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海洋環(huán)境下混凝土耐久性室內(nèi)加速試驗研究方法論文
摘要：為縮短海洋環(huán)境下水泥混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗周期，增強實驗結(jié)構(gòu)可靠性，通常采用室內(nèi)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(nèi)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(nèi)加速模擬試驗的情況，為進行耐久性試驗設(shè)計提供參考和建議。
關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；耐久性；室內(nèi)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(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(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，為建立模擬實驗體系提供了理論依據(jù)。而室內(nèi)模擬加速試驗，由于具有試驗時間短、條件可嚴格控制、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，能夠縮短混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗周期，增強可重復性，因而得以充分應(yīng)用和發(fā)展。
1室內(nèi)加速實驗與實際環(huán)境的相似性
室內(nèi)實驗試驗設(shè)計的關(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，對于準確進行混凝土結(jié)構(gòu)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(chǔ)，時間相似性為試驗結(jié)果，可建立有效的室內(nèi)與現(xiàn)場之間時間相似關(guān)系，進而指導實際工程設(shè)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(jié)合實測資料從疲勞損傷機制出發(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(jié)果。
2室內(nèi)加速實驗分類
室內(nèi)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(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條件，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（AmericanSocietyofTestingMaterials）編制了人造海水成分的規(guī)范標準，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(nèi)容和需求設(shè)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(diào)整循環(huán)機制或?qū)嵭懈邷亟嫜h(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(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(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(shè)計。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(jié)論：氯離子在混凝土中的輸運取決于侵蝕介質(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，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(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(nèi)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(jié)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(nèi)加速模擬實驗，室內(nèi)模擬加速實驗方法具有獨特的優(yōu)勢。近年中國內(nèi)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(nèi)模擬加速實驗設(shè)計和分析提供了更可靠的理論基礎(chǔ)，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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