要原因。國內(nèi)外提出的各種理論模型與假說，為建立模擬實(shí)驗(yàn)體系提供了理論依據(jù)。而室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)，由于具有試驗(yàn)時(shí)間短、條件可嚴(yán)格控制、結(jié)果可靠性較高，可避開次要因素、關(guān)注主要因素等優(yōu)點(diǎn)，能夠縮短混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)周期，增強(qiáng)可重復(fù)性，因而得以充分應(yīng)用和發(fā)展。

1 室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)與實(shí)際環(huán)境的相似性

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：既使模擬環(huán)境與自然環(huán)境具有相關(guān)性；又能夠達(dá)到加速侵蝕的效果。

建立室內(nèi)模擬環(huán)境與自然環(huán)境的相似關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。金偉良等人提出了多環(huán)境時(shí)間相似理論。它以環(huán)境相似性為試驗(yàn)基礎(chǔ)，時(shí)間相似性為試驗(yàn)結(jié)果，可建立有效的室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)之間時(shí)間相似關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)實(shí)際工程壽命。針對(duì)凍融實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相似性，劉西拉等結(jié)合實(shí)測(cè)資料從疲勞損傷機(jī)制出發(fā)，建立了等效室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)公式，提出了預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)混凝土凍融耐久性使用年限的方法，進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證并得到了較好的結(jié)果。

2 室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)分類

室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)可以分為兩類。一類是普通加速試驗(yàn)，直接依照規(guī)范或通行做法模擬海洋環(huán)境即可；另一類是為實(shí)際工程服務(wù)的、特定海域下混凝土耐久性問題的研究，需要調(diào)查該海域的自然地理?xiàng)l件，把握主要環(huán)境影響因素，建立可靠的相似性關(guān)系。

具體而言，室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)可按照海洋腐蝕環(huán)境區(qū)域劃分為以下幾種類型。

2.1 海洋水下區(qū)（全浸區(qū)）

海洋全浸區(qū)的加速實(shí)驗(yàn)，主要通過配置高濃度人工海水來實(shí)現(xiàn)。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials）編制了人造海水成分的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)—ASTMD1141，提出了模擬海水的主要離子種類（Cl-、SO42-、Mg2+）及其濃度，也有學(xué)者根據(jù)各自的研究內(nèi)容和需求設(shè)計(jì)人造海水成分。吳慶令等為模擬海洋水下環(huán)境和加速侵蝕速度，將試件長期浸泡于5倍濃度的人工海水中（表1），并每隔30d置換一次海水。郭范波等模擬海洋全浸環(huán)境時(shí)所配置的5倍濃度海水成分略有不同（表1）。

2.2 浪濺區(qū)、潮差區(qū)

浪濺區(qū)、潮差區(qū)的模擬常采用周期性浸泡干濕循環(huán)和周期性噴淋干濕循環(huán)。前者是將試件浸泡在置有模擬海水的試驗(yàn)箱中，利用水泵注水、放水，空水階段可借助鼓風(fēng)機(jī)將試件烘干，循環(huán)過程可由計(jì)算機(jī)控制。后者是將試件置于試驗(yàn)箱中，定期用海水噴淋。為加速腐蝕進(jìn)程，常提高侵蝕溶液溫度及濃度、調(diào)整循環(huán)機(jī)制或?qū)嵭懈邷亟嫜h(huán)。

對(duì)于干濕循環(huán)機(jī)制各環(huán)節(jié)中氯離子含量、溫度、相對(duì)濕度，干燥與浸泡時(shí)間、循環(huán)周期等參數(shù)的設(shè)置，目前均未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，各學(xué)者的做法不盡相同。郭范波將試件每浸泡12h后取出靜置12h。張玉敏采用加速腐蝕-浸烘循環(huán)，將試件分別浸泡在鹽溶液和自來水中8h，再用80℃烘箱烘16h為一個(gè)循環(huán)。反復(fù)進(jìn)行，每10循環(huán)測(cè)定試件的力學(xué)性質(zhì)和重量損失。

2.3 海洋大氣區(qū)

目前，海洋大氣區(qū)對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理已較成熟。該區(qū)域中結(jié)構(gòu)受鹽霧腐蝕（主要是氯離子擴(kuò)散）和碳化的共同作用。至于加速實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中的參數(shù)設(shè)定，目前尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。吳慶令等制備5倍濃度的人工海水，每隔12h往混凝土表面噴鹽霧一次，一天兩次。每次噴灑鹽霧量約為0.5L，將整個(gè)混凝土表面均勻噴濕，經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中鹽霧量約為實(shí)際海洋鹽霧量的1.7倍。齊廣政通過對(duì)碳化后混凝土進(jìn)行鹽霧腐蝕，研究二者共同作用下的耐久性劣化機(jī)制。保持鹽霧箱恒溫恒濕，鹽溶液濃度為5%。試驗(yàn)分為三個(gè)周期（每個(gè)周期一個(gè)月）。采用間歇噴霧來加速腐蝕，噴霧12h，間歇12h，并設(shè)法計(jì)算、控制鹽霧沉積量穩(wěn)定。

