人工氣候模擬海洋大氣鹽霧區的加速試驗設計

楊翔 費恒濤 李姿揚 董慶華 杜云 姜慧 李雁

摘 要：在海洋大氣鹽霧環境下，氯離子侵蝕是混凝土結構耐久性退化的主要原因。為了解決該環境下混凝土結構耐久性試驗的相似性問題，以海洋環境中混凝土受氯鹽侵蝕的實際工程為背景，在簡述鹽霧侵蝕機理的基礎上，分析了大氣鹽霧區的現場環境參數（鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度和干濕時間比等）。通過對現場環境參數的模擬和改變來提高氯鹽侵蝕速度以制定加速試驗方案。

關鍵詞：海洋環境 大氣鹽霧 混凝土結構 人工模擬 相似性

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0235-02

目前，許多混凝土結構處于海洋環境中并承受鹽霧作用。鹽霧是由大氣中含鹽微小液滴所構成的，其中的氯離子侵蝕會破壞鋼筋表面的鈍化膜，進而引起鋼筋的銹蝕，降低混凝土結構的承載能力和使用性能，影響結構的耐久性。如何選擇合適的試驗方法來研究該環境中混凝土結構的侵蝕規律是十分重要的。而人工氣候模擬加速試驗方法是通過多功能氣候試驗室人為地控制某一種或幾種因素來模擬自然氣候環境使試件耐久性能退化的一種試驗方法。該試驗方法具有試驗周期短、試驗條件控制嚴格、重現性好、成本和復雜程度低、結果可靠性較高等優點[1]。同時，金偉良[2]等人提出的多重環境時間相似理論為研究該環境下混凝土結構耐久性的試驗方法奠定了理論基礎。該文以連云港某港口為例對海洋大氣鹽霧區的侵蝕機理與環境影響參數進行分析，提出一種有效的模擬現場環境的加速試驗方案來研究混凝土結構的耐久性能。

1 鹽霧侵蝕機理

自然界的鹽霧是強電解質，其中NaCl占電解質的77.8%，導電能力較強，能加速電極反應使陽極活化，加快腐蝕速度。

鹽霧的腐蝕是以電化學方式進行的，其機理是基于原電池腐蝕，腐蝕過程如下：陽極過程腐蝕電池中電位較負的金屬為陽極，發生氧化反應。陽極溶解過程由以下幾個連續步驟組成。

（1）金屬原子離開晶格轉變為表面吸附原子：Me晶格→Me吸附。

（2）電位差導致金屬氧化，其反應為Me→Men+→ne-。放出等量的電子。由此形成的金屬離子既可溶液到電解液中，也可以與侵襲介質中的成分發生反應后淀析于金屬上。

（3）陽極過程可持續到它所生成的電子被陰極耗盡為止。陰極發生反應：O2+2H2O +4e→4OH-，在中性或堿性介質中被還原成羥基離子。羥基離子又可與金屬離子發生反應，而在酸性介質中氫離子通過形成游離氫得到還原，氫則作為氣體逸出。

（4）在電解液中，氯化鈉離解成為鈉離子和氯離子，部分氯離子、金屬離子和氫氧根離子反應生成金屬腐蝕物：2nMe++ 2nCl+2nOH→nMeCl+nMe（OH）。

2 影響氯離子侵蝕的鹽霧環境因素

2.1 鹽霧沉降率的影響

鹽霧沉降率是指單位時間內在單位面積上的鹽霧沉降量，它受鹽霧含量的影響，是一個非常重要的參數。研究表明：空氣中的鹽霧含量越高，則鹽霧沉降率增大，腐蝕速度加快[3]。

2.2 霧粒直徑的影響

霧粒直徑越小，所形成的表面積越大，被吸附的氧量越多，腐蝕性也越強。研究成果表明：直徑1μm的鹽霧顆粒表面所吸附的氧量與內部溶解的氧量是相對平衡的。鹽霧顆粒再小，所吸附的氧量也不在增加。

2.3 溫度和濕度的影響

在清潔的空氣中，材料腐蝕與溫度，相對濕度的關系可以用下面的公式來表示：

（1）

式中A為大氣腐蝕度；ψ為相對濕度（RH）；t為溫度（℃）

從式（1）中可以看出，相對濕度大于等于65%RH，材料容易腐蝕，并且隨著溫度和濕度的增加而增加。

2.4 干濕時間比的影響

混凝土曝露于大氣鹽霧區中，位于該區域的溶液是非飽和狀態。該狀態下的氯離子是在混凝土構件表層風干，再接觸到海水時，靠混凝土毛細管吸收作用而侵入的。風干時水分向外遷移，而鹽分則向內遷移；被海水潤濕時，鹽分以溶液的形式帶進混凝土的毛細管孔隙中。鹽分向內遷移的程度取決于風干與潤濕交替期的長短。一般認為風干的時間越長再接觸海水后能夠更多更深入地帶進氯化物。

3 鹽霧環境因素的人工模擬

連云港某港口的建筑物在大氣鹽霧區受到的侵蝕包括表層毛細作用和內部擴散作用，主要環境影響因素為鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度、干濕時間。設計人工氣候模擬試驗時以自然環境下的參數變化規律為依據進行模擬，為該港口的人工氣候加速環境設計提供依據。

人工氣候模擬加速試驗的關鍵在于：一方面要達到模擬環境與自然環境具有相關性的效果；另一方面要達到加速氯離子侵蝕的效果。由于人工氣候模擬試驗方法具有試驗時間短、試驗條件可以嚴格控制、試驗結果的可靠性較高等優點[4]。因此，該文根據該港口的氣候環境特點提出一種有效的人工氣候模擬試驗方案來研究該環境下海工混凝土結構的耐久性能退化規律。

