洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)冷凝結(jié)露機(jī)理與耐久性對(duì)策

張志鵬,彭奕揚(yáng),方小愛(ài),陳琦,干偉忠

（1.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211；2.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444）

0 引言

人類(lèi)社會(huì)對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)和利用源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。19世紀(jì)以來(lái),戰(zhàn)爭(zhēng)從冷兵器時(shí)代轉(zhuǎn)入到熱兵器、機(jī)械化時(shí)代,殺傷力、破壞力激增。二戰(zhàn)期間,各戰(zhàn)區(qū)地表建筑物幾乎都被破環(huán),唯有地下建筑物保存完好,戰(zhàn)后許多國(guó)家和地區(qū)都紛紛開(kāi)始地下國(guó)防工程的研究和建設(shè)[1]。冷戰(zhàn)期間,核武器更是給人們的生命安全帶來(lái)了空前的威脅。人防洞庫(kù)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)最有效的防御體系之一,深埋地下或山體之中,具有優(yōu)良的隱蔽性、防護(hù)性和穩(wěn)定性,從而備受各國(guó)的重視。

影響洞庫(kù)正常使用的主要問(wèn)題有混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂滲漏、鋼筋腐蝕、保護(hù)層脫落、洞內(nèi)空氣高濕等,其中庫(kù)室洞壁冷凝結(jié)露是造成結(jié)構(gòu)劣化和功能下降的重要原因,然目前鮮有關(guān)于洞壁冷凝結(jié)露造成結(jié)構(gòu)劣化的研究。本文主要分析了潮濕及冷凝結(jié)露導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的現(xiàn)象和原因,并針對(duì)性提出服役期合理提升洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議。

1 洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)劣化與冷凝結(jié)露

1.1 洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)劣化分析

水分的存在是混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕,如氯離子侵蝕、硫酸鹽腐蝕、堿-集料反應(yīng)、生物侵蝕等的必要條件。洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)處于潮濕的地下環(huán)境,富含水分,極易促成各種腐蝕反應(yīng)的發(fā)生與發(fā)展。

當(dāng)混凝土中含有較多的C3A以及充足的水分、適宜的溫度、一定的滲透性和一定濃度的SO2-4時(shí),此時(shí)硫酸鹽腐蝕較容易發(fā)生,主要生成鈣礬石造成混凝土膨脹和開(kāi)裂[2]:

當(dāng)混凝土骨料中存在較多活性物質(zhì),以及為堿性、潮濕環(huán)境時(shí),混凝土內(nèi)部可誘發(fā)堿-集料反應(yīng),主要有堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸反應(yīng),生成Na(K)·Si·H凝膠和Mg(OH)2吸水膨脹,導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂:

海洋環(huán)境空氣(鹽霧)中富含氯離子,潮濕空氣攜帶大量氯離子擴(kuò)散至結(jié)構(gòu)內(nèi)部：

式中f3（H）為環(huán)境濕度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響系數(shù)，H為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度，Hc為孔隙相對(duì)濕度。由于摻入或者環(huán)境中滲入的氯離子,則會(huì)加速混凝土中鋼筋的銹蝕,致使保護(hù)層脹裂：

有時(shí),由于環(huán)境因素變化，混凝土也會(huì)處于干濕交替狀態(tài)，此時(shí)混凝土外部環(huán)境或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部處于干燥和潮濕狀態(tài)的循環(huán)，既為鋼筋的電化學(xué)腐蝕提供了必要的水環(huán)境，又提供充裕的氧氣以及降低混凝土的電阻率，大大加速了鋼筋的銹蝕速率和腐蝕面積：

另外，干濕循環(huán)作用下，NaSO4·10H2O結(jié)晶現(xiàn)象更加明顯，混凝土受到鈣礬石、石膏膨脹產(chǎn)物以及NaSO4·10H2O結(jié)晶壓力損傷的雙重侵蝕，結(jié)構(gòu)劣化加速明顯[3]；又由于地下混凝土工程所處的環(huán)境相對(duì)潮濕、溫度適宜、富含礦物質(zhì)離子，所以生物侵蝕尤其是微生物侵蝕普遍存在。

1.2 冷凝結(jié)露機(jī)理分析

如1.1所述,水在混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化過(guò)程中扮演了重要角色。工程的滲水漏水，大都較容易避免，但空氣中的濕氣遇冷的凝結(jié)水卻難以控制。冷凝主要是空氣的水蒸氣遇冷放熱凝結(jié)，溫度越低冷凝越快。結(jié)露現(xiàn)象是指空氣的含濕量一定時(shí)，固體表面溫度低于結(jié)露點(diǎn)溫度時(shí)形成的露水。

ROC曲線分析顯示，CURB評(píng)分≥3分、PCT-4＞1.33 ng/mL結(jié)合△PCT＞0.09 ng/mL預(yù)測(cè)老年SCAP 28 d死亡的效能高于單一指標(biāo)，AUC為0.856，靈敏度為 84.6%，特異性為91.5%，約登指數(shù)為 0.761。見(jiàn)表4。

