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      海洋環(huán)境下混凝土耐久性室內(nèi)加速試驗(yàn)研究方法

      2016-10-19 13:32:07馬張銘葉成魯孟昊曹明莉
      建材發(fā)展導(dǎo)向 2016年5期
      關(guān)鍵詞:海洋環(huán)境耐久性

      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(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)周期,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可靠性,通常采用室內(nèi)加速試驗(yàn)方法進(jìn)行該試驗(yàn)研究。文章較系統(tǒng)地評(píng)述了室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)方法的特點(diǎn)、具體分類、以及當(dāng)前學(xué)界及業(yè)界開展室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)的情況,為進(jìn)行耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考和建議。

      關(guān)鍵詞:海洋環(huán)境;耐久性;室內(nèi)試驗(yàn);加速模擬

      一直以來,海水或沿海大氣等海洋環(huán)境對(duì)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(jī)理研究基本已趨于成熟,并普遍認(rèn)為,海洋環(huán)境下氯離子侵入導(dǎo)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(shí)驗(yàn)體系提供了理論依據(jù)。而室內(nèi)模擬加速試驗(yàn),由于具有試驗(yàn)時(shí)間短、條件可嚴(yán)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(diǎn),能夠縮短混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)周期,增強(qiáng)可重復(fù)性,因而得以充分應(yīng)用和發(fā)展。

      1 室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)與實(shí)際環(huán)境的相似性

      室內(nèi)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dá)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(duì)于準(zhǔn)確進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。金偉良等人提出了多環(huán)境時(shí)間相似理論。它以環(huán)境相似性為試驗(yàn)基礎(chǔ),時(shí)間相似性為試驗(yàn)結(jié)果,可建立有效的室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)之間時(shí)間相似關(guān)系,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)實(shí)際工程壽命。針對(duì)凍融實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相似性,劉西拉等結(jié)合實(shí)測(cè)資料從疲勞損傷機(jī)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(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)混凝土凍融耐久性使用年限的方法,進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證并得到了較好的結(jié)果。

      2 室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)分類

      室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)可以分為兩類。一類是普通加速試驗(yàn),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(shí)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?xiàng)l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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),主要通過配置高濃度人工海水來實(shí)現(xiàn)。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society of Testing Materials)編制了人造海水成分的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)—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(xué)者根據(jù)各自的研究內(nèi)容和需求設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)箱中,利用水泵注水、放水,空水階段可借助鼓風(fēng)機(jī)將試件烘干,循環(huán)過程可由計(jì)算機(jī)控制。后者是將試件置于試驗(yàn)箱中,定期用海水噴淋。為加速腐蝕進(jìn)程,常提高侵蝕溶液溫度及濃度、調(diào)整循環(huán)機(jī)制或?qū)嵭懈邷亟嫜h(huán)。

      對(duì)于干濕循環(huán)機(jī)制各環(huán)節(jié)中氯離子含量、溫度、相對(duì)濕度,干燥與浸泡時(shí)間、循環(huán)周期等參數(shù)的設(shè)置,目前均未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此,各學(xué)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(gè)循環(huán)。反復(fù)進(jìn)行,每10循環(huán)測(cè)定試件的力學(xué)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(duì)混凝土的腐蝕機(jī)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(kuò)散)和碳化的共同作用。至于加速實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中的參數(shù)設(shè)定,目前尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)混凝土表面均勻噴濕,經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中鹽霧量約為實(shí)際海洋鹽霧量的1.7倍。齊廣政通過對(duì)碳化后混凝土進(jìn)行鹽霧腐蝕,研究二者共同作用下的耐久性劣化機(jī)制。保持鹽霧箱恒溫恒濕,鹽溶液濃度為5%。試驗(yàn)分為三個(gè)周期(每個(gè)周期一個(gè)月)。采用間歇噴霧來加速腐蝕,噴霧12h,間歇12h,并設(shè)法計(jì)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(cè)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(yàn)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(dòng)抗凍試驗(yàn)儀中進(jìn)行凍融試驗(yàn),以相對(duì)彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳迅捷參照《水工混凝土試驗(yàn)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(duì)混凝土抗凍性的影響。

      2.5 特定海域模擬(實(shí)際工程)

      針對(duì)為實(shí)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(shí)際情況來確定溫度、濕度、干濕時(shí)間比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。劉奇東,劉榮桂以連云港市某港口為研究對(duì)象,針對(duì)海洋干濕交替區(qū)的人工氣候模擬加速試驗(yàn),做了合理、有效的設(shè)計(jì)。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(kuò)散對(duì)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(jìn)而得出結(jié)論:氯離子在混凝土中的輸運(yùn)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(shí),主要環(huán)境影響因素為氯離子濃度、溫度、濕度和干濕時(shí)間比,其他環(huán)境因素可以簡(jiǎn)化、忽略,接下來是確立這些因素。針對(duì)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(yàn)等確定試驗(yàn)實(shí)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(yàn)室”,該試驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬環(huán)境溫度、濕度、大氣鹽霧等參數(shù),對(duì)試件實(shí)施模擬日照、海水噴淋、風(fēng)干、烘干、制冷等多種作用,其模擬效果更加接近自然真實(shí)狀況。

      3 結(jié)語

      海洋環(huán)境下混凝土耐久性問題的實(shí)驗(yàn)研究方法中,相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)暴露實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,室內(nèi)加速模擬實(shí)驗(yàn),室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年中國內(nèi)外海洋環(huán)境各區(qū)域的侵蝕機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析提供了更可靠的理論基礎(chǔ),可進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù),并可進(jìn)行更具有科學(xué)性、普適性的損傷失效和壽命預(yù)測(cè)模型等數(shù)值模擬研究。

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