現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境模擬乃試驗(yàn)室技術(shù)
為了在試驗(yàn)室人工模擬環(huán)境下進(jìn)行混凝土早期特性、裂縫控制及耐久性的試驗(yàn)，需對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)室技術(shù)進(jìn)行研究。分析了環(huán)境模擬技術(shù)在諸多領(lǐng)域的成功應(yīng)用，認(rèn)為建設(shè)混凝土環(huán)境試驗(yàn)室是可行的。通過研究混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境模擬、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、耦合環(huán)境的實(shí)現(xiàn)以及特種設(shè)備儀器的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，提出多功能氣候試驗(yàn)室的建設(shè)方案，合理確定試驗(yàn)室的布局、功能、技術(shù)性能指標(biāo)，并探討了人工氣候環(huán)境試驗(yàn)室設(shè)備、儀器的優(yōu)化配置，為下一步混凝土耐久性、裂縫控制的環(huán)境試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。
1 引言
混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)較低，是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的形式之一，其應(yīng)用范圍日益廣泛，不僅應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、道路、橋梁、水利工程等建筑和構(gòu)筑物，而且越來越多地應(yīng)用于海洋、嚴(yán)寒地區(qū)、遭受化學(xué)腐蝕等復(fù)雜工業(yè)環(huán)境及特殊建筑中。環(huán)境的惡化使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性受到嚴(yán)重影響，在施工建設(shè)和服役過程也暴露出許多值得關(guān)注的新問題。其中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不足致使加固維修費(fèi)用高昂，混凝土的早期開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的劣化等問題尤為嚴(yán)重。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、早期開裂及裂縫控制不僅與材料內(nèi)在特性有關(guān)，更受控于各種環(huán)境參數(shù)溫度、濕度等的變化，而現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混凝土耐久性試驗(yàn)，周期長、費(fèi)用高，實(shí)現(xiàn)困難，因此需要?jiǎng)?chuàng)建室內(nèi)模擬環(huán)境進(jìn)行長期的或加速的混凝土耐久性仿真研究擴(kuò)結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理的研究。
環(huán)境模擬技術(shù)是各種自然環(huán)境的人工再現(xiàn)技術(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗(yàn)技術(shù)的一門新的綜合性工程技術(shù)。環(huán)境模擬技術(shù)吸取多門學(xué)科熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等和多項(xiàng)技術(shù)制冷、真空、空調(diào)、加溫、自動(dòng)控制和計(jì)量等的相關(guān)理論和方法，是在解決環(huán)境模擬和環(huán)境試驗(yàn)的理論及實(shí)踐中形成的獨(dú)立的技術(shù)理論體系。目前，環(huán)境模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在科學(xué)研究中具有自然界無法實(shí)現(xiàn)的時(shí)間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)性等突出優(yōu)點(diǎn)，可以大大回憶試驗(yàn)的進(jìn)程。
利用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)大型多功能自動(dòng)控制混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬室，可以人工模擬各種大氣環(huán)境、工業(yè)環(huán)境的單一因素或綜合因素作用，開展混凝土環(huán)境試驗(yàn)及相關(guān)理論研究。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)混凝土材料、結(jié)構(gòu)的基本的熱學(xué)、力學(xué)、收縮、徐變、損傷等特性及其與各種氣候環(huán)境、海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境的定量關(guān)系進(jìn)行全面系統(tǒng)的仿真研究，加強(qiáng)材料與結(jié)構(gòu)的學(xué)科交叉。針對(duì)小型構(gòu)件或大型結(jié)構(gòu)仿真模型，真實(shí)再現(xiàn)工程實(shí)際環(huán)境，進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫的開裂機(jī)制、開裂應(yīng)力發(fā)展變化、裂縫形成、結(jié)構(gòu)破壞的全過程跟蹤試驗(yàn)研究，達(dá)到從表觀至本質(zhì)、微觀至宏觀的規(guī)律解析，裂控研究將會(huì)有較大的突破。因此研究混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室技術(shù)是非常必要的，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性有重要意義。
