海工混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場暴露試驗綜述

蔣瓊明，農(nóng)忠霖

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2.北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院，欽州 535011)

近年來，隨著沿海經(jīng)濟帶的飛速發(fā)展，中國在不同沿海地區(qū)建立了大量港口碼頭、跨海大橋、防波堤等海工建筑物。研究表明，氯鹽環(huán)境下氯離子對鋼筋的腐蝕是造成海工混凝土結(jié)構(gòu)及其耐久性破壞的主要原因。海工建筑物的侵蝕與破壞是一個長期的動態(tài)漸變過程，為研究該過程機理，提高已建或未建海工建筑物的耐久性，有必要對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性試驗研究。根據(jù)海工混凝土腐蝕試驗場所的不同，混凝土耐久性試驗方法可分為現(xiàn)場暴露試驗與實驗室人工模擬試驗兩大類[1]。目前，國內(nèi)外已針對室內(nèi)模擬加速試驗進(jìn)行了大量研究，各方面都已達(dá)到比較完善的程度，但無論具備多么先進(jìn)的人工模擬設(shè)備與技術(shù)，都無法完全還原現(xiàn)場真實的自然環(huán)境。為此，有必要對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期現(xiàn)場暴露試驗。

現(xiàn)場暴露試驗是一種通過建立暴露試驗站，將制作的試件長期暴露于天然環(huán)境中使其自然劣化發(fā)展的一種試驗方法，同時也常被稱為自然擴散試驗。通過建立海洋暴露試驗站并開展現(xiàn)場暴露試驗研究已成為耐久性領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛共識，試驗的劣化環(huán)境是真實的海洋環(huán)境，試驗結(jié)果更為可靠。因此，試驗結(jié)果對混凝土耐久性的研究具有較高的參考價值。同時，由于工作面好、操作方便、對于混凝土建筑物和結(jié)構(gòu)本身無損傷，現(xiàn)場暴露試驗逐漸成為將科研成果應(yīng)用于工程實踐、轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的極為有效的途徑。目前，國內(nèi)外已針對不同目的建立了各種海洋暴露試驗站，如中國在華東、華北、東北、華南等較為典型的海域均設(shè)有暴露試驗站，所積累的數(shù)據(jù)年份超過30 a。美國、挪威等國家早在20世紀(jì)40年代就建有暴露試驗站，為中國早期試驗站的建立提供了良好的參考與借鑒。隨著對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的深入研究，現(xiàn)已有不少試驗成果被相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所采納，現(xiàn)場暴露試驗對各類工程材料與施工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展起到了極大的推動作用[2]。

1 暴露試驗站設(shè)計與選址

1.1 建站選址原則

現(xiàn)場暴露試驗站是研究海工建筑物材料在海洋環(huán)境下不同結(jié)構(gòu)部位、不同環(huán)境分區(qū)、不同高程下的耐久性試驗基地[3]。暴露試驗站的建造是進(jìn)行現(xiàn)場暴露試驗的重要前期工作，試驗站選址與設(shè)計的合理性將直接影響暴露試驗站的試驗效果。暴露試驗站需具備代表性、安全性、交通便利性、規(guī)劃合理性等原則[4]，即既能代表某地區(qū)地理氣候環(huán)境，又具備因地制宜、與海洋環(huán)境相協(xié)調(diào)的特點。

站址的選擇通常決定了試驗站的結(jié)構(gòu)形式、使用壽命與建造費用，因此，理應(yīng)對影響試驗站建設(shè)的各方面因素進(jìn)行綜合分析與評價，在遵循選址原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)化選址。

1.2 試驗站平臺設(shè)計

試驗平臺作為現(xiàn)場暴露試驗站的主體，其設(shè)計合理性也對暴露試驗站的試驗效果尤為重要。考慮到不同的海洋環(huán)境，可自下而上設(shè)置水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)、大氣區(qū)4個分區(qū)。其中，由于潮汐區(qū)受到干濕循環(huán)交替的影響，物理化學(xué)作用較復(fù)雜，可將其作為試驗平臺重點研究區(qū)域，必要時可適當(dāng)擴大平臺面積，以保證暴露試驗站的劣化要求。

除了試驗平臺的分區(qū)，建站時還需確定各試驗平臺的頂面高程。確定頂面高程的原則是在能夠充分反映海洋環(huán)境不同垂直區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)物和材料的不同影響因素的前提下，使每層放置試塊的暴露試驗結(jié)果足以代表典型環(huán)境區(qū)劃的試驗要求[5]。因此在充分考慮海區(qū)設(shè)計低水位與設(shè)計高水位對試驗站的影響的同時，結(jié)合防腐技術(shù)規(guī)范與地區(qū)水文地質(zhì)勘察統(tǒng)計資料即可確定試驗站各試驗平臺高程。

2 國內(nèi)外暴露試驗站概況

2.1 國外暴露試驗站

在國外,美國是世界上最早建立暴露試驗站的國家之一。早在1936年，美國率先在緬因州的芬迪灣建立了名為Treat Island的海洋暴露試驗站，并由此開展了耐久性試驗研究。該暴露站依靠其良好的暴露環(huán)境條件，成為了混凝土耐久性研究的理想場所[6]。同在1936年，挪威技術(shù)大學(xué)在挪威的Trondheim港暴露站[7]開展了耐久性試驗研究，將不同水灰比以及不同礦渣摻量的混凝土試塊放置至暴露站進(jìn)行長達(dá)30 a的現(xiàn)場暴露試驗，得出水灰比與礦渣摻量對混凝土抗壓抗彎性能的影響規(guī)律。加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心于1978年在芬迪灣暴露站開展了海洋混凝土耐久性試驗[8]，將3種不同水灰比的混凝土試塊放在潮汐區(qū)進(jìn)行長達(dá)28 a的現(xiàn)場暴露，試驗得出降低水灰比對提高混凝土耐久性具有積極作用。英國相關(guān)部門于1987年在英格蘭東南沿海的海洋潮汐區(qū)進(jìn)行了不同種水泥摻一定量粉煤灰與礦渣的高性能混凝土的現(xiàn)場暴露試驗[9]，試驗周期為8 a，最終提出了混凝土中游離氯與總氯含量之間的線性關(guān)系。

2.2 國內(nèi)暴露試驗站

中國水運行業(yè)早在20世紀(jì)60年代即開展了海洋環(huán)境暴露試驗的研究工作，但由于早期試驗站結(jié)構(gòu)布置簡易，試驗規(guī)模小，無法形成系統(tǒng)性長期研究。對此，原交通部于1982年組建了海港工程腐蝕暴露試驗協(xié)作組，在全國建造具有代表性的海洋環(huán)境暴露試驗站，分別是廣東湛江港、海南八所港、華北天津港和遼寧的錦州港暴露試驗站。

2.2.1 湛江港暴露試驗站

湛江港暴露試驗站位于湛江港一區(qū)的突堤碼頭，地處高溫高濕的典型亞熱帶氣候地區(qū)，對以氯離子侵蝕為主要特征的華南沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有良好代表性。自1986 年建成以來，已開展30余年的暴露試驗研究，獲得了大量寶貴的混凝土耐久性數(shù)據(jù)。該站將水下區(qū)細(xì)分為深水區(qū)和淺水區(qū)，試驗站各分區(qū)平臺高程如表1所示。

表1 湛江試驗站分區(qū)及平臺高程

2.2.2 海南八所港

位于海南島西海岸的八所港，由于高溫、強光照，是中國腐蝕環(huán)境最嚴(yán)重的地區(qū)之一。南京水科院于20世紀(jì)末在海南島八所港暴露試驗站進(jìn)行首批暴露試塊的放置，該試驗將對普通混凝土、摻量礦渣和粉煤灰的高性能混土及鋼筋混凝土進(jìn)行長達(dá) 14 a 的現(xiàn)場暴露。試驗通過檢測不同暴露時間下的混凝土坑蝕深度、鋼筋腐蝕失重率與鋼筋銹蝕面積等數(shù)據(jù),應(yīng)用類比法預(yù)測混凝土的服役壽命[10]。試驗最終表明了通過降低水灰比以及摻入摻合料可顯著提高混凝土耐久性。