溫度是描述物體冷熱程度的物理量。干球溫度是指暴露于空氣中而又不受太陽(yáng)直接照射的干球溫度表上所讀取的數(shù)值，它是溫度計(jì)在普通空氣中所測(cè)出的溫度；濕球溫度是指在絕熱條件下，大量的水與有限的濕空氣接觸，水蒸發(fā)所需的潛熱完全來(lái)自于濕空氣溫度降低所放出的顯熱，當(dāng)系統(tǒng)中空氣達(dá)飽和狀態(tài)且系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)系統(tǒng)的溫度。

絕對(duì)濕度a即每立方米濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，可利用水汽狀態(tài)方程直接獲得：

式中，e為實(shí)際水汽壓,單位為hPa；T為溫度，單位為K。

相對(duì)濕度U即水在空氣中的蒸汽壓與同溫同壓飽和蒸汽壓的比值,可利用干濕球溫度計(jì)算：

式中，E為水氣壓，Ew為干球溫度所對(duì)應(yīng)的純水平液面（或冰面）飽和水氣壓。

露點(diǎn)溫度是水汽恰好在固體表面凝結(jié)成水的臨界點(diǎn)，露點(diǎn)與濕度、空氣溫度、固體表面溫度和氣壓有著密切的關(guān)系?？諝獾臉O限含水量隨著空氣溫度降低而減小，一定氣壓條件下，空氣中水汽含量不變，若溫度降低，對(duì)應(yīng)的極限含水量也降低，相對(duì)濕度達(dá)到100%，多余水汽變?yōu)橐簯B(tài)水：

式中Pa為空氣水蒸氣分壓力；φ為空氣相對(duì)濕度；ta為空氣露點(diǎn)溫度。

式（1～11）表明，深埋地下的國(guó)防洞庫(kù)、人防洞和隧道等地下建筑，室內(nèi)空氣溫度與洞壁不均衡，在伴有一定濕度條件的條件下，洞壁表面便會(huì)產(chǎn)生冷凝結(jié)露。它與空氣濕度、溫度、氣壓以及洞室表面溫度密切相關(guān)。

2 洞庫(kù)溫濕度實(shí)測(cè)與分析

2.1 檢測(cè)內(nèi)容與方法

測(cè)試工作為1 d連續(xù)進(jìn)行，溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)采集間隔為2 h，濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)采集間隔為10 min。共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為洞庫(kù)地面處2個(gè)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)，側(cè)墻2個(gè)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)，頂面2個(gè)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)和距離地面1m處側(cè)墻1個(gè)濕度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室二樓房間1個(gè)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)，室外草坪1個(gè)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)（圖1，表1）。

圖1 洞庫(kù)溫度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖 單位：m

表1 測(cè)量?jī)x器布置表

2.2 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.2.1 洞庫(kù)空氣溫濕度及露點(diǎn)走勢(shì)

測(cè)試結(jié)果如圖2顯示，人防洞庫(kù)某一天內(nèi)的溫度走勢(shì)大體呈先上升，后下降。上升階段為4∶00到8∶00左右，8∶00以后到次日00∶00呈緩慢下降趨勢(shì)。相對(duì)濕度的走勢(shì)與溫度大體相反，以上午4∶00為起點(diǎn)，次日00∶00為終點(diǎn)，先下降，維持一段平穩(wěn)狀態(tài)，后又呈上升趨勢(shì)，4∶00為最高點(diǎn)，4∶00到8∶00為下降階段，8∶00到下午18∶00維持較低水平且略有波動(dòng)，最低點(diǎn)在中午12∶00附近，進(jìn)入夜間又開(kāi)始緩慢上升。溫度升高的時(shí)間段，相對(duì)濕度降低，不容易結(jié)露；溫度降低的時(shí)間段，相對(duì)濕度升高，比較容易結(jié)露。一天內(nèi)空氣的相對(duì)濕度平均值78.8%，最高值為84.9%。

圖2 洞庫(kù)1天溫濕度走勢(shì)圖

2.2.2洞庫(kù)壁面溫度特征

洞庫(kù)結(jié)構(gòu)表面頂部溫度最高，平均溫度為28.23℃，墻面次之，平均溫度為27.43℃，墻面和頂面的溫度普遍高于洞庫(kù)空氣的露點(diǎn)溫度，相對(duì)不易結(jié)露。地面溫度最低，平均溫度為24.63℃，低于洞庫(kù)空氣的平均露點(diǎn)溫度24.65℃（圖3）。地面處，凌晨至8∶00以及夜間22∶00至00∶00時(shí)間段內(nèi)溫度幾乎等于或者低于洞庫(kù)內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，1日內(nèi)有約40%的時(shí)間內(nèi)其表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，所以地面是最容易產(chǎn)生冷凝結(jié)露的部位。

