人工气候模拟海洋大气盐雾区的加速试验设计

杨翔 费恒涛 李姿扬 董庆华 杜云 姜慧 李雁

摘 要：在海洋大气盐雾环境下，氯离子侵蚀是混凝土结构耐久性退化的主要原因。为了解决该环境下混凝土结构耐久性试验的相似性问题，以海洋环境中混凝土受氯盐侵蚀的实际工程为背景，在简述盐雾侵蚀机理的基础上，分析了大气盐雾区的现场环境参数（盐雾沉降率、雾粒直径、温度、湿度和干湿时间比等）。通过对现场环境参数的模拟和改变来提高氯盐侵蚀速度以制定加速试验方案。

关键词：海洋环境 大气盐雾 混凝土结构 人工模拟 相似性

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0235-02

目前，许多混凝土结构处于海洋环境中并承受盐雾作用。盐雾是由大气中含盐微小液滴所构成的，其中的氯离子侵蚀会破坏钢筋表面的钝化膜，进而引起钢筋的锈蚀，降低混凝土结构的承载能力和使用性能，影响结构的耐久性。如何选择合适的试验方法来研究该环境中混凝土结构的侵蚀规律是十分重要的。而人工气候模拟加速试验方法是通过多功能气候试验室人为地控制某一种或几种因素来模拟自然气候环境使试件耐久性能退化的一种试验方法。该试验方法具有试验周期短、试验条件控制严格、重现性好、成本和复杂程度低、结果可靠性较高等优点[1]。同时，金伟良[2]等人提出的多重环境时间相似理论为研究该环境下混凝土结构耐久性的试验方法奠定了理论基础。该文以连云港某港口为例对海洋大气盐雾区的侵蚀机理与环境影响参数进行分析，提出一种有效的模拟现场环境的加速试验方案来研究混凝土结构的耐久性能。

1 盐雾侵蚀机理

自然界的盐雾是强电解质，其中NaCl占电解质的77.8%，导电能力较强，能加速电极反应使阳极活化，加快腐蚀速度。

盐雾的腐蚀是以电化学方式进行的，其机理是基于原电池腐蚀，腐蚀过程如下：阳极过程腐蚀电池中电位较负的金属为阳极，发生氧化反应。阳极溶解过程由以下几个连续步骤组成。

（1）金属原子离开晶格转变为表面吸附原子：Me晶格→Me吸附。

（2）电位差导致金属氧化，其反应为Me→Men+→ne-。放出等量的电子。由此形成的金属离子既可溶液到电解液中，也可以与侵袭介质中的成分发生反应后淀析于金属上。

（3）阳极过程可持续到它所生成的电子被阴极耗尽为止。阴极发生反应：O2+2H2O +4e→4OH-，在中性或碱性介质中被还原成羟基离子。羟基离子又可与金属离子发生反应，而在酸性介质中氢离子通过形成游离氢得到还原，氢则作为气体逸出。

（4）在电解液中，氯化钠离解成为钠离子和氯离子，部分氯离子、金属离子和氢氧根离子反应生成金属腐蚀物：2nMe++ 2nCl+2nOH→nMeCl+nMe（OH）。

2 影响氯离子侵蚀的盐雾环境因素

2.1 盐雾沉降率的影响

盐雾沉降率是指单位时间内在单位面积上的盐雾沉降量，它受盐雾含量的影响，是一个非常重要的参数。研究表明：空气中的盐雾含量越高，则盐雾沉降率增大，腐蚀速度加快[3]。

2.2 雾粒直径的影响

雾粒直径越小，所形成的表面积越大，被吸附的氧量越多，腐蚀性也越强。研究成果表明：直径1μm的盐雾颗粒表面所吸附的氧量与内部溶解的氧量是相对平衡的。盐雾颗粒再小，所吸附的氧量也不在增加。

2.3 温度和湿度的影响

在清洁的空气中，材料腐蚀与温度，相对湿度的关系可以用下面的公式来表示：

（1）

式中A为大气腐蚀度；ψ为相对湿度（RH）；t为温度（℃）

从式（1）中可以看出，相对湿度大于等于65%RH，材料容易腐蚀，并且随着温度和湿度的增加而增加。

2.4 干湿时间比的影响

混凝土曝露于大气盐雾区中，位于该区域的溶液是非饱和状态。该状态下的氯离子是在混凝土构件表层风干，再接触到海水时，靠混凝土毛细管吸收作用而侵入的。风干时水分向外迁移，而盐分则向内迁移；被海水润湿时，盐分以溶液的形式带进混凝土的毛细管孔隙中。盐分向内迁移的程度取决于风干与润湿交替期的长短。一般认为风干的时间越长再接触海水后能够更多更深入地带进氯化物。

3 盐雾环境因素的人工模拟

连云港某港口的建筑物在大气盐雾区受到的侵蚀包括表层毛细作用和内部扩散作用，主要环境影响因素为盐雾沉降率、雾粒直径、温度、湿度、干湿时间。设计人工气候模拟试验时以自然环境下的参数变化规律为依据进行模拟，为该港口的人工气候加速环境设计提供依据。

人工气候模拟加速试验的关键在于：一方面要达到模拟环境与自然环境具有相关性的效果；另一方面要达到加速氯离子侵蚀的效果。由于人工气候模拟试验方法具有试验时间短、试验条件可以严格控制、试验结果的可靠性较高等优点[4]。因此，该文根据该港口的气候环境特点提出一种有效的人工气候模拟试验方案来研究该环境下海工混凝土结构的耐久性能退化规律。