2.2.3 華北天津港

天津港暴露試驗站作為全國站網(wǎng)中最大的試驗站，同時也是站網(wǎng)中第一個建立的暴露試驗站，其地理位置代表了華北地區(qū)典型的冰凍氣候條件。該試驗站由上至下設(shè)大氣區(qū)、水位變動區(qū)以及水下區(qū)，頂面標(biāo)高與碼頭頂面齊平，便于對暴露試驗站進(jìn)行日常使用和管理。該站常結(jié)合錦州港暴露試驗站同時開展多材料、多角度的海工混凝土建筑物的耐久性試驗研究，為編制相關(guān)技術(shù)規(guī)范提供了經(jīng)驗和依據(jù)，同時創(chuàng)造了可觀的社會經(jīng)濟效益[11]。

2.2.4 遼寧錦州港

錦州港是中國繼湛江、連云港、天津之后又一個永久性暴露試驗站，該站建成后，將在中國華南、華北、華東、東北等地建立起系統(tǒng)性的暴露試驗站網(wǎng)，分別代表了南方不凍、華東微凍、華北受凍、東北嚴(yán)重受凍等環(huán)境狀況，逐步形成全國性暴露試驗網(wǎng)絡(luò)。試驗站設(shè)水下區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)三層試驗平臺，并對鋼筋、焊點、試件欄、爬梯等自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理，有效保證了試驗站的使用年限。錦州港暴露試驗站作為永久試驗基地，具有易使用、易管理、對碼頭作業(yè)無沖突等優(yōu)勢[3]。

除此之外，中國仍有依托于大規(guī)?；炷凉こ趟⒌谋┞对囼炚?，如杭州灣跨海大橋[12]、青島膠州灣跨海大橋[13-14]、港珠澳大橋等。這些工程有部分設(shè)計年限突破百年，暴露試驗站的建立對于工程的實時監(jiān)控，評估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面起到重要作用。

3 暴露試驗方案與流程

3.1 混凝土成型與養(yǎng)護

根據(jù)試驗需求，暴露試件可制作邊長為100 mm、150 mm的立方體試塊，以及不同尺寸、不同保護層厚度的鋼筋混凝土梁試件，一般常見鋼筋混凝土試件為100 mm×100 mm×200 mm。試件的成型過程可按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)[15]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。對于海工混凝土建筑物，使用海砂替換河沙可在一定程度上緩解河沙資源短缺的壓力[16]。若要提高混凝土試塊密實性，養(yǎng)護齡期可根據(jù)試驗研究條件適當(dāng)延長至56 d及以上。養(yǎng)護完成后常用石蠟或樹脂等密封材料將試塊5個面進(jìn)行封閉，以確保氯離子的一維擴散，亦可根據(jù)需要設(shè)計氯離子二維擴散或三維擴散。

3.2 現(xiàn)場放置

養(yǎng)護結(jié)束后將試件運至暴露試驗站，放置在相應(yīng)試驗平臺上。由于浪濺區(qū)、潮汐區(qū)以及水下區(qū)容易受到水流的沖擊，所以需在用鋼絲網(wǎng)加固套牢，以防止試塊脫落。受暴露區(qū)環(huán)境惡劣程度差異的影響，各暴露區(qū)的設(shè)計暴露齡期往往有所不同；潮汐區(qū)與浪濺區(qū)受氯鹽侵蝕影響較為嚴(yán)重，因此設(shè)計暴露齡期一般短于大氣區(qū)和水下區(qū)。綜合國內(nèi)有關(guān)暴露試驗研究，現(xiàn)場暴露試驗齡期宜在90 d以上，使現(xiàn)場暴露更接近真實情況。

3.3 氯離子濃度測定

3.3.1 取樣方法

達(dá)到暴露試驗齡期的混凝土試塊從暴露站運回實驗室后，為保證試件內(nèi)部干燥，應(yīng)將其放入高溫烘箱內(nèi)烘至恒重。在烘干結(jié)束后，可將試塊放在干燥處使其自然冷卻直至室溫。

1)鉆孔取樣法

鉆孔取樣法是一種利用小型鉆機鉆取混凝土粉末的一種取樣方法，常應(yīng)用于現(xiàn)場檢測試驗和現(xiàn)場暴露試驗的取樣。該方法一般可用于立方體試塊與鋼筋混凝土梁試件的取樣檢測，其操作方便且適用性較強，基本不受試塊樣式的約束。朱雅仙等[17]利用臺鉆對暴露試塊的中部進(jìn)行了不同深度的粉末取樣，Real等[18]對暴露5 a的輕骨料混凝土試件進(jìn)行鉆孔取樣，得到氯離子濃度分布并應(yīng)用于預(yù)測模型的驗證。趙暉等[19]以5 mm深度為一個單位，對寧波碼頭的混凝土進(jìn)行了等間距鉆孔取樣。馮超等[20]將暴露在干濕交替作用下的棱柱體試塊侵蝕面進(jìn)行鉆孔取樣，并檢測游離氯離子濃度。范志宏等[21]對暴露于湛江港的試件進(jìn)行了鉆孔取樣，檢測了同一滲透方向上不同深度的混凝土氯離子濃度。為了達(dá)到精準(zhǔn)取樣，可在待鉆取的試塊上畫上均勻大小的小方格，以便確定鉆孔的位置，方格的大小應(yīng)根據(jù)鉆孔鉆頭的尺寸進(jìn)行設(shè)計，以方格大小略大于鉆頭尺寸為宜。徐彧[22]、竇雪梅等[23]采用直徑為6 mm的合金鉆頭，對立方體試塊對角線位置鉆出不同深度的混凝土粉末樣品，使試塊取樣位置達(dá)到統(tǒng)一。Liu等[24]將立方體試塊固定在鉆床上進(jìn)行深度為2 mm的鉆孔取樣，并采用游標(biāo)卡尺確保檢查深度的準(zhǔn)確性。延永東等[25]對混凝土暴露表面進(jìn)行5 mm深度為單位的鉆孔取樣，并對同一深度取3個粉樣進(jìn)行混合。李鶴等[26]為得到氯離子濃度隨深度、時間的變化規(guī)律，對所試驗的長方體試件進(jìn)行5 mm鉆孔取樣。

在鉆取時還需注意粉末的耗損，應(yīng)盡可能收集足夠多的可用粉末，粉末顆粒較大時需進(jìn)一步研碎過篩以去除粗骨料，而目前國內(nèi)對混凝土樣品粉末粒徑的過篩仍缺乏具體規(guī)定，粒徑對氯離子濃度檢測的影響亦可作為一個研究變量。盡管國內(nèi)已對混凝土試塊進(jìn)行過多次鉆孔取樣研究，但對于具體要在試塊或試件的哪些位置取樣，鉆孔的數(shù)量和深度如何確定，還尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；同時，這些因素的確定對取樣效果又有何影響等問題仍需進(jìn)一步研究，為此，趙金鳳[27]對混凝土試塊最優(yōu)取樣方法以及數(shù)量進(jìn)行了探索，針對隨機取樣法、網(wǎng)絡(luò)線法以及對角線法設(shè)置了不同溫度下不同取樣數(shù)量對混凝土性能檢測的影響，該研究為混凝土試塊試驗的取樣與設(shè)計提供了指導(dǎo)。