2 環(huán)境模擬技術(shù)應(yīng)用概述
環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生物、氣象、航空航天、車輛設(shè)備、電子產(chǎn)品以及有關(guān)材料結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。
2.1 常規(guī)兵器、車輛及設(shè)備等環(huán)境模擬試驗(yàn)室
某兵器試驗(yàn)中心擁有大的氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)室，主要承擔(dān)火炮、坦克、雷達(dá)、火箭、光學(xué)儀器、電子設(shè)備等軍用武器裝備的氣候環(huán)境試驗(yàn)，環(huán)境模擬試驗(yàn)室主要有：高溫濕熱試驗(yàn)室、低溫試驗(yàn)室、淋雨試驗(yàn)室、低溫射擊室、高溫射擊室、光電試驗(yàn)室等。
隨著車輛技術(shù)的發(fā)展，為考核各種車輛在太陽輻射條件下的性能，相繼建立了大型太陽輻射模擬設(shè)備。奧地利維也納亞森納爾車輛試驗(yàn)中心建造的環(huán)境模擬室，能模擬世界各地的氣候條件，能滿足用戶的各種特殊需要。試驗(yàn)站主要由靜止試驗(yàn)室和運(yùn)行試驗(yàn)室及其他輔助設(shè)施組成。靜止試驗(yàn)室可完成高溫、低溫、濕度、雨、雪、霧、太陽輻射等一定氣候條件下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)。
日本三菱重工神戶造船所的綜合環(huán)境試驗(yàn)室，主要進(jìn)行溫、濕度日變化的模擬，試品分別經(jīng)受雨、雪、霧、太陽輻射的環(huán)境試驗(yàn)，試品在酸雨、酸霧及固體液體懸浮微粒環(huán)境的試驗(yàn)以及綜合性環(huán)境試驗(yàn)等。美國麻薩諸塞州國防航空工業(yè)公司Raytheon建設(shè)物環(huán)境試驗(yàn)室可進(jìn)行高精度高強(qiáng)度的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、氣候及綜合性的環(huán)境試驗(yàn)研究。
2.2 農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生物氣候環(huán)境模擬室
江西省農(nóng)科院水稻研究所建設(shè)的智能化人工氣候室，陜西楊陵農(nóng)業(yè)科技示范園溫室大棚，浙江大學(xué)植物科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心智能玻璃溫室等，都是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)利用環(huán)境模擬技術(shù)的應(yīng)用成果同，為植物科學(xué)研究提供控溫、控光、控濕的高標(biāo)準(zhǔn)科研條件。俄羅斯生物有機(jī)化學(xué)協(xié)會(huì)Branch of Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry建設(shè)的生物人工氣候室，用于研究生物工藝學(xué)、*的種植物材料以及現(xiàn)代溫室植物生長技術(shù)。日本森林綜合研究所建設(shè)了人工氣候試驗(yàn)室進(jìn)行自然環(huán)境下樹木生長的研究，可進(jìn)行不同光照強(qiáng)度、溫度和濕度環(huán)境條件的樹木生長對(duì)比試驗(yàn)。
2.3 建筑材料環(huán)境模擬試驗(yàn)室
應(yīng)用環(huán)境模擬技術(shù)進(jìn)行混凝土的環(huán)境試驗(yàn)，是一項(xiàng)新的嘗試性的工作。中國礦業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)90年代末建設(shè)了人工氣候室，用以在不同的氣候條件下模擬工業(yè)腐蝕環(huán)境，進(jìn)行混凝土耐久性測(cè)試。所建設(shè)和人工氣候室包括空調(diào)機(jī)房，共占地55.8m2，試驗(yàn)用的人工氣候室長6m，寬 m，高3.2m。人工氣候室可在一定范圍模擬自然環(huán)境中的溫濕度、日照、淋雨、鹽霧、大氣等環(huán)境CO2、SO2氣體。該試驗(yàn)室利用一臺(tái)機(jī)組，完成制冷、加熱、除濕、加濕功能，并輔以自制的抽屜式硅膠吸濕器進(jìn)行輔助深度除濕；利用簡易輻射燈具模擬太陽光照；在試驗(yàn)室內(nèi)布置噴液管、噴氣管，用以噴入鹽霧和低濃度的CO2、SO2氣體等。