2.4 凍融循環(huán)區(qū)

混凝土抗凍性檢測(cè)方法分為快凍法和慢凍法。美、日等國采用快凍法，俄羅斯等采用慢凍法，在我國二者并存。我國水工、建工、港工、公路等部門都制定了混凝土抗凍性的試驗(yàn)方法規(guī)范。慢凍法周期長、工作量大、誤差大，正逐步被取消。

張德思按照ASTM-C666程序A方法在全自動(dòng)抗凍試驗(yàn)儀中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，以相對(duì)彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳迅捷參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006），配制2.5wt.%氯化鈉和0.5wt.%硫酸鈉的鹽溶液，研究二者共同作用對(duì)混凝土抗凍性的影響。

2.5 特定海域模擬（實(shí)際工程）

針對(duì)為實(shí)際工程服務(wù)的特定海域環(huán)境模擬，需要從理論研究出發(fā)，結(jié)合實(shí)際情況來確定溫度、濕度、干濕時(shí)間比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。劉奇東，劉榮桂以連云港市某港口為研究對(duì)象，針對(duì)海洋干濕交替區(qū)的人工氣候模擬加速試驗(yàn)，做了合理、有效的設(shè)計(jì)。首先從氯鹽的侵蝕是海工混凝土結(jié)構(gòu)破壞最主要的因素這一基本理論出發(fā)，建立了混凝土孔隙液中氯離子擴(kuò)散對(duì)流方程和干濕交替環(huán)境下混凝土中氯離子傳輸速度模型。進(jìn)而得出結(jié)論：氯離子在混凝土中的輸運(yùn)取決于侵蝕介質(zhì)的氯鹽濃度、干濕循環(huán)次數(shù)以及溫度和濕度。換句話說，在模擬干濕交替區(qū)自然環(huán)境時(shí)，主要環(huán)境影響因素為氯離子濃度、溫度、濕度和干濕時(shí)間比，其他環(huán)境因素可以簡(jiǎn)化、忽略，接下來是確立這些因素。針對(duì)氯離子濃度，參照該港口一年內(nèi)海水鹽度變化過程、Fick第二定律、國內(nèi)外常用中性鹽霧試驗(yàn)等確定試驗(yàn)實(shí)際采用的NaCl溶液濃度為6%。

2.6 多因素耦合

近年來，國內(nèi)外均有研制開發(fā)了“人工氣候模擬試驗(yàn)室”，該試驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬環(huán)境溫度、濕度、大氣鹽霧等參數(shù)，對(duì)試件實(shí)施模擬日照、海水噴淋、風(fēng)干、烘干、制冷等多種作用，其模擬效果更加接近自然真實(shí)狀況。

3 結(jié)語

海洋環(huán)境下混凝土耐久性問題的實(shí)驗(yàn)研究方法中，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)暴露實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，室內(nèi)加速模擬實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年中國內(nèi)外海洋環(huán)境各區(qū)域的侵蝕機(jī)理研究提出的各種理論模型與假說，為開展室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析提供了更可靠的理論基礎(chǔ)，可進(jìn)一步提高其可靠性，為提高海洋環(huán)境下海工混凝土耐久性提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行更具有科學(xué)性、普適性的損傷失效和壽命預(yù)測(cè)模型等數(shù)值模擬研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉然，張倫武.自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)裝備環(huán)境工程[J].2004，4 （01）：7-11.

[2] 金偉良.氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論與設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3] 吳慶令.海洋環(huán)境鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的耐久性與壽命預(yù)測(cè)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[4] 劉西拉，唐光普.現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下混凝土凍融耐久性預(yù)測(cè)方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（12）：2412-2418.

[5] 郭范波，藍(lán)強(qiáng).不同海洋環(huán)境下玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能研究[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，（03）：43-47

[6] 李巖.氯離子在混凝土中的滲透性能與鋼筋腐蝕臨界濃度的試驗(yàn)研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2003.

[7] 張玉敏，馬靜.鹽溶液侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性的研究[J].應(yīng)用科技，2003（10）：55-58.

[8] 齊廣政.海洋大氣環(huán)境下混凝土氯離子侵蝕性能的試驗(yàn)研究[D]：西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[9] 張德思，成秀珍.粉煤灰混凝土抗凍融耐久性的研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（02）：175-177.

[10] 陳迅捷，歐陽幼玲.海洋環(huán)境中混凝土抗凍融循環(huán)試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程，2009（02）：68-71.

[11] 劉奇東，劉榮桂.海洋干濕交替區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的人工氣候模擬加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].混凝

土，2013（11）：50-52.

[12] 金偉良，張奕.非飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土中的滲透機(jī)理及計(jì)算模型[J].硅酸鹽學(xué)

報(bào)，2008，36（10）：1362—1369.

[13] 肖佳，許彩云.石灰石粉對(duì)水泥混凝土性能影響的研究進(jìn)展[J].混凝土與水泥制品，2012（07）：75-80.