2)分層取樣法

分層取樣法是較為傳統(tǒng)的一維取樣方法，通過借助磨粉機沿著氯離子一維擴散的方向逐層磨取混凝土粉末，該方法對深度的把控較準(zhǔn)確、取樣粉末量大，但由于研磨機不便攜帶，分層取樣法往往適用于混凝土的室內(nèi)取樣。分層取樣一般針對立方體試塊與圓柱體混凝土芯樣，其中對圓柱芯樣的粉末取樣應(yīng)用較廣，范宏等[28]以1 mm為單位對青島碼頭的混凝土芯樣進(jìn)行分層研磨。曾俊杰等[29]沿侵蝕方向?qū)Ρ┞? a的混凝土試件進(jìn)行分層磨粉，每個試件共磨取8層，每層2 mm。Gao等[30]、Wu等[31]對混凝土梁試件取圓柱體芯樣，將芯樣研磨、烘干、冷卻后測量游離氯離子濃度。Liu等[32]使用分層研磨機在混凝土試塊0～16 mm深度區(qū)間內(nèi)按1 mm為單位研磨一次，16～30 mm內(nèi)按2 mm研磨一次，成功測定降雨前后混凝土試件的游離氯離子濃度。Edward等[33]對暴露在美國緬因州的棱柱體試塊進(jìn)行鉆芯，通過分層研磨的方式進(jìn)行取樣。文獻(xiàn)[34-38]同樣采用切片分層磨粉的方式獲取混凝土樣品粉末。鐘志勇等[39]對深圳某碼頭浪濺區(qū)暴露10 a的梁構(gòu)件進(jìn)行鉆芯取樣，并對其進(jìn)行10 mm逐層磨粉取樣，得到了不同深度的氯離子濃度。

目前，市面上出現(xiàn)了SRHFM-Ⅱ、RY-H5、DRB-H1等新型混凝土粉樣分層研磨機。SRHFM-Ⅱ型研磨機主要適用于打磨混凝土芯樣粉末收集的專用試驗設(shè)備，夾持樣本為圓柱體，RY-H5型研磨機可夾持一定尺寸的圓柱試塊以及立方體試塊，適用性強且操作方便，可滿足規(guī)范中[40-41]混凝土制樣和取粉的要求。同時，研磨機對于樣品的微觀檢測也有所幫助，曾俊杰等[29]利用研磨機對芯樣進(jìn)行5 mm切層搗碎，過篩后采用微觀手段進(jìn)行粉末的微觀形貌觀測，使研究同時具有微觀與宏觀意義。

相比于鉆孔取樣，分層取樣的取樣量大，同時在研磨機的研磨下使其分層更為精確，如文獻(xiàn)[37]中采用的研磨機可精確到0.03 mm。但分層取樣一般適用于無鋼筋試塊或試件，對于鋼筋混凝土梁等試件還需進(jìn)一步鉆芯，流程更煩瑣，因此較適用于混凝土暴露后的室內(nèi)檢測，適用性有限。鉆孔取樣適用性極強，該方法不受暴露試件樣式的限制，可結(jié)合快速氯離子含量檢測法對現(xiàn)場暴露的試件直接取樣并檢測，滿足室內(nèi)室外檢測的需求。但在使用該方法過程中，粉末的收集與損耗、鉆孔直徑對取樣點的影響以及取樣點的數(shù)量與位置等因素都是需要考慮的。此外，在部分文獻(xiàn)中，有學(xué)者將鉆孔取樣稱為鉆孔分層取樣，該“分層”與所提的分層取樣法有所區(qū)別，在查閱時應(yīng)加以區(qū)分。

3.3.2 檢測方法

根據(jù)氯離子在混凝土中存在形式的不同，可分為游離氯離子濃度與結(jié)合氯離子濃度，二者之和即為總氯離子濃度。目前普遍認(rèn)為游離的氯離子對鋼筋的腐蝕是起主要作用，然而結(jié)合氯離子并不穩(wěn)定，在一定條件下可轉(zhuǎn)化為游離氯離子并對鋼筋混凝土造成侵蝕，因此結(jié)合氯離子對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的影響不可忽視[42]。

1)化學(xué)分析法

該方法一般采用滴定法，是將所取粉末溶解在不同酸堿度溶液中，通過化學(xué)反應(yīng)滴定程度確定各組分含量，結(jié)合經(jīng)驗公式分別計算出游離氯離子濃度或總氯離子濃度。常用的化學(xué)分析法有佛爾哈德法、莫爾法、電位滴定法等，這些方法各有優(yōu)劣，需根據(jù)實際試驗情況進(jìn)行選擇。一般佛爾哈德法在酸性溶液中檢測總氯離子濃度，莫爾法則在中性或弱堿性樣品溶液中檢測出游離氯離子濃度，電位滴定法因操作、計算以及滴定儀器的不同，可測定游離或總氯離子濃度。

佛爾哈德法是測定氯離子的常用方法之一[43]，有學(xué)者將其應(yīng)用到海工混凝土的氯離子檢測中。楊海成等[44]、竇雪梅[45]采用佛爾哈德法測量了酸性樣品溶液中的總氯離子含量。但該方法對高濃度氯離子溶液的測定效果較好，對低濃度氯離子溶液效果產(chǎn)生的誤差較大，為此，陳正等[46]通過調(diào)整溶液配比，對普通佛爾哈德法進(jìn)行了改良，使其滿足更高的檢測精度與適用條件。盡管該方法可滿足一定精度，但由于操作較復(fù)雜，人為因素影響較大，更適用于小批量滴定分析[47]，且相比于海工混凝土耐久性領(lǐng)域，佛爾哈德法近幾年在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。

莫爾法是用鉻酸鉀作為指示劑的一種手工滴定法。該方法簡單有效，是《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)和《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)檢測標(biāo)準(zhǔn)中所提到的方法，其應(yīng)用范圍較廣，可用于檢測砂中或混凝土粉末中的氯離子含量，但由于其只能在中性或弱堿性溶液中進(jìn)行滴定[48]，因此常用來檢測游離氯離子濃度。常洪雷等[37]采用莫爾滴定法對每層混凝土樣品粉末進(jìn)行氯離子濃度檢測。潘文佳等[49]采用莫爾滴定法檢測氯離子濃度，研究在干濕循環(huán)作用下各因素對氯離子傳輸過程的影響。孫保庫等[50]采用莫爾法檢測暴露在舟山岱山海域的混凝土試塊中的氯離子濃度。姚大立等[51]為研究自密實再生骨料混凝土的抗?jié)B性與暴露時間的影響，采用莫爾法檢測游離氯離子濃度。喬允等[52]則為探究砂漿在干燥過程中氯離子反向傳輸規(guī)律，采用莫爾法對暴露試件進(jìn)行游離氯離子濃度檢測。趙暉等[19]采用莫爾法檢測了寧波海工碼頭建筑物的氯離子濃度并擬合出表觀氯離子擴散系數(shù)。蘇卿等[53]采用莫爾法測定了混凝土試塊的游離氯離子濃度，并將測試結(jié)果與MATLAB擬合曲線相比較，二者吻合度高，檢測結(jié)果真實可靠。竇雪梅[45]利用莫爾法進(jìn)行游離氯離子濃度檢測，并通過回歸分析得到了表面游離氯離子濃度。莫爾法雖然簡單省時，但由于滴定的終點是通過肉眼觀察，用肉眼判斷可能會造成較大的誤差，當(dāng)樣品數(shù)量比較龐大時，容易引起檢測人員的疲勞，并不適合大量檢測[54]。

