海洋环境下混凝土耐久性室内加速试验研究方法

马张铭　叶成　鲁孟昊　曹明莉

摘 要：为缩短海洋环境下水泥混凝土结构耐久性试验周期，增强实验结构可靠性，通常采用室内加速试验方法进行该试验研究。文章较系统地评述了室内加速模拟试验方法的特点、具体分类、以及当前学界及业界开展室内加速模拟试验的情况，为进行耐久性试验设计提供参考和建议。

关键词：海洋环境；耐久性；室内试验；加速模拟

一直以来，海水或沿海大气等海洋环境对海工建筑物、构筑物的侵蚀，引发了海洋混凝土工程存在耐久性问题的广泛研究，

目前，海洋中各区域环境的侵蚀机理研究基本已趋于成熟，并普遍认为，海洋环境下氯离子侵入导致的钢筋锈蚀是海工混凝土结构耐久性问题的主要原因。国内外提出的各种理论模型与假说，为建立模拟实验体系提供了理论依据。而室内模拟加速试验，由于具有试验时间短、条件可严格控制、结果可靠性较高，可避开次要因素、关注主要因素等优点，能够缩短混凝土结构耐久性试验周期，增强可重复性，因而得以充分应用和发展。

1 室内加速实验与实际环境的相似性

室内实验试验设计的关键在于：既使模拟环境与自然环境具有相关性；又能够达到加速侵蚀的效果。

建立室内模拟环境与自然环境的相似关系，对于准确进行混凝土结构的耐久性评估和寿命预测具有重要意义。金伟良等人提出了多环境时间相似理论。它以环境相似性为试验基础，时间相似性为试验结果，可建立有效的室内与现场之间时间相似关系，进而指导实际工程设计、预测实际工程寿命。针对冻融实验的时间相似性，刘西拉等结合实测资料从疲劳损伤机制出发，建立了等效室内冻融循环次数公式，提出了预测现场混凝土冻融耐久性使用年限的方法，进行了实例验证并得到了较好的结果。

2 室内加速实验分类

室内模拟加速实验可以分为两类。一类是普通加速试验，直接依照规范或通行做法模拟海洋环境即可；另一类是为实际工程服务的、特定海域下混凝土耐久性问题的研究，需要调查该海域的自然地理条件，把握主要环境影响因素，建立可靠的相似性关系。

具体而言，室内加速实验可按照海洋腐蚀环境区域划分为以下几种类型。

2.1 海洋水下区（全浸区）

海洋全浸区的加速实验，主要通过配置高浓度人工海水来实现。美国材料与试验协会（American Society of Testing Materials）编制了人造海水成分的规范标准—ASTMD1141，提出了模拟海水的主要离子种类（Cl-、SO42-、Mg2+）及其浓度，也有学者根据各自的研究内容和需求设计人造海水成分。吴庆令等为模拟海洋水下环境和加速侵蚀速度，将试件长期浸泡于5倍浓度的人工海水中（表1），并每隔30d置换一次海水。郭范波等模拟海洋全浸环境时所配置的5倍浓度海水成分略有不同（表1）。

2.2 浪溅区、潮差区

浪溅区、潮差区的模拟常采用周期性浸泡干湿循环和周期性喷淋干湿循环。前者是将试件浸泡在置有模拟海水的试验箱中，利用水泵注水、放水，空水阶段可借助鼓风机将试件烘干，循环过程可由计算机控制。后者是将试件置于试验箱中，定期用海水喷淋。为加速腐蚀进程，常提高侵蚀溶液温度及浓度、调整循环机制或实行高温浸烘循环。

对于干湿循环机制各环节中氯离子含量、温度、相对湿度，干燥与浸泡时间、循环周期等参数的设置，目前均未有统一标准。因此，各学者的做法不尽相同。郭范波将试件每浸泡12h后取出静置12h。张玉敏采用加速腐蚀-浸烘循环，将试件分别浸泡在盐溶液和自来水中8h，再用80℃烘箱烘16h为一个循环。反复进行，每10循环测定试件的力学性质和重量损失。

2.3 海洋大气区

目前，海洋大气区对混凝土的腐蚀机理已较成熟。该区域中结构受盐雾腐蚀（主要是氯离子扩散）和碳化的共同作用。至于加速实验模拟过程中的参数设定，目前尚未有统一标准。吴庆令等制备5倍浓度的人工海水，每隔12h往混凝土表面喷盐雾一次，一天两次。每次喷洒盐雾量约为0.5L，将整个混凝土表面均匀喷湿，经计算实验中盐雾量约为实际海洋盐雾量的1.7倍。齐广政通过对碳化后混凝土进行盐雾腐蚀，研究二者共同作用下的耐久性劣化机制。保持盐雾箱恒温恒湿，盐溶液浓度为5%。试验分为三个周期（每个周期一个月）。采用间歇喷雾来加速腐蚀，喷雾12h，间歇12h，并设法计算、控制盐雾沉积量稳定。

2.4 冻融循环区

混凝土抗冻性检测方法分为快冻法和慢冻法。美、日等国采用快冻法，俄罗斯等采用慢冻法，在我国二者并存。我国水工、建工、港工、公路等部门都制定了混凝土抗冻性的试验方法规范。慢冻法周期长、工作量大、误差大，正逐步被取消。

张德思按照ASTM-C666程序A方法在全自动抗冻试验仪中进行冻融试验，以相对弹性模量作为评价指标。陈迅捷参照《水工混凝土试验规程》（SL352—2006），配制2.5wt.%氯化钠和0.5wt.%硫酸钠的盐溶液，研究二者共同作用对混凝土抗冻性的影响。

2.5 特定海域模拟（实际工程）

针对为实际工程服务的特定海域环境模拟，需要从理论研究出发，结合实际情况来确定温度、湿度、干湿时间比等实验参数。刘奇东，刘荣桂以连云港市某港口为研究对象，针对海洋干湿交替区的人工气候模拟加速试验，做了合理、有效的设计。首先从氯盐的侵蚀是海工混凝土结构破坏最主要的因素这一基本理论出发，建立了混凝土孔隙液中氯离子扩散对流方程和干湿交替环境下混凝土中氯离子传输速度模型。进而得出结论：氯离子在混凝土中的输运取决于侵蚀介质的氯盐浓度、干湿循环次数以及温度和湿度。换句话说，在模拟干湿交替区自然环境时，主要环境影响因素为氯离子浓度、温度、湿度和干湿时间比，其他环境因素可以简化、忽略，接下来是确立这些因素。针对氯离子浓度，参照该港口一年内海水盐度变化过程、Fick第二定律、国内外常用中性盐雾试验等确定试验实际采用的NaCl溶液浓度为6%。

2.6 多因素耦合

近年来，国内外均有研制开发了“人工气候模拟试验室”，该试验系统可以模拟环境温度、湿度、大气盐雾等参数，对试件实施模拟日照、海水喷淋、风干、烘干、制冷等多种作用，其模拟效果更加接近自然真实状况。

3 结语

海洋环境下混凝土耐久性问题的实验研究方法中，相对于现场暴露实验和数值模拟方法，室内加速模拟实验，室内模拟加速实验方法具有独特的优势。近年中国内外海洋环境各区域的侵蚀机理研究提出的各种理论模型与假说，为开展室内模拟加速实验设计和分析提供了更可靠的理论基础，可进一步提高其可靠性，为提高海洋环境下海工混凝土耐久性提供可靠的试验数据，并可进行更具有科学性、普适性的损伤失效和寿命预测模型等数值模拟研究。

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