洞库混凝土结构冷凝结露机理与耐久性对策

张志鹏,彭奕扬,方小爱,陈琦,干伟忠

（1.宁波工程学院 建筑与交通工程学院,浙江 宁波 315211；2.上海大学 力学与工程科学学院,上海 200444）

0 引言

人类社会对地下空间的开发和利用源远流长。19世纪以来,战争从冷兵器时代转入到热兵器、机械化时代,杀伤力、破坏力激增。二战期间,各战区地表建筑物几乎都被破环,唯有地下建筑物保存完好,战后许多国家和地区都纷纷开始地下国防工程的研究和建设[1]。冷战期间,核武器更是给人们的生命安全带来了空前的威胁。人防洞库作为现代战争最有效的防御体系之一,深埋地下或山体之中,具有优良的隐蔽性、防护性和稳定性,从而备受各国的重视。

影响洞库正常使用的主要问题有混凝土结构开裂渗漏、钢筋腐蚀、保护层脱落、洞内空气高湿等,其中库室洞壁冷凝结露是造成结构劣化和功能下降的重要原因,然目前鲜有关于洞壁冷凝结露造成结构劣化的研究。本文主要分析了潮湿及冷凝结露导致混凝土结构腐蚀的现象和原因,并针对性提出服役期合理提升洞库混凝土结构耐久性的建议。

1 洞库混凝土结构劣化与冷凝结露

1.1 洞库混凝土结构劣化分析

水分的存在是混凝土结构产生腐蚀,如氯离子侵蚀、硫酸盐腐蚀、碱-集料反应、生物侵蚀等的必要条件。洞库混凝土结构处于潮湿的地下环境,富含水分,极易促成各种腐蚀反应的发生与发展。

当混凝土中含有较多的C3A以及充足的水分、适宜的温度、一定的渗透性和一定浓度的SO2-4时,此时硫酸盐腐蚀较容易发生,主要生成钙矾石造成混凝土膨胀和开裂[2]:

当混凝土骨料中存在较多活性物质,以及为碱性、潮湿环境时,混凝土内部可诱发碱-集料反应,主要有碱-硅酸反应和碱-碳酸反应,生成Na(K)·Si·H凝胶和Mg(OH)2吸水膨胀,导致混凝土开裂:

海洋环境空气(盐雾)中富含氯离子,潮湿空气携带大量氯离子扩散至结构内部：

式中f3（H）为环境湿度对氯离子扩散的影响系数，H为当前环境的相对湿度，Hc为孔隙相对湿度。由于掺入或者环境中渗入的氯离子,则会加速混凝土中钢筋的锈蚀,致使保护层胀裂：

有时,由于环境因素变化，混凝土也会处于干湿交替状态，此时混凝土外部环境或者结构内部处于干燥和潮湿状态的循环，既为钢筋的电化学腐蚀提供了必要的水环境，又提供充裕的氧气以及降低混凝土的电阻率，大大加速了钢筋的锈蚀速率和腐蚀面积：

另外，干湿循环作用下，NaSO4·10H2O结晶现象更加明显，混凝土受到钙矾石、石膏膨胀产物以及NaSO4·10H2O结晶压力损伤的双重侵蚀，结构劣化加速明显[3]；又由于地下混凝土工程所处的环境相对潮湿、温度适宜、富含矿物质离子，所以生物侵蚀尤其是微生物侵蚀普遍存在。

1.2 冷凝结露机理分析

如1.1所述,水在混凝土结构的腐蚀劣化过程中扮演了重要角色。工程的渗水漏水，大都较容易避免，但空气中的湿气遇冷的凝结水却难以控制。冷凝主要是空气的水蒸气遇冷放热凝结，温度越低冷凝越快。结露现象是指空气的含湿量一定时，固体表面温度低于结露点温度时形成的露水。

ROC曲线分析显示，CURB评分≥3分、PCT-4＞1.33 ng/mL结合△PCT＞0.09 ng/mL预测老年SCAP 28 d死亡的效能高于单一指标，AUC为0.856，灵敏度为 84.6%，特异性为91.5%，约登指数为 0.761。见表4。

温度是描述物体冷热程度的物理量。干球温度是指暴露于空气中而又不受太阳直接照射的干球温度表上所读取的数值，它是温度计在普通空气中所测出的温度；湿球温度是指在绝热条件下，大量的水与有限的湿空气接触，水蒸发所需的潜热完全来自于湿空气温度降低所放出的显热，当系统中空气达饱和状态且系统达到热平衡时系统的温度。

绝对湿度a即每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，可利用水汽状态方程直接获得：

式中，e为实际水汽压,单位为hPa；T为温度，单位为K。

相对湿度U即水在空气中的蒸汽压与同温同压饱和蒸汽压的比值,可利用干湿球温度计算：

式中，E为水气压，Ew为干球温度所对应的纯水平液面（或冰面）饱和水气压。

露点温度是水汽恰好在固体表面凝结成水的临界点，露点与湿度、空气温度、固体表面温度和气压有着密切的关系。空气的极限含水量随着空气温度降低而减小，一定气压条件下，空气中水汽含量不变，若温度降低，对应的极限含水量也降低，相对湿度达到100%，多余水汽变为液态水：

式中Pa为空气水蒸气分压力；φ为空气相对湿度；ta为空气露点温度。

式（1～11）表明，深埋地下的国防洞库、人防洞和隧道等地下建筑，室内空气温度与洞壁不均衡，在伴有一定湿度条件的条件下，洞壁表面便会产生冷凝结露。它与空气湿度、温度、气压以及洞室表面温度密切相关。