電位滴定法則有效地避免了顏色變化對人工識別滴定終點的視覺影響，具有較高的準(zhǔn)確度，同時可適用于有顏色干擾的混凝土試件樣品中氯離子含量的測定，適用性強，是目前國內(nèi)外十分常用的檢測氯離子的滴定方法，通常在室內(nèi)進(jìn)行檢測。范宏等[28]通過電位滴定法對暴露試件和芯樣進(jìn)行了游離氯離子濃度的測定，Geiker等[55]對暴露25 a的梁試件進(jìn)行取樣檢測，采用電位滴定法測定其氯化物含量。但早期由于電極結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，檢測重復(fù)性差，操作煩瑣且計算量較大，往往導(dǎo)致檢測耗時較長[56-57]。而隨著氯離子檢測技術(shù)的發(fā)展，自動電位滴定儀逐漸進(jìn)入人們的視野，檢測的效率與精度得到了提高。范志宏等[58]利用自動電位滴定儀測定了混凝土粉樣中的總氯離子含量。羅霆[59]采用自動電位滴定法對通明海特大橋混凝土粉樣進(jìn)行氯離子含量測試。黎鵬平等[60]采用自動電位滴定法對暴露在海洋浪濺區(qū)的鋼筋混凝土梁進(jìn)行耐久性試驗，以氯離子濃度和氯離子擴散系數(shù)來評價混凝土的抗?jié)B透性能。張建球[61]對暴露在欽州港老碼頭的混凝土進(jìn)行現(xiàn)場取樣，采用電位滴定法測定研究不同深度、不同水位區(qū)域的氯離子濃度分布規(guī)律。Huang等[36]對暴露的珊瑚混凝土樣品粉末進(jìn)行干燥、溶解、過濾，通過電位滴定法測定濾液中的游離氯離子濃度。Liu等[24]用自動電位滴定儀測定溶液中的總氯離子濃度，對每個樣品滴定3次且取平均值作為實驗結(jié)果。Liu等[32]采用自動電位儀進(jìn)行游離氯離子濃度的測量，用于研究降雨環(huán)境對混凝土中氯離子擴散行為的影響。Sofia等[62]、Moffatt等[63]通過電位滴定法確定了暴露試件的總氯離子濃度。王慧等[64]對手動電位滴定和自動電位滴定法進(jìn)行了比較，得出二者結(jié)果基本相同，精確度與準(zhǔn)確度均在可接受范圍內(nèi)，但自動滴定可減少人為誤差，節(jié)省更多時間。

在氯離子含量檢測過程中，受工程條件或試驗實際應(yīng)用的不同，加上取樣、制樣過程不嚴(yán)密等因素的影響，會使檢出結(jié)果出現(xiàn)誤差；傳統(tǒng)的氯離子含量測定方法在實際計算中可能會出現(xiàn)大量偏離實際測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點，因此在選用氯離子測定方法時，應(yīng)根據(jù)不同的樣品及其特性選用一種或多種合適的檢測方法，確保所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然而無論是以上何種化學(xué)檢測方法，樣品的前期處理、檢測過程以及試劑配置都應(yīng)參考國內(nèi)混凝土氯離子含量檢測規(guī)程[65]。

2)快速氯離子含量檢測法

快速氯離子含量檢測法(rapid chloride test，RCT)是一種基于氯離子含量快速測定儀的檢測方法，常用于現(xiàn)場快速檢測與室內(nèi)檢測。該類儀器早期由丹麥Germann公司生產(chǎn)并應(yīng)用，早期進(jìn)口的RCT儀器曾占領(lǐng)我國進(jìn)口市場，但隨著儀器本身價格昂貴、售后不便等問題的出現(xiàn)，影響了RCT法的進(jìn)一步推廣[66]。如今國內(nèi)也有不少公司生產(chǎn)該類儀器，技術(shù)與設(shè)備精度已相對成熟。與其他方法類似，檢測前需采用酸溶液或水溶液溶解粉末，萃取氯離子，儀器在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定后，利用探頭可直接檢測混凝土樣品中的氯離子濃度，儀器會根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電位差曲線自動計算出氯離子含量。RCT法操作快速、簡單、且無需額外設(shè)備，所得結(jié)果一目了然[67]，因此可作為一種快捷有效的現(xiàn)場檢測手段。李佩珍等[67]利用RCT法對高性能混凝土進(jìn)行氯離子濃度快速檢測。王仕龍等[68]通過氯離子快速檢測法檢測氯離子濃度，以研究綠色堆石混凝土的氯鹽侵蝕性能。Cristina等[69]采用德國儀器公司生產(chǎn)的RCT-500檢測了試塊不同深度的總氯離子含量。張奕等[70]用RCT法對嘉興港碼頭進(jìn)行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測，以得到干濕交替區(qū)域氯離子濃度分布隨高度變化的規(guī)律。周麗萍等[71]通過RCT法檢測構(gòu)件中自由氯離子含量并計算表面氯離子濃度值，分析表面氯離子濃度的時變模型。吳靈杰等[72]采用RCT法對北部灣的海港碼頭進(jìn)行氯離子濃度檢測，得到該地區(qū)既有碼頭的氯離子侵蝕狀況。張榮亮等[73]為揭示表面氯離子濃度與氯離子擴散系數(shù)相關(guān)性規(guī)律，使用快速測定儀測定出游離氯離子濃度。蘭瑞鑫等[74]采用RCT法測量試件的氯離子含量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。延永東等[25]通過RCT法檢測暴露近1 a的混凝土中的游離氯離子濃度，得到再生骨料混凝土的氯離子濃度分布情況并驗證了模型的模擬結(jié)果。

RCT法可結(jié)合室內(nèi)滴定法，使研究人員對混凝土中氯離子含量的檢測效果有更好的控制。而目前該方法及相關(guān)儀器尚未有統(tǒng)一的國家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，李紅亮等[75]通過參考《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 322—2013)[65]對該類RCT儀器進(jìn)行了量值溯源及儀器示值誤差不確定度評定，為RCT法及快速測定儀器的校準(zhǔn)提供了參考。RCT快速測定法適用性強，可滿足室內(nèi)外檢測，且誤差小不易受人為因素影響，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用與各大高校與科研機構(gòu)。但由于市場上快速測定儀的質(zhì)量參差不齊，該方法還是存在一定不確定性，因此在涉及工程安全領(lǐng)域時應(yīng)結(jié)合滴定法進(jìn)行檢測則較為穩(wěn)妥[76]。

4 試驗數(shù)據(jù)處理

4.1 表面氯離子濃度

氯離子在混凝土中的擴散過程常用Fick第二擴散定律來描述[77]?；炷帘砻媛入x子濃度作為該擴散方程的重要邊界條件，是進(jìn)行海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與研究的重要參數(shù)。因此，基于現(xiàn)場暴露試驗開展有關(guān)表面氯離子濃度的研究，對于混凝土服役壽命預(yù)測、耐久性定量分析等方面具有重要科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價值。

根據(jù)現(xiàn)場暴露試驗所測得的氯離子濃度，可對其進(jìn)行擬合計算，得到表面氯離子濃度。目前，國內(nèi)外已基于暴露試驗對表面氯離子濃度進(jìn)行定量研究，將其進(jìn)行擬合并建立各影響因素的理論模型。江大虎等[78]根據(jù)現(xiàn)場暴露試驗所測定的不同侵蝕深度下游離氯離子濃度數(shù)據(jù)，利用Excel數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行回歸分析擬合，得到了混凝土內(nèi)部氯離子濃度與擴散深度之間的一元二次關(guān)系。Song等[79]收集了英國水下區(qū)、日本和委內(nèi)瑞拉浪濺區(qū)的海工混凝土建筑的暴露數(shù)據(jù)，通過測定總氯離子濃度并推算出了表面氯離子濃度。周麗萍等[71]通過RCT法檢測連云港各泊位現(xiàn)場暴露構(gòu)件的氯離子濃度并計算表面氯離子濃度值，建立室外與室內(nèi)環(huán)境的時間相似關(guān)系。許澤啟等[80]在大連市實?，F(xiàn)場進(jìn)行8個月的現(xiàn)場暴露試驗，利用試驗結(jié)果研究了海洋混凝土結(jié)構(gòu)壽命計算結(jié)果與表面氯離子含量時變性的關(guān)系。蔡榮等[81-82]結(jié)合國內(nèi)外大量現(xiàn)場暴露的試驗數(shù)據(jù)資料，利用兩階段多元回歸分析法建立了多因素計算模型，并通過對比分析該模型的預(yù)測值和現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)，驗證了該模型的科學(xué)有效性和適應(yīng)范圍。同時，蔡榮與深圳大學(xué)以及美國密蘇里大學(xué)的學(xué)者進(jìn)行合作[83]，通過建立涵蓋世界各地的浪濺區(qū)、潮汐區(qū)、水下區(qū)642個野外暴露數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)庫，共同研發(fā)并應(yīng)用集成機器學(xué)習(xí)模型對混凝土表面氯離子濃度進(jìn)行預(yù)測；與常規(guī)模型相比，該集成模型考慮因素多達(dá)12個，具有更好的預(yù)測表面氯離子濃度的性能和效率。陳昌等[84]基于631組海洋潮汐區(qū)野外暴露試驗數(shù)據(jù)，建立了一種綜合考慮凝膠材料種類和暴露時間耦合影響的潮汐區(qū)混凝土表面多因素時變模型。該研究所收集的暴露試驗數(shù)據(jù)水膠比范圍廣(0.3～0.68)，暴露時間區(qū)間長(0.08～44.36 a)，數(shù)據(jù)具有較好的代表性，在后期對模型的驗證中同樣體現(xiàn)了這一點。