根據(jù)所要模擬的各種環(huán)境，人工氣候室在工藝及建筑上均有特殊要求。為達(dá)到保溫要求，氣候室的墻體采用雙層120mm厚磚墻加防潮層，內(nèi)嵌120mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，內(nèi)墻面用環(huán)氧膠泥抹面；樓板采用120m厚的空心板加120mm厚聚笨乙烯泡沫保溫板；地面的構(gòu)造設(shè)計(jì)成100mm厚混凝土墊層，中間200mm厚泡沫混凝土保溫層，上部100mm厚混凝土面層；并采用雙層保溫門。為了便于觀察室內(nèi)的情況，在一側(cè)墻上安裝了一個(gè)固定的雙層玻璃觀察窗。人工氣候室主機(jī)放于機(jī)房內(nèi)，風(fēng)冷式冷凝器置于室外。室內(nèi)機(jī)組的布置緊湊、合理，充分考慮使用空間的要求和便于檢修。人工氣候室的氣流組織采用上送下回式，除了送回風(fēng)的管道外，還專門設(shè)置一條排風(fēng)管用于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氣候室的排風(fēng)。空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與常規(guī)空調(diào)制冷相比，在技術(shù)要求、系統(tǒng)形式、設(shè)計(jì)方法等方面均有較大的差別。由于受到資金的限制，*達(dá)到工藝要求難度比較大，尤其對(duì)于低溫低濕和高溫高濕的處理實(shí)現(xiàn)起來比較困難。對(duì)腐蝕環(huán)境的模擬，無疑對(duì)機(jī)組的防腐提出更高要求，需要采用防腐設(shè)備及有效的防腐措施。
人要?dú)夂蚴覂?nèi)安裝溫濕度傳感器，通過設(shè)在控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。機(jī)組內(nèi)也裝有可編程序控制器進(jìn)行控制，也可以手動(dòng)控制。
2.4 結(jié)論
環(huán)境模擬試驗(yàn)室可為人們提供一種擺脫自然規(guī)律、從時(shí)間到空間按主觀的意愿去模擬各種理想環(huán)境，服務(wù)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)室內(nèi)模擬各種實(shí)際環(huán)境作用，研究考核材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)備等實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)所處的環(huán)境產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，可獲得實(shí)驗(yàn)對(duì)象各種環(huán)境條件下的特性、環(huán)境適應(yīng)性。
目前，環(huán)境模擬技術(shù)已趨成熟。利用單一因素的環(huán)境模擬試驗(yàn)，如溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧、淋雨、風(fēng)、太陽輻射、空間環(huán)境等氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)以及靜載、振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)，易于找出單一環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律以；綜合環(huán)境模擬是指2個(gè)以上環(huán)境參數(shù)同時(shí)作用的模擬試驗(yàn)，可以真實(shí)地模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)際經(jīng)受綜合環(huán)境的影響，增加試驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性。國內(nèi)外對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)也相繼分布了有關(guān)的針對(duì)各種研究領(lǐng)域的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際應(yīng)用中還要進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的剪裁、試驗(yàn)應(yīng)力篩選等項(xiàng)工作，以得到更加可靠適用的試驗(yàn)成果。
用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)混凝土材料、結(jié)構(gòu)的環(huán)境模擬試驗(yàn)室是*可行的。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、早期特性及裂縫控制研究所需要的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，如氣候環(huán)境、工業(yè)腐蝕環(huán)境、海洋侵蝕環(huán)境等等，都是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，開展混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)室技術(shù)的研究，深入探討混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)的關(guān)健技術(shù)，定能建成高標(biāo)準(zhǔn)高水平的混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究平臺(tái)，促進(jìn)混凝土相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
3 現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)
