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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

        2016-10-19 13:32:07馬張銘葉成魯孟昊曹明莉
        建材發(fā)展導向 2016年5期
        關(guān)鍵詞: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,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(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(nèi)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(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(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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