目前，國內(nèi)外基于暴露試驗數(shù)據(jù)對表面氯離子濃度的研究大部分停留在潮汐區(qū)，浪濺區(qū)以及水下區(qū)等海洋環(huán)境，以大氣區(qū)環(huán)境進(jìn)行暴露試驗的表面氯離子濃度研究仍不多見，因此造成海洋大氣區(qū)暴露試驗的數(shù)據(jù)較為缺乏。Meira等[85-87]在巴西東部熱帶海洋大氣區(qū)進(jìn)行長期暴露試驗，基于大氣環(huán)境特征以及氯離子濃度分布兩個側(cè)重點討論了大氣中的氯離子與混凝土內(nèi)部積累的氯離子之間的關(guān)系。Akiyama等[88]根據(jù)日本沿海地區(qū)3年的現(xiàn)場暴露試驗資料，提出了一種將氣載氯離子影響納入海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的方法，由此計算在風(fēng)速、風(fēng)向以及距海岸距離等因素影響下混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的概率。但該模型方法是基于假設(shè)大氣中氯離子的危害僅取決于以上3個因素，若同時考慮如降雨量、濕度等其他因素對氯離子的影響，模型則更為精確。

4.2 氯離子擴散系數(shù)

氯離子擴散系數(shù)是決定混凝土中氯離子遷移速率和擴散時間的重要參數(shù)，它將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。張寶蘭等[89]利用湛江暴露試驗站20多年的暴露數(shù)據(jù)以及華南地區(qū)港口碼頭調(diào)查獲得的相關(guān)資料，采用Fick第二定律對鋼筋保護層厚度、氯離子擴散系數(shù)等耐久性參數(shù)進(jìn)行定量化設(shè)計，以達(dá)到設(shè)計服役壽命。翁龍[90]將邊長為100 mm的水下混凝土試塊在浪濺區(qū)與潮汐區(qū)暴露5 a，將所測不同深度層下的氯離子濃度數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了氯離子擴散系數(shù)，并進(jìn)一步驗證氯離子擴散系數(shù)隨著暴露齡期的延長而逐漸減少，隨暴露區(qū)域高程的降低而逐漸增大。Wu等[91]對北部灣地區(qū)已建混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子濃度進(jìn)行現(xiàn)場測試，研究發(fā)現(xiàn)氯離子擴散系數(shù)隨時間變化的衰減系數(shù)是正態(tài)分布的隨機參數(shù)，它代表了氯離子擴散系數(shù)的時變特性。李冰黎等[92]在大連海洋地區(qū)開展現(xiàn)場暴露試驗，得到高性能混凝土在不同海洋暴露環(huán)境中的表觀氯離子擴散系數(shù)。Zhang等[93]基于現(xiàn)場暴露試驗建立了考慮時變性的氯離子擴散系數(shù)模型，并分析了水膠比、外加劑以及暴露時長對擴散系數(shù)的影響。黎鵬平等[60]開展浪濺區(qū)現(xiàn)場暴露試驗，以研究表面橫向裂縫寬度對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響規(guī)律。朱雅仙等[17]在海南八所港的浪濺區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場暴露試驗，通過測定三種不同配合比的混凝土試件中氯離子的含量，在考慮有效氯離子擴散系數(shù)隨擴散時間與侵蝕深度的變化規(guī)律的條件下建立了有效擴散系數(shù)的時空模型，為預(yù)測混凝土的使用壽命提供了理論依據(jù)。Yoon等[94]對海洋水下區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)3個區(qū)域進(jìn)行暴露試驗，暴露時間分別為180、365、730 d；試驗考慮了3種水膠比與兩種粉煤灰摻量，在環(huán)境影響評定的基礎(chǔ)上對粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數(shù)進(jìn)行了評價。

4.3 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場暴露試驗的相關(guān)性研究

室內(nèi)加速試驗是耐久性試驗普遍采用的室內(nèi)試驗方法，在對工程進(jìn)行耐久性試驗研究和施工質(zhì)量控制時，若只依靠室內(nèi)快速試驗已無法滿足現(xiàn)實際工程需求，因此，有必要將室內(nèi)試驗和暴露試驗相關(guān)聯(lián)，掌握室內(nèi)試驗與現(xiàn)場暴露試驗的差異與聯(lián)系，以實現(xiàn)科學(xué)、準(zhǔn)確的耐久性設(shè)計與服役壽命研究。

范宏等[28]對暴露了26 a的碼頭和21 a的擋浪壩鉆取了一批直徑為100 mm的混凝土芯樣，同時在實驗室制作了3組相同配合比的混凝土試件進(jìn)行對比試驗。試驗根據(jù)真實暴露環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合室內(nèi)對比試驗，研究并分析了混凝土材料、水灰比、暴露環(huán)境、暴露時間等因素對混凝土中氯離子侵入規(guī)律的影響。

相似理論常常用來設(shè)計室內(nèi)人工模擬試驗與現(xiàn)場環(huán)境構(gòu)件的關(guān)系，周麗萍等[71]利用RCT法分別對連云港室內(nèi)試件和室外構(gòu)件進(jìn)行氯離子濃度檢測，基于相似理論與表面氯離子濃度的時變性計算出時間相似系數(shù)及其表達(dá)式，最終建立室內(nèi)加速模擬環(huán)境與室外真實環(huán)境的相似關(guān)系模型，為地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。曹杰榮[95]在青島海洋環(huán)境和室內(nèi)模擬條件下，研究了不同礦物摻合料、腐蝕齡期和干濕比對混凝土氯離子結(jié)合能力和表觀氯離子擴散系數(shù)的影響。該試驗將混凝土塊暴露于青島麥島海洋暴露試驗站的水下區(qū)、大氣區(qū)和潮汐區(qū)3 a，試驗結(jié)果揭示了海洋環(huán)境下混凝土表面氯離子濃度的分布和時變規(guī)律。Grinon等[96]為了解鋁鋅合金涂層材料的防腐性能，采取實驗室模擬試驗與暴露試驗相結(jié)合的方式開展研究，通過收集暴露90 d內(nèi)的電化學(xué)數(shù)據(jù)，證明室內(nèi)結(jié)果與室外有良好的相關(guān)性，該合金涂層在全浸條件下表現(xiàn)出更好的防腐性能。李冰黎等[92]在室內(nèi)與大連灣海洋現(xiàn)場兩個暴露條件下進(jìn)行暴露試驗，將室內(nèi)與室外的表觀擴散系數(shù)進(jìn)行對比，以確定混凝土在大連海洋環(huán)境中的劣化效應(yīng)系數(shù)。Mehdi等[97]將暴露于伊朗南部4 a以上的長期暴露試驗與短期室內(nèi)試驗相結(jié)合，開發(fā)了能預(yù)測潮汐環(huán)境下混凝土試件氯離子分布的有限元模型，暴露試驗的結(jié)果證實了該模型與數(shù)值程序的可行性。徐翔宇[38]將混凝土試塊暴露于大氣區(qū)和潮汐區(qū)中，并在室內(nèi)做對比試驗，以研究荷載對氯離子傳輸作用的影響。朱紅兵等[98]對復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性的劣化進(jìn)行研究，提出有必要開展真實侵蝕環(huán)境與實驗室侵蝕環(huán)境下混凝土的損傷劣化對比試驗，并建立兩者之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。Zhang等[99]在現(xiàn)有現(xiàn)場暴露試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了與潮汐環(huán)境下暴露試驗相同的混凝土配合比加速模擬試驗，得到了不同暴露時間和不同混凝土擴散系數(shù)下混凝土中游離氯離子濃度，分析了齡期因子與水灰比的關(guān)系。最后還研究了加速模擬和現(xiàn)場暴露試驗對混凝土中氯離子時變特性的相似性。