3.1 盐雾沉降率模拟

在选定盐雾沉降率时，以本海域自然沉降量为基础，并且考虑加速作用，进行理论修正来确定。将一个直径为10 cm的漏斗固定在一个50 mL的量筒上放置试验箱中，连续喷雾12 h后读取量筒内盐雾沉降量的体积，通过式（2）计算出盐雾沉降率。

（2）

式中G为盐雾沉降率，mL/（8cm2·h）；V为盐雾沉降量，mL/80cm2；t为连续喷雾时间，h。

连续喷雾12 h要求的盐雾量为（12～24） mL/（80cm2），所以盐雾量沉降率为（1.0～2.0 mL/80（cm2·h）。

3.2 雾粒直径模拟

雾粒直径的大小影响腐蚀速度，该海域的盐雾直径较小，大都在2μm以下，有90%以上小于5μm。将一块20×50 cm的薄玻璃片放在玻璃培养皿中加盖，放置于箱内测试位置上，待连续喷雾5 min后，取掉培养皿盖子，让盐雾在玻璃片上沉降30 s，再加上盖子，并取出箱外，在300～1000倍显微镜下测出玻璃片上固定位置内雾粒的直径，并统计百分率。这样得出雾粒直径在1～5μm内占85%以上。

3.3 温度模拟

环境温度升高，混凝土中氯离子的活动加剧，从而氯离子在混凝土中的扩散速度提高。该港口年气温如图1所示。

为了方便试验操作，该文将每月气温平均值划分成几个月气温平均值，如图2所示。Nernst-Einstein方程给出了混凝土氯离子扩散系数与温度之间的关系：

（3）

式中：DCL、D0分别为温度θ、θ0时的氯离子扩散系数；q为活化能系数；与水灰比有关，当水灰质量比为0.4时，q=6000 K；当水灰质量比为0.5时，q=5450 K；当水灰质量比为0.6时，q=3850 K。式（3）为提高温度加速氯离子侵蚀提供了理论依据。通过式（3）可以推导出不同温度下扩散系数的比值，如下式：

（4）

式中：x为扩散系数的提高倍数。

从上式中能够得出，当x较大时，室内加速试验温度较高，计算得出设计试验方案时升高温度使氯离子扩散系数提高到现场环境下的4倍比较合理。结合该港口月气温平均值分别计算室内加速试验的温度，结果如表1。

3.4 湿度模拟

水是氯离子在混凝土中扩散的前提条件。相对湿度越高，混凝土中的氯离子传输越快。Bazant和Najjar提出了一个模型用来计算相对湿度的影响系数：

（5）

式中：为临界相对湿度，一般取=75%。

在混凝土内部和接触外界的表层之间，相对湿度是渐变而又连续的，但经过一定时间内部混凝土相对湿度能达到一个稳定值，该值介于空气相对湿度和饱水状态湿度之间。假设构件内部混凝土相对湿度为90%，其相对湿度影响系数为0.98。若构件与海水接触时间较长，则相对湿度对扩散的影响可以忽略，若构件风干时间较长，则要考虑相对湿度对扩散的影响。因此，该试验可以忽略湿度的影响。

3.5 干湿时间比例模拟

该海域的大气区是“湿润-干燥”的循环过程。为了能更好地模拟大气环境和加速腐蚀，真实地再现自然环境下大气区风干和润湿交替循环过程，试验每24 h一个循环过程，间断喷雾，喷雾时间与干燥时间的比例为1∶1。

4 海洋大气盐雾区人工模拟加速试验的设计

对该港口大气盐雾区人工模拟加速试验设计时，盐雾沉降率为（1.0～2.0）mL/80（cm2·h），雾粒直径在1～5μm内的占85%以上，温度采用之前模拟所得出的室内加速试验的温度。喷雾时间与干燥时间的比例为1∶1，一个循环过程是24 h，每喷雾12 h后在温度不变的情况下干燥12 h。整个试验过程是在多功能气候实验室中进行，模拟过程中的参数如表2所示。

5 结语

该文介绍了连云港某港口大气盐雾区的人工气候模拟加速试验方案，得出以下结论。

（1）该区的盐雾腐蚀是以电化学方式进行的，其机理是基于原电池腐蚀。

（2）在该试验中主要考虑的环境影响因素有：盐雾沉降率、雾粒直径、温度、湿度及干湿时间比例。

（3）盐雾区的结构物绝大部分时间都受到气温影响，可以直接模拟气温的变化规律。

（4）由于大气盐雾区的构件长期受到盐雾作用，该文忽略湿度对其的影响。

（5）该实验将“湿润-干燥”的循环过程考虑进来，能够真实再现自然环境下的干湿循环过程。

（6）该文设计的人工气候模拟实验方案能够有效的模拟该港口大气区主要因素的变化，与自然环境具有一定的相似性，为以后海洋环境的人工气候模拟加速试验设计提供了借鉴。

参考文献

[1] 王建东，张俊芝，鲁列，等.多功能气候试验室模拟效果研究[J].实验技术与管理，2011，28（4）：42-45.

[2] 金伟良.氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法[M].北京：科学出版社，2011：1-114.

[3] 王丽.盐雾试验参数确定的理论依据浅析[J].环境技术，1998，16（1）：14-18.