2.2.3 洞庫(kù)室內(nèi)外氣象比較

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4顯示，洞庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度分別與外界大氣溫度、濕度有一定的相關(guān)性，兩者的走勢(shì)基本保持一致，但外界大氣溫濕度變化幅度較大。外界大氣溫度高出1.77℃，相對(duì)濕度高出11.53%，而露點(diǎn)卻比較接近（表3）。其中下部壁面與地面處，本身溫度即低于露點(diǎn)溫度，并且與外界空氣溫度相差近8℃，所以當(dāng)外界空氣涌入洞庫(kù)，與洞壁耦合時(shí)，洞壁溫度低而空氣溫度高，相對(duì)濕度便會(huì)瞬間升高，極易發(fā)生冷凝結(jié)露，結(jié)露速率也較快。

表3 洞庫(kù)外界氣象參數(shù)比較表

圖3 洞庫(kù)壁面溫度走勢(shì)圖

圖4 外界大氣溫度、濕度、露點(diǎn)走勢(shì)圖

綜上得出，想要減少甚至避免洞庫(kù)內(nèi)壁面的冷凝結(jié)露，需從減小空氣濕度以降低露點(diǎn)和保持室內(nèi)溫度以避開(kāi)結(jié)露，以及減少外界空氣與洞庫(kù)壁面耦合等方面來(lái)采取措施，冷凝結(jié)露防護(hù)的重點(diǎn)部位應(yīng)為下部墻面和地面處。

2.3 氣流組織形式與冷凝結(jié)露

氣流組織形式對(duì)地下空間的冷凝結(jié)露也有著重要的影響，不同的通風(fēng)強(qiáng)度和氣流組織形式會(huì)產(chǎn)生較大差異的冷凝結(jié)露。王威等人對(duì)地下空間運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬軟件FLUENT對(duì)不同通風(fēng)條件下洞壁結(jié)露的情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究[5]。幾何模型為長(zhǎng)3.57 m、寬3.18 m、高2.6 m的長(zhǎng)方體空間；變量為通風(fēng)模式分別為頂棚送風(fēng)、頂棚排風(fēng)、側(cè)上送風(fēng)、側(cè)下排風(fēng)、側(cè)下送風(fēng)、側(cè)上排風(fēng)。

不變的量為送風(fēng)溫度10℃，相對(duì)濕度75%，室內(nèi)空氣初始溫度15℃，相對(duì)濕度82%，送風(fēng)速率為256.5 m3/h。3種工況對(duì)照比較（表4，圖5），3種工況結(jié)露面積分別為11.3 m2、22.6 m2、23.9 m2，占比19.6%、39.2%、41.3%，結(jié)露質(zhì)量分別為0.76 g、6.07 g、6.50 g。其中所有工況開(kāi)始結(jié)露時(shí)間均為900 s，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)均為1 800 s。所以當(dāng)送風(fēng)口和排風(fēng)口均設(shè)置在頂棚位置時(shí)，室內(nèi)結(jié)露量最小，結(jié)露速度也最慢。

表4 結(jié)露數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表

圖5 各工況結(jié)露分布云圖

通風(fēng)強(qiáng)度影響地下空間的冷凝結(jié)露，王威等人提出了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型[6]。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況擬合度較高，誤差在合理范圍內(nèi)；隨著通風(fēng)強(qiáng)度的增加，室外內(nèi)的溫度和濕度均出現(xiàn)明顯降低，結(jié)露速率和面積也明顯降低。

3 結(jié)論

（1）洞庫(kù)混凝土冷凝結(jié)露，主要是由于潮濕空氣滲入洞庫(kù)內(nèi)部，與溫度相對(duì)較低的混凝土結(jié)構(gòu)相遇，從而引起水汽冷凝成液態(tài)水。復(fù)雜地下空間室內(nèi)空間溫度場(chǎng)分布和濕度場(chǎng)分布復(fù)雜，結(jié)露現(xiàn)象也呈現(xiàn)多樣化。

（2）當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí)，室內(nèi)空氣溫度與洞壁溫度相差較大，會(huì)加速結(jié)露發(fā)生；雨季空氣中相對(duì)濕度較高，會(huì)加速結(jié)露發(fā)生；增大風(fēng)速，降低送風(fēng)的濕度和溫度，可減小結(jié)露量；頂棚送風(fēng)排風(fēng)優(yōu)于側(cè)壁送風(fēng)排風(fēng)，可減小結(jié)露量。

（3）洞庫(kù)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，需從混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)以及服役期間通風(fēng)、除濕幾方面來(lái)進(jìn)行。合理設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)和高效密閉系統(tǒng)，運(yùn)用 “靈活溫濕服役法” ，靈活調(diào)整洞內(nèi)溫濕狀態(tài)，以緩解混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化，提高結(jié)構(gòu)耐久性。