現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)包括環(huán)境模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、多種耦合環(huán)境的實(shí)現(xiàn)、加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)性以及牿檢測(cè)設(shè)備、儀器的應(yīng)用等諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3.1 利用環(huán)境試驗(yàn)剪裁方法，合理確定環(huán)境因子
環(huán)境試驗(yàn)的剪裁為根據(jù)產(chǎn)品壽命期內(nèi)將遇到的各種環(huán)境及其影響嚴(yán)重程度和可以搜集到的有關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，按照環(huán)境試驗(yàn)不同階段的具體目的，選擇各階段環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，確定各項(xiàng)目的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)程序，合理安排各階段試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施次序的過程，以使設(shè)計(jì)和安排的環(huán)境試驗(yàn)滿足檢測(cè)要求，保證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)，要根據(jù)混凝土材料的特性、使用環(huán)境、壽命期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境因素，按科學(xué)的邏輯推理步驟設(shè)計(jì)出所需要的試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)的參數(shù)、程序順序和失效準(zhǔn)則。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要確定合理的試驗(yàn)條件，人工環(huán)境試驗(yàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響的機(jī)理、模式應(yīng)該與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境條件的性能變化機(jī)理相同；對(duì)不同使用目的、重要性程度不同的混凝土結(jié)構(gòu)要建立不同的失效準(zhǔn)則。
3.2 加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)性
加速試驗(yàn)可以相對(duì)快速地測(cè)試材料結(jié)構(gòu)在長期使用中的特性變化。混凝土環(huán)境試驗(yàn)中加速耐久性試驗(yàn)考慮環(huán)境效應(yīng)的強(qiáng)度和時(shí)間因素，利用加速試驗(yàn)計(jì)算模型評(píng)估性能壽命，可節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。加速試驗(yàn)要根據(jù)混凝土材料的不同成分、使用的方式以及實(shí)際環(huán)境等情況設(shè)計(jì)不同的加速速率，并選用不同的加速試驗(yàn)計(jì)算分析模型。
加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)性可反映出兩種試驗(yàn)結(jié)果趨同的能力。根據(jù)多種基礎(chǔ)試驗(yàn)包括自然環(huán)境長期試驗(yàn)、各種影響因素的初步加速試驗(yàn)等確定影響因素的作用效果、作用機(jī)理，建立起自然環(huán)境試驗(yàn)與加速試驗(yàn)的相似性準(zhǔn)則，為加速模擬試驗(yàn)提供理論上的依據(jù)。通過相關(guān)性的研究，可指導(dǎo)改變各種試驗(yàn)條件獲得任意的加速試驗(yàn)方法，同時(shí)根據(jù)加速試驗(yàn)結(jié)果來預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境條件下的性能及壽命。
3.3 多種環(huán)境的耦合
進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)，需要模擬的實(shí)際環(huán)境多種多樣，如單一環(huán)境因素的模擬，包括高溫、低溫、濕度循環(huán)、濕度循環(huán)、寒潮襲擊、劇烈干燥、淋雨、結(jié)露、凍融循環(huán)、鹽類及化學(xué)物質(zhì)浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環(huán)境，以及力學(xué)加載環(huán)境等。此外，還要實(shí)現(xiàn)多種耦合環(huán)境的模擬，包括氣候環(huán)境與力學(xué)荷載作用的綜合、氣候環(huán)境與腐蝕工業(yè)環(huán)境的綜合，等等，充分考慮試驗(yàn)的綜合環(huán)境設(shè)置、荷載施加力架的布置、腐蝕環(huán)境下加載方式和設(shè)備防護(hù)等技術(shù)問題。
3.4 設(shè)備的優(yōu)化布置及牿檢測(cè)儀器應(yīng)用技術(shù)