2 洞库温湿度实测与分析

2.1 检测内容与方法

测试工作为1 d连续进行，温度检测数据采集间隔为2 h，湿度检测数据采集间隔为10 min。共9个测点，分别为洞库地面处2个温度检测测点，侧墙2个温度检测测点，顶面2个温度检测测点和距离地面1m处侧墙1个湿度检测测点，实验室二楼房间1个温度检测测点，室外草坪1个温度检测测点（图1，表1）。

图1 洞库温度检测测点布置图 单位：m

表1 测量仪器布置表

2.2 测试结果与数据分析

2.2.1 洞库空气温湿度及露点走势

测试结果如图2显示，人防洞库某一天内的温度走势大体呈先上升，后下降。上升阶段为4∶00到8∶00左右，8∶00以后到次日00∶00呈缓慢下降趋势。相对湿度的走势与温度大体相反，以上午4∶00为起点，次日00∶00为终点，先下降，维持一段平稳状态，后又呈上升趋势，4∶00为最高点，4∶00到8∶00为下降阶段，8∶00到下午18∶00维持较低水平且略有波动，最低点在中午12∶00附近，进入夜间又开始缓慢上升。温度升高的时间段，相对湿度降低，不容易结露；温度降低的时间段，相对湿度升高，比较容易结露。一天内空气的相对湿度平均值78.8%，最高值为84.9%。

图2 洞库1天温湿度走势图

2.2.2洞库壁面温度特征

洞库结构表面顶部温度最高，平均温度为28.23℃，墙面次之，平均温度为27.43℃，墙面和顶面的温度普遍高于洞库空气的露点温度，相对不易结露。地面温度最低，平均温度为24.63℃，低于洞库空气的平均露点温度24.65℃（图3）。地面处，凌晨至8∶00以及夜间22∶00至00∶00时间段内温度几乎等于或者低于洞库内空气的露点温度，1日内有约40%的时间内其表面温度低于室内空气露点温度，所以地面是最容易产生冷凝结露的部位。

2.2.3 洞库室内外气象比较

测试数据如图4显示，洞库内的温度、湿度分别与外界大气温度、湿度有一定的相关性，两者的走势基本保持一致，但外界大气温湿度变化幅度较大。外界大气温度高出1.77℃，相对湿度高出11.53%，而露点却比较接近（表3）。其中下部壁面与地面处，本身温度即低于露点温度，并且与外界空气温度相差近8℃，所以当外界空气涌入洞库，与洞壁耦合时，洞壁温度低而空气温度高，相对湿度便会瞬间升高，极易发生冷凝结露，结露速率也较快。

表3 洞库外界气象参数比较表

图3 洞库壁面温度走势图

图4 外界大气温度、湿度、露点走势图

综上得出，想要减少甚至避免洞库内壁面的冷凝结露，需从减小空气湿度以降低露点和保持室内温度以避开结露，以及减少外界空气与洞库壁面耦合等方面来采取措施，冷凝结露防护的重点部位应为下部墙面和地面处。

2.3 气流组织形式与冷凝结露

气流组织形式对地下空间的冷凝结露也有着重要的影响，不同的通风强度和气流组织形式会产生较大差异的冷凝结露。王威等人对地下空间运用流体动力学仿真模拟软件FLUENT对不同通风条件下洞壁结露的情况进行数值模拟研究[5]。几何模型为长3.57 m、宽3.18 m、高2.6 m的长方体空间；变量为通风模式分别为顶棚送风、顶棚排风、侧上送风、侧下排风、侧下送风、侧上排风。

不变的量为送风温度10℃，相对湿度75%，室内空气初始温度15℃，相对湿度82%，送风速率为256.5 m3/h。3种工况对照比较（表4，图5），3种工况结露面积分别为11.3 m2、22.6 m2、23.9 m2，占比19.6%、39.2%、41.3%，结露质量分别为0.76 g、6.07 g、6.50 g。其中所有工况开始结露时间均为900 s，达到稳定状态均为1 800 s。所以当送风口和排风口均设置在顶棚位置时，室内结露量最小，结露速度也最慢。

表4 结露数值模拟数据表

图5 各工况结露分布云图

通风强度影响地下空间的冷凝结露，王威等人提出了三维非稳态数学模型[6]。结果表明，数值模拟结果与实际情况拟合度较高，误差在合理范围内；随着通风强度的增加，室外内的温度和湿度均出现明显降低，结露速率和面积也明显降低。

3 结论

（1）洞库混凝土冷凝结露，主要是由于潮湿空气渗入洞库内部，与温度相对较低的混凝土结构相遇，从而引起水汽冷凝成液态水。复杂地下空间室内空间温度场分布和湿度场分布复杂，结露现象也呈现多样化。

（2）当温度变化幅度较大时，室内空气温度与洞壁温度相差较大，会加速结露发生；雨季空气中相对湿度较高，会加速结露发生；增大风速，降低送风的湿度和温度，可减小结露量；顶棚送风排风优于侧壁送风排风，可减小结露量。

（3）洞库混凝土结构的耐久性设计，需从混凝土配合比设计、施工养护以及服役期间通风、除湿几方面来进行。合理设置空调系统和高效密闭系统，运用 “灵活温湿服役法” ，灵活调整洞内温湿状态，以缓解混凝土结构的腐蚀劣化，提高结构耐久性。