王勝年等[100]基于長期性能觀測的海工結(jié)構(gòu)混凝土耐久性研究，提出了建立室內(nèi)試驗-暴露試驗-實體工程三者相關(guān)性的新思路。該研究思路將具有相同原材料以及配合比的室內(nèi)試驗、暴露試驗和實體工程的耐久性研究結(jié)果進(jìn)行對比分析，針對氯離子擴散系數(shù)這一耐久性退化的關(guān)鍵因素，建立三者耐久性退化的相關(guān)關(guān)系，以對實際工程耐久性設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。該項研究的暴露試驗周期為20 a，并分別以0.5、1、3、5、7、10、15和20 a進(jìn)行了8次暴露試件取樣，暴露周期較長，因此試驗數(shù)據(jù)具有一定代表性；該試驗每次取樣后均對暴露試件進(jìn)行重新固定，且對試驗平臺進(jìn)行了防腐處理，保證了試驗的可持續(xù)性。張寶蘭等[89]為了確定暴露試驗中氯離子快速擴散系數(shù)與實測氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系，將長期暴露試驗數(shù)據(jù)與快速試驗數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性轉(zhuǎn)化為換算系數(shù)。從而改善二者之間的相關(guān)性，提高耐久性和安全保證率。

4.4 新型混凝土材料在暴露試驗中的應(yīng)用

4.4.1 摻合料

采用摻合料來制備高性能混凝土是提升海工混凝土耐久性的重要途徑之一。目前，國內(nèi)外已采用粉煤灰、礦粉、硅灰等摻合料配制出許多優(yōu)質(zhì)的高性能混凝土，此類混凝土強度高，耐久性更優(yōu)良，在實際工程中得到了很好的應(yīng)用，摻合料與配合比技術(shù)也因此成為混凝土耐久性的關(guān)鍵技術(shù)之一。為研究新型摻合料在海工混凝土工程中的應(yīng)用效果，不少學(xué)者針對摻入新型摻合料的高性能混凝土，對其開展了現(xiàn)場暴露試驗，以研究其耐久性。

受到經(jīng)濟條件、交通運輸、河沙原材料匱乏等因素的影響，工程師們不得不考慮引用新的建筑材料來解決混凝土原材料的問題。珊瑚骨料作為一種新型海洋建筑材料，在我國南方沿海地區(qū)的工程建設(shè)領(lǐng)域擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。余紅發(fā)課題組在中國南海島礁海洋環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場勘查以及現(xiàn)場暴露試驗，取得了較為豐碩的成果，竇雪梅等[23,101]等研究了養(yǎng)護齡期、環(huán)境差異性和暴露時間等因素對珊瑚混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)的影響，為海洋環(huán)境下珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命預(yù)測和耐久性積累重要基本數(shù)據(jù)，并指出在進(jìn)行實際島礁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場環(huán)境與實驗室的差異。

偏高嶺土是一種通過500～800 ℃范圍內(nèi)煅燒高嶺土所得到的新型高活性礦物摻合料。與硅灰、粉煤灰、礦粉等工業(yè)廢料或副產(chǎn)品不同的是，其主要制備方式為工業(yè)生產(chǎn)，因此相對于其他摻合料而言，其品質(zhì)更容易控制。同時，偏高嶺土具有高活性、顆粒小等特點，其水化產(chǎn)物使得混凝土在抗壓、抗彎以及耐久性方面得到一定提升，有關(guān)偏高嶺土在海工混凝土中的應(yīng)用也逐漸得到各專家與學(xué)者們的關(guān)注[102-103]。Mohammad等[104]為研究含硅灰、偏高嶺土的混凝土在長期現(xiàn)場暴露條件下的氯離子擴散系數(shù)和力學(xué)性質(zhì)，將普通混凝土試塊與摻入硅灰、偏高嶺土的混凝土試塊在波斯灣潮汐區(qū)海洋環(huán)境下暴露至3、9、27和50個月，并在每個深度分析樣品粉末氯離子含量；研究表明水灰比與表面氯離濃度之間沒有特定關(guān)系，在長期野外暴露條件下，不同配合比的混凝土的氯離子擴散系數(shù)與表面氯離子濃度含量都達(dá)到了相近的水平，而加入火山灰來提高混凝土的耐久性比降低水灰比更有效。Rafat等[105]使用偏高嶺土代作為摻合料替部分水泥進(jìn)行混凝土的力學(xué)與耐久性研究，并對偏高嶺土混凝土的作用效果與性能進(jìn)行綜述，指出偏高嶺土通過火山灰效應(yīng)優(yōu)化了水泥砂漿以及混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，并顯著降低滲透性，對于提高混凝土強度、改善混凝土抗?jié)B以及抗侵蝕能力有促進(jìn)作用。

然而從目前有關(guān)偏高嶺土混凝土的研究來看，基于現(xiàn)場長期暴露試驗環(huán)境下的偏高嶺土混凝土耐久性研究還處在起步階段，對于其在真實海洋環(huán)境下耐久性影響規(guī)律和機理的研究還比較少見。鑒于此，曾俊杰等[29]圍繞偏高嶺土混凝土在中國華南地區(qū)實際海洋環(huán)境開展了耐久性試驗研究。該試驗采用常見的一維侵蝕方式將試塊暴露在湛江海洋環(huán)境暴露試驗站，并放置在浪濺區(qū)，進(jìn)行暴露齡期為3、4、5、8、10 a的長期暴露試驗。筆者針對已暴露3 a的混凝土試件進(jìn)行取樣研究，得出采用摻量為6%的偏高嶺土可降低實際海洋浪濺區(qū)環(huán)境下混凝土中不同深度的總氯離子含量和游離氯離子含量，并顯著降低在實際海洋環(huán)境下的氯離子擴散系數(shù)。同時，偏高嶺土明顯改善了混凝土在實際海洋環(huán)境下的氯離子固化能力，且在復(fù)摻粉煤灰時效果更優(yōu)。

在未來環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求下，合理使用摻合料以及新型海洋材料成為海工混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要突破口。在節(jié)能環(huán)保的前提下，追求高質(zhì)量的海工混凝土結(jié)構(gòu)，保證其安全性、穩(wěn)定性和耐久性是當(dāng)下實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略，促進(jìn)中國海洋經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的重要一環(huán)；因此，研究新型混凝土材料在海洋暴露試驗中的應(yīng)用意義重大。

4.4.2 表面涂層材料

表面涂層技術(shù)作為防止鋼筋混凝土銹蝕的重要手段，是提高海工建筑物耐久性的一種經(jīng)濟、便捷、有效的措施?；炷帘砻嬗袡C涂層能有效防止氯離子等有害介質(zhì)滲入混凝土，為研究涂層對海工混凝土結(jié)構(gòu)的防腐效果，國內(nèi)外開展了許多基于涂層防腐技術(shù)的現(xiàn)場暴露試驗研究。

青島海灣大橋?qū)儆谥袊狈轿龊Ｑ蟓h(huán)境的典型代表，楊海成等[14]為了研究不同防腐技術(shù)在該地區(qū)中對混凝土耐久性防護能力的影響，制作了采用硅烷、聚脲等防腐技術(shù)的混凝土暴露試件，在青島海灣大橋常規(guī)暴露試驗站進(jìn)行現(xiàn)場暴露試驗，并總結(jié)了各防腐技術(shù)的優(yōu)劣。Yong等[106]通過長期現(xiàn)場暴露試驗，驗證了烷基三乙氧基硅烷以及無機防腐蝕劑亞硝酸鈣可作為混凝土防腐緩蝕劑。Moradllo等[107]將6種不同的涂層材料應(yīng)用于混凝土表面，并研究了這些涂層在波斯灣潮汐區(qū)暴露5 a的性能裂變規(guī)律。由于涂層材料也具有一定服役壽命，因此在涂層老化之前需對其重新噴涂，以確保涂層的防護效果；為此，Moradllo還提出一種評價表面涂層性能的新方法，可用于判斷涂層的劣化程度。同樣是在波斯灣，Sadati等[108]通過對暴露9、36和88個月的涂層混凝土進(jìn)行取樣與檢測，研究了不同暴露時間下5種涂層材料混凝土的表面氯離子濃度與氯離子擴散系數(shù)，最終得出在所研究的5種涂層材料中，脂肪族丙烯酸和聚氨酯是降低氯離子濃度最有效的涂料，該研究對延長波斯灣海工建筑物的耐久性具有重要意義。