混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室是綜合性的環(huán)境試驗(yàn)室，要體現(xiàn)大型、多功能及自動(dòng)化的特點(diǎn)。試驗(yàn)室設(shè)備種類多，不能將各類單項(xiàng)的環(huán)境模擬設(shè)備簡單進(jìn)行羅列，需要進(jìn)行設(shè)備的配置優(yōu)化研究，充分發(fā)揮設(shè)備的性能，達(dá)到*的環(huán)境模擬效果。根據(jù)混凝土環(huán)境試驗(yàn)的特點(diǎn)，并且考慮節(jié)省能源，較大的試驗(yàn)空間要進(jìn)行分割，可進(jìn)行全空間試驗(yàn)，也可單獨(dú)進(jìn)行每個(gè)隔段小空間的試驗(yàn)。因此需要進(jìn)行環(huán)境控制設(shè)備的配置實(shí)驗(yàn)，分別考慮在端部集中布置或者在各個(gè)隔斷空間分別布置兩種方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及可靠性比較，優(yōu)化選擇。
混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室根據(jù)研究的需要進(jìn)行各種各樣復(fù)雜環(huán)境的模擬，因此所用的檢測(cè)設(shè)備儀器也要能經(jīng)受各種環(huán)境的考驗(yàn)。應(yīng)根據(jù)實(shí)際的模擬環(huán)境，選擇相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備儀器。
4 大型多功能自動(dòng)控制混凝土環(huán)境試驗(yàn)室建設(shè)發(fā)案
4.1 試驗(yàn)室主要功能
1 模擬自然條件下的氣候環(huán)境、海洋環(huán)境、工業(yè)環(huán)境；
2 人工氣候環(huán)境下各種工程材料、結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)；
3 人工氣候環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)熱學(xué)性能及早期特性試驗(yàn)；
4 人工氣候環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究；
5 海洋環(huán)境下工程材料、結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)；
6 海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究；
7 工業(yè)腐蝕環(huán)境下工程材料、結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)；
8 其他有關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)綜合環(huán)境、可靠性試驗(yàn)等。
4.2 試驗(yàn)室布局及協(xié)調(diào)控制
環(huán)境模擬試驗(yàn)室分為2部分，一部分為高低溫濕熱交變?nèi)照沼炅軐?shí)驗(yàn)區(qū)，另一部分為鹽霧、腐蝕氣體環(huán)境、海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)區(qū)，見圖1。兩部分可獨(dú)立運(yùn)行，單獨(dú)進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)，也可交替進(jìn)行同批次結(jié)構(gòu)模型試件的試驗(yàn)，即實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境的綜合性。兩實(shí)驗(yàn)區(qū)有效空間分別為：10m×4m×3m和4m×4m×3m。
試驗(yàn)室各分系統(tǒng)主要有：主室體、空氣循環(huán)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、日照系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。研究各分系統(tǒng)的技術(shù)及設(shè)備配套，在保證各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智能化操作控制。試驗(yàn)室設(shè)備應(yīng)使用防腐材料，以適應(yīng)所模擬的腐蝕環(huán)境，保證其使用壽命。
試驗(yàn)室大門與澆筑場(chǎng)地之間的通道設(shè)置專門的帶滾輪平板小車及滑移軌道，試件或結(jié)構(gòu)模型在小車上的模具內(nèi)直接澆筑，拆模后移入試驗(yàn)室內(nèi)。
4.3 試驗(yàn)室的主要技術(shù)性能指標(biāo)
依據(jù)試驗(yàn)室所要實(shí)現(xiàn)的功能以及混凝土材料結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程環(huán)境，確定其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。
表1 混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室主要技術(shù)性能指標(biāo)
項(xiàng) 目 | 高低溫濕熱交變?nèi)照沼炅軐?shí)驗(yàn)區(qū) | 鹽霧、腐蝕氣體環(huán)境實(shí)驗(yàn)區(qū) |
容積/m3 | 16 | 14 |
參考尺寸/m | 3500×2300×2000 | 3500×2000×2000 |
溫度/℃ | -20～70 | +5～60 |
升降溫速率/℃·h-1 | 0～5 | 0～5 |
相對(duì)濕度/% | 20～95 | 60～～95 |
風(fēng)速/m·s-1 | 0～7 | 新風(fēng)換氣 |
zui大熱輻射強(qiáng)度/KW·m-2 | 1.12±10% |
|
鹽霧沉降量/ml·cm-2·h-1 |
| 0.0125～0.025 |
雨淋 | 簡易噴淋裝置 |
|
腐蝕氣體 |
| