海洋環(huán)境下混凝土耐久性室內加速試驗研究方法

馬張銘　葉成　魯孟昊　曹明莉

摘 要：為縮短海洋環(huán)境下水泥混凝土結構耐久性試驗周期，增強實驗結構可靠性，通常采用室內加速試驗方法進行該試驗研究。文章較系統(tǒng)地評述了室內加速模擬試驗方法的特點、具體分類、以及當前學界及業(yè)界開展室內加速模擬試驗的情況，為進行耐久性試驗設計提供參考和建議。

關鍵詞：海洋環(huán)境；耐久性；室內試驗；加速模擬

一直以來，海水或沿海大氣等海洋環(huán)境對海工建筑物、構筑物的侵蝕，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)境的侵蝕機理研究基本已趨于成熟，并普遍認為，海洋環(huán)境下氯離子侵入導致的鋼筋銹蝕是海工混凝土結構耐久性問題的主要原因。國內外提出的各種理論模型與假說，為建立模擬實驗體系提供了理論依據(jù)。而室內模擬加速試驗，由于具有試驗時間短、條件可嚴格控制、結果可靠性較高，可避開次要因素、關注主要因素等優(yōu)點，能夠縮短混凝土結構耐久性試驗周期，增強可重復性，因而得以充分應用和發(fā)展。

1 室內加速實驗與實際環(huán)境的相似性

室內實驗試驗設計的關鍵在于：既使模擬環(huán)境與自然環(huán)境具有相關性；又能夠達到加速侵蝕的效果。

建立室內模擬環(huán)境與自然環(huán)境的相似關系，對于準確進行混凝土結構的耐久性評估和壽命預測具有重要意義。金偉良等人提出了多環(huán)境時間相似理論。它以環(huán)境相似性為試驗基礎，時間相似性為試驗結果，可建立有效的室內與現(xiàn)場之間時間相似關系，進而指導實際工程設計、預測實際工程壽命。針對凍融實驗的時間相似性，劉西拉等結合實測資料從疲勞損傷機制出發(fā)，建立了等效室內凍融循環(huán)次數(shù)公式，提出了預測現(xiàn)場混凝土凍融耐久性使用年限的方法，進行了實例驗證并得到了較好的結果。

2 室內加速實驗分類

室內模擬加速實驗可以分為兩類。一類是普通加速試驗，直接依照規(guī)范或通行做法模擬海洋環(huán)境即可；另一類是為實際工程服務的、特定海域下混凝土耐久性問題的研究，需要調查該海域的自然地理條件，把握主要環(huán)境影響因素，建立可靠的相似性關系。

具體而言，室內加速實驗可按照海洋腐蝕環(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)的加速實驗，主要通過配置高濃度人工海水來實現(xiàn)。美國材料與試驗協(xié)會（American Society of Testing Materials）編制了人造海水成分的規(guī)范標準—ASTMD1141，提出了模擬海水的主要離子種類（Cl-、SO42-、Mg2+）及其濃度，也有學者根據(jù)各自的研究內容和需求設計人造海水成分。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箱中，利用水泵注水、放水，空水階段可借助鼓風機將試件烘干，循環(huán)過程可由計算機控制。后者是將試件置于試驗箱中，定期用海水噴淋。為加速腐蝕進程，常提高侵蝕溶液溫度及濃度、調整循環(huán)機制或實行高溫浸烘循環(huán)。

對于干濕循環(huán)機制各環(huán)節(jié)中氯離子含量、溫度、相對濕度，干燥與浸泡時間、循環(huán)周期等參數(shù)的設置，目前均未有統(tǒng)一標準。因此，各學者的做法不盡相同。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為一個循環(huán)。反復進行，每10循環(huán)測定試件的力學性質和重量損失。

2.3 海洋大氣區(qū)

目前，海洋大氣區(qū)對混凝土的腐蝕機理已較成熟。該區(qū)域中結構受鹽霧腐蝕（主要是氯離子擴散）和碳化的共同作用。至于加速實驗模擬過程中的參數(shù)設定，目前尚未有統(tǒng)一標準。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，將整個混凝土表面均勻噴濕，經(jīng)計算實驗中鹽霧量約為實際海洋鹽霧量的1.7倍。齊廣政通過對碳化后混凝土進行鹽霧腐蝕，研究二者共同作用下的耐久性劣化機制。保持鹽霧箱恒溫恒濕，鹽溶液濃度為5%。試驗分為三個周期（每個周期一個月）。采用間歇噴霧來加速腐蝕，噴霧12h，間歇12h，并設法計算、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方法在全自動抗凍試驗儀中進行凍融試驗，以相對彈性模量作為評價指標。陳迅捷參照《水工混凝土試驗規(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混凝土抗凍性的影響。

2.5 特定海域模擬（實際工程）

針對為實際工程服務的特定海域環(huán)境模擬，需要從理論研究出發(fā)，結合實際情況來確定溫度、濕度、干濕時間比等實驗參數(shù)。劉奇東，劉榮桂以連云港市某港口為研究對象，針對海洋干濕交替區(qū)的人工氣候模擬加速試驗，做了合理、有效的設計。首先從氯鹽的侵蝕是海工混凝土結構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散對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。進而得出結論：氯離子在混凝土中的輸運取決于侵蝕介質的氯鹽濃度、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，主要環(huán)境影響因素為氯離子濃度、溫度、濕度和干濕時間比，其他環(huán)境因素可以簡化、忽略，接下來是確立這些因素。針對氯離子濃度，參照該港口一年內海水鹽度變化過程、Fick第二定律、國內外常用中性鹽霧試驗等確定試驗實際采用的NaCl溶液濃度為6%。

2.6 多因素耦合

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

3 結語

海洋環(huán)境下混凝土耐久性問題的實驗研究方法中，相對于現(xiàn)場暴露實驗和數(shù)值模擬方法，室內加速模擬實驗，室內模擬加速實驗方法具有獨特的優(yōu)勢。近年中國內外海洋環(huán)境各區(qū)域的侵蝕機理研究提出的各種理論模型與假說，為開展室內模擬加速實驗設計和分析提供了更可靠的理論基礎，可進一步提高其可靠性，為提高海洋環(huán)境下海工混凝土耐久性提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，并可進行更具有科學性、普適性的損傷失效和壽命預測模型等數(shù)值模擬研究。

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