透水模板布是一種新型的有機內(nèi)襯模板材料，常用作改善混凝土表面質(zhì)量、提高混凝土性能的防腐蝕附加措施。透水模板布可提高混凝土構(gòu)件內(nèi)外密實性，有效改善混凝土抗凍、抗?jié)B能力，由于其使用方便，效果明顯，目前已逐漸應(yīng)用在各種海洋環(huán)境下的海工建筑物中，如中國的青島海灣大橋[109-110]、杭州灣跨海大橋[111]、公安長江大橋[112]等。作為一種新型表面處理技術(shù)，透水模板混凝土的研究主要集中在提高混凝土外觀質(zhì)量和耐久性方面[113]，如運用抗?jié)B法、碳化法、抗收縮法等研究其劣化機理[114]；而對于現(xiàn)場暴露試驗，國內(nèi)外通過該試驗研究有關(guān)透水模板布的耐久性性能的內(nèi)容并不多見，仍缺乏采用透水模板布混凝土的現(xiàn)場暴露試驗數(shù)據(jù)。楊海成等[44]通過室內(nèi)自然浸泡試驗與26個月的現(xiàn)場暴露試驗，研究了透水模板布對混凝土抗氯離子滲透性及結(jié)構(gòu)使用年限的影響。Mccarthy等[115]將透水模板布混凝土與非透水模板布混凝土共同暴露在浪濺區(qū)與潮汐區(qū)，通過對比兩種混凝土的吸水率情況，研究透水模板布混凝土在兩個暴露區(qū)磨損下的表層性能。

5 研究熱點與趨勢

5.1 暴露試驗與微觀測試的結(jié)合

混凝土內(nèi)部的密實性以及孔隙率對其耐久性有著重要的影響，為進(jìn)一步探索各摻合料對混凝土內(nèi)部孔隙的作用與效應(yīng)，有學(xué)者通過微觀檢測手段獲取混凝土的內(nèi)部形貌，并對混凝土微觀組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，使研究結(jié)論具有微觀和宏觀意義。

范志宏等[58]通過華南地區(qū)12 a的現(xiàn)場暴露試驗，結(jié)合掃描電子顯微鏡-能譜儀(scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer，SEM-EDS)、紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)、示差掃描量熱法(thermogravimetric analysis-differential scanning calorimetry，TG-DSC)等技術(shù)，研究分析了暴露混凝土微觀產(chǎn)物的演化過程、水化產(chǎn)物的形態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)，以及對混凝土耐久性的影響機理。劉勇[116]為了研究氯離子腐蝕對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律，進(jìn)行了不同濃度氯離子溶液的浸泡試驗，并對浸泡28、56和84 d的混凝土樣品進(jìn)行了低場核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)圖像分析，該研究結(jié)果為混凝土耐久性在氯鹽侵蝕條件下的劣化規(guī)律認(rèn)識提供了一定參考。Grinon等[96]采用SEM微觀技術(shù)，對暴露180 d的樣品涂層外觀進(jìn)行微觀測試，分析了涂層表面形貌與沉積物，最終評價該類涂層對試件樣品的腐蝕影響程度。盛建松等[117]對暴露1.5 a的摻加改性輔助膠凝材料混凝土試件進(jìn)行SEM測試，得出摻加改性輔助膠凝材料能有效改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增強體系密實度與耐久性。Geiker等[55]采用X射線衍射(X ray fluorescence，XRF)光譜分析法對暴露25 a的混凝土梁試件進(jìn)行光譜分析，得出梁裂縫的效果圖，證實了氯離子侵入深度隨大氣區(qū)到水下區(qū)逐漸增大。Chen等[118]結(jié)合微觀技術(shù)建立了一個多尺度微觀數(shù)值模型，用以模擬氯離子長期侵入的過程，該模型為氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土耐久性預(yù)測提供了依據(jù)。目前，由于該類研究所在侵蝕環(huán)境多為室內(nèi)模擬環(huán)境，試驗及研究仍缺乏一定準(zhǔn)確性與代表性，因此，若采用微觀測試技術(shù)與現(xiàn)場暴露試驗相結(jié)合，耐久性試驗結(jié)果將會更直觀具體。

5.2 暴露試驗站信息化建設(shè)

面對大數(shù)據(jù)與信息化時代，數(shù)據(jù)的傳送與共享效率在一定程度上影響著行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。目前，國內(nèi)已有不少研究人員和機構(gòu)對有關(guān)混凝土耐久性的傳感器進(jìn)行研制和開發(fā)。宋曉冰等[119]研制了一種鋼筋腐蝕長期監(jiān)測傳感器，可對鋼筋進(jìn)行直接實時測量；該傳感器埋入混凝土后可定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確定氯離子等腐蝕介質(zhì)入侵侵蝕面與鋼筋的距離，并通過電極保護的方式對鋼筋進(jìn)行防腐保護。梁大開等[120]基于耐久性結(jié)構(gòu)以及光纖傳感技術(shù)發(fā)明了長周期光纖光柵傳感器，可用于檢測各種腐蝕環(huán)境下混凝土鋼筋的腐蝕程度和腐蝕速率，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測與評估方面得到了良好的應(yīng)用。湯雁冰等[121]則研制了一種可實時監(jiān)測混凝土中鋼筋銹蝕電位、氯離子濃度、pH等數(shù)據(jù)的嵌入式多功能傳感器，并已應(yīng)用于香港珠海澳門大橋。方翔等[122]發(fā)明了一種基于氯離子濃度監(jiān)測的鋼筋混凝土構(gòu)件壽命預(yù)測方法，氯離子濃度的數(shù)據(jù)獲取源自事先預(yù)埋于鋼筋混凝土內(nèi)的傳感器，通過所獲取的數(shù)據(jù)序列計算出結(jié)構(gòu)的臨界使用年限，該發(fā)明彌補了現(xiàn)有基于氯離子濃度監(jiān)測的鋼筋混凝土構(gòu)件壽命預(yù)測方法的不足。

為實現(xiàn)試驗站的信息化與智能化，將傳感器技術(shù)應(yīng)用于暴露試驗站中已成為一種發(fā)展趨勢。以杭州灣跨海大橋為例，工程已采用電極陣列傳感器進(jìn)行耐久性實時跟蹤監(jiān)測[123]。針對大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū)4個不同區(qū)域分別放置設(shè)有電極陣列的混凝土試件，并通過傳輸導(dǎo)線將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)記錄端口，最后通過無線傳輸傳遞至浙江大學(xué)與杭州灣跨海大橋監(jiān)控室。傳感器技術(shù)使得鋼筋腐蝕檢測技術(shù)研究邁上了新臺階，但在現(xiàn)場暴露試驗以及暴露試驗站的研究應(yīng)用上還有所欠缺，隨著大數(shù)據(jù)與信息智能化的發(fā)展，該領(lǐng)域或?qū)⒊蔀樾碌陌l(fā)展趨勢。

6 存在的問題與建議

6.1 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)匱乏

(1)試驗缺乏主導(dǎo)性。海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究仍主要依據(jù)室內(nèi)模擬加速試驗，以現(xiàn)場暴露試驗為主導(dǎo)的研究較少。