3.1 鹽霧沉降率模擬

在選定鹽霧沉降率時，以本海域自然沉降量為基礎，并且考慮加速作用，進行理論修正來確定。將一個直徑為10 cm的漏斗固定在一個50 mL的量筒上放置試驗箱中，連續噴霧12 h后讀取量筒內鹽霧沉降量的體積，通過式（2）計算出鹽霧沉降率。

（2）

式中G為鹽霧沉降率，mL/（8cm2·h）；V為鹽霧沉降量，mL/80cm2；t為連續噴霧時間，h。

連續噴霧12 h要求的鹽霧量為（12～24） mL/（80cm2），所以鹽霧量沉降率為（1.0～2.0 mL/80（cm2·h）。

3.2 霧粒直徑模擬

霧粒直徑的大小影響腐蝕速度，該海域的鹽霧直徑較小，大都在2μm以下，有90%以上小于5μm。將一塊20×50 cm的薄玻璃片放在玻璃培養皿中加蓋，放置于箱內測試位置上，待連續噴霧5 min后，取掉培養皿蓋子，讓鹽霧在玻璃片上沉降30 s，再加上蓋子，并取出箱外，在300～1000倍顯微鏡下測出玻璃片上固定位置內霧粒的直徑，并統計百分率。這樣得出霧粒直徑在1～5μm內占85%以上。

3.3 溫度模擬

環境溫度升高，混凝土中氯離子的活動加劇，從而氯離子在混凝土中的擴散速度提高。該港口年氣溫如圖1所示。

為了方便試驗操作，該文將每月氣溫平均值劃分成幾個月氣溫平均值，如圖2所示。Nernst-Einstein方程給出了混凝土氯離子擴散系數與溫度之間的關系：

（3）

式中：DCL、D0分別為溫度θ、θ0時的氯離子擴散系數；q為活化能系數；與水灰比有關，當水灰質量比為0.4時，q=6000 K；當水灰質量比為0.5時，q=5450 K；當水灰質量比為0.6時，q=3850 K。式（3）為提高溫度加速氯離子侵蝕提供了理論依據。通過式（3）可以推導出不同溫度下擴散系數的比值，如下式：

（4）

式中：x為擴散系數的提高倍數。

從上式中能夠得出，當x較大時，室內加速試驗溫度較高，計算得出設計試驗方案時升高溫度使氯離子擴散系數提高到現場環境下的4倍比較合理。結合該港口月氣溫平均值分別計算室內加速試驗的溫度，結果如表1。

3.4 濕度模擬

水是氯離子在混凝土中擴散的前提條件。相對濕度越高，混凝土中的氯離子傳輸越快。Bazant和Najjar提出了一個模型用來計算相對濕度的影響系數：

（5）

式中：為臨界相對濕度，一般取=75%。

在混凝土內部和接觸外界的表層之間，相對濕度是漸變而又連續的，但經過一定時間內部混凝土相對濕度能達到一個穩定值，該值介于空氣相對濕度和飽水狀態濕度之間。假設構件內部混凝土相對濕度為90%，其相對濕度影響系數為0.98。若構件與海水接觸時間較長，則相對濕度對擴散的影響可以忽略，若構件風干時間較長，則要考慮相對濕度對擴散的影響。因此，該試驗可以忽略濕度的影響。

3.5 干濕時間比例模擬

該海域的大氣區是“濕潤-干燥”的循環過程。為了能更好地模擬大氣環境和加速腐蝕，真實地再現自然環境下大氣區風干和潤濕交替循環過程，試驗每24 h一個循環過程，間斷噴霧，噴霧時間與干燥時間的比例為1∶1。

4 海洋大氣鹽霧區人工模擬加速試驗的設計

對該港口大氣鹽霧區人工模擬加速試驗設計時，鹽霧沉降率為（1.0～2.0）mL/80（cm2·h），霧粒直徑在1～5μm內的占85%以上，溫度采用之前模擬所得出的室內加速試驗的溫度。噴霧時間與干燥時間的比例為1∶1，一個循環過程是24 h，每噴霧12 h后在溫度不變的情況下干燥12 h。整個試驗過程是在多功能氣候實驗室中進行，模擬過程中的參數如表2所示。

5 結語

該文介紹了連云港某港口大氣鹽霧區的人工氣候模擬加速試驗方案，得出以下結論。

（1）該區的鹽霧腐蝕是以電化學方式進行的，其機理是基于原電池腐蝕。

（2）在該試驗中主要考慮的環境影響因素有：鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度及干濕時間比例。

（3）鹽霧區的結構物絕大部分時間都受到氣溫影響，可以直接模擬氣溫的變化規律。

（4）由于大氣鹽霧區的構件長期受到鹽霧作用，該文忽略濕度對其的影響。

（5）該實驗將“濕潤-干燥”的循環過程考慮進來，能夠真實再現自然環境下的干濕循環過程。

（6）該文設計的人工氣候模擬實驗方案能夠有效的模擬該港口大氣區主要因素的變化，與自然環境具有一定的相似性，為以后海洋環境的人工氣候模擬加速試驗設計提供了借鑒。

參考文獻

[1] 王建東，張俊芝，魯列，等.多功能氣候試驗室模擬效果研究[J].實驗技術與管理，2011，28（4）：42-45.

[2] 金偉良.氯鹽環境下混凝土結構耐久性理論與設計方法[M].北京：科學出版社，2011：1-114.

[3] 王麗.鹽霧試驗參數確定的理論依據淺析[J].環境技術，1998，16（1）：14-18.