(2)試驗缺乏連續(xù)性。盡管中國在20世紀(jì)80年代建立了一批具有代表性的現(xiàn)場暴露試驗站，但由于經(jīng)費不足以及人員流動、地區(qū)規(guī)劃等原因?qū)е虏糠衷嚰G失，直接影響原始數(shù)據(jù)的采集。現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集需要花費大量時間、財力、人力和物力，持續(xù)性跟蹤面臨較大挑戰(zhàn)。

(3)試驗缺乏代表性。雖然各地的暴露試驗站已針對當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟓h(huán)境開展了暴露試驗，也已取得一定成果，但由于暴露時間較短，所獲數(shù)據(jù)往往不具有代表性。尤其是高性能混凝土，在其具備較強的抗侵蝕能力下，短期的試驗并不能體現(xiàn)出相應(yīng)規(guī)律[21]。

對于試驗主導(dǎo)性問題，建議現(xiàn)場暴露試驗的研究適當(dāng)增加暴露時長，以室內(nèi)加速試驗適應(yīng)暴露試驗為目標(biāo)，而不是為盡快達(dá)到試驗?zāi)康亩s短暴露時長。中國具備優(yōu)良的海工建筑物基礎(chǔ)，各類工程遍布沿海地區(qū)。針對試驗的代表性問題，可通過依托工程自身的結(jié)構(gòu)形式，建設(shè)具有地方代表性的工程配套暴露試驗平臺，開展暴露試驗，該做法既節(jié)省了成本，又不影響地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，同時解決了暴露數(shù)據(jù)缺乏代表性的問題。如中國著名的港珠澳大橋、杭州灣大橋、青島膠州跨海大橋等大型海工建筑物都建有依托暴露平臺。對于連續(xù)性數(shù)據(jù)的缺失，應(yīng)及時根據(jù)需要在暴露站安裝傳感系統(tǒng)，對海工建筑物進(jìn)行人工智能監(jiān)測，結(jié)合部分現(xiàn)場檢測可對數(shù)據(jù)保持一定連續(xù)性。

6.2 缺乏建立室內(nèi)與室外現(xiàn)場暴露試驗的相互聯(lián)系

(1)缺乏試驗持續(xù)性。許多有關(guān)耐久性研究的試驗只進(jìn)行了室內(nèi)的加速試驗，而沒有開展現(xiàn)場暴露試驗，即一旦室內(nèi)試驗結(jié)束則意味著該研究結(jié)束，并沒有體現(xiàn)混凝土受侵蝕與破壞過程的持續(xù)性。

(2)缺乏試驗相關(guān)性。室內(nèi)加速試驗與現(xiàn)場暴露試驗對混凝土材料的破壞機理不同。室內(nèi)加速試驗主要通過電場加速鋼筋混凝土的腐蝕，而現(xiàn)場暴露試驗則是通過自然的氯鹽銹蝕或者碳化所帶來的銹蝕，二者的侵蝕機理與破壞形態(tài)不同，因此在建立模型時應(yīng)充分考慮二者相關(guān)性，如在進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗時，實驗室使用的合成海水的鹽濃度必須與目標(biāo)海洋環(huán)境中實際海水的鹽濃度相似，除非使用更高的鹽濃度加速腐蝕[106]。在必要時還可引入暴露系數(shù)、環(huán)境系數(shù)、荷載系數(shù)等相關(guān)性系數(shù)。

(3)試驗結(jié)果多呈離散性。不少有關(guān)混凝土室內(nèi)與室外耐久性試驗的試驗結(jié)果具有較大離散性，不利于研究進(jìn)程的推進(jìn)。因此對于制定合理的室內(nèi)模擬方案顯得尤為重要，試驗?zāi)M參數(shù)、試驗方法、試驗裝置等條件應(yīng)進(jìn)一步完善[124]。

室內(nèi)與室外試驗相關(guān)性可通過試驗研究、數(shù)值模擬、理論分析等角度建立聯(lián)系。目前許多有關(guān)暴露試驗或耐久性試驗的研究主要從宏觀方向出發(fā)，而缺乏考慮微觀方向描述氯離子的擴散過程，因此在試驗研究時可利用微觀技術(shù)，考慮毛細(xì)孔隙度[125]、臨界孔徑[126]等微觀因素進(jìn)一步加深聯(lián)系。如今，利用數(shù)值分析方法描繪氯離子在混凝土的擴散過程已成為一種有效方法，為建立更準(zhǔn)確的室內(nèi)與室外試驗相關(guān)性的數(shù)值法分析模型，應(yīng)考慮多尺度、多因素的三維數(shù)值分析模型，使模型滿足廣泛性與實用性。

6.3 缺乏暴露試驗站的維護方案

中國大部分暴露試驗站年代久遠(yuǎn)，盡管在建站時已考慮試驗站的維護與管理，但目前還未形成統(tǒng)一的體系與方案。同時，有關(guān)暴露試驗站的建設(shè)、防腐維護的研究文獻(xiàn)年份跨度較大，在該領(lǐng)域有延續(xù)性研究的人員較少，研究容易出現(xiàn)斷層。且受到地域條件的限制，不同區(qū)域的建站方案與維護又各有異同，建站原則與維護方案的適用性也面臨挑戰(zhàn)。

7 結(jié)語與展望

總結(jié)了海工混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場暴露試驗的主要過程，包括前期暴露試驗站的建設(shè)、中期暴露試驗方案的實施以及后期暴露試驗數(shù)據(jù)的處理，對過程中涉及的方法與技術(shù)進(jìn)行了闡述。其次，還著重總結(jié)歸納了學(xué)者們?nèi)绾瓮ㄟ^暴露試驗對表面氯離子濃度和氯離子擴散系數(shù)這兩個重要耐久性參數(shù)進(jìn)行研究，并找出參數(shù)與模型的相應(yīng)規(guī)律。文末主要介紹現(xiàn)場暴露試驗研究的熱點、趨勢和存在問題，為海工混凝土現(xiàn)場暴露試驗的創(chuàng)新與發(fā)展提供一定幫助。

現(xiàn)場暴露試驗的利弊是耐久性領(lǐng)域熱議的話題，各類耐久性模型和室內(nèi)加速試驗結(jié)果的驗證離不開現(xiàn)場暴露試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗的實海環(huán)境為耐久性研究的科學(xué)性提供重要保障。但現(xiàn)場暴露試驗推廣性弱、周期長、不可控因素較多，為此，專家學(xué)者們把重點放在了室內(nèi)加速試驗與現(xiàn)場暴露試驗的相關(guān)性研究上，室內(nèi)加速試驗可以有效控制環(huán)境條件參數(shù)并縮短試驗周期，可有效彌補現(xiàn)場暴露試驗的不足。因此，如何建立一個相似性模型將二者進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)成為了現(xiàn)場暴露試驗的一個重點與難點。同時，由于混凝土構(gòu)件的劣化往往受到荷載作用與氯離子侵蝕的共同影響，因此對暴露試件荷載施加的把控也是一個值得關(guān)注的問題。除了結(jié)合室內(nèi)試驗，現(xiàn)場暴露試驗還可對實體工程取樣試驗進(jìn)行關(guān)聯(lián)，部分實體工程暴露時間長，對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計有重要作用。從混凝土的自身材料角度出發(fā)，為提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，可通過開發(fā)、引進(jìn)新型參合料代替水泥或粗細(xì)骨料，對可再生混凝土進(jìn)行現(xiàn)場暴露試驗研究，可有效解決一部分海洋資源短缺問題，提高海洋生態(tài)環(huán)境效益。

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，微觀測試技術(shù)與現(xiàn)場暴露試驗的結(jié)合成為了新的研究熱點，該技術(shù)有助于學(xué)者對氯離子傳輸過程有更深刻的理解和認(rèn)知，暴露試驗的真實性與微觀影像的直觀性使研究結(jié)果更具說服力。暴露試驗站的信息化建設(shè)對于順利開展現(xiàn)場暴露試驗起到了關(guān)鍵作用，新型傳感器的研發(fā)實現(xiàn)了暴露試驗的智能化，但該類技術(shù)在中國中小型暴露試驗站的推廣使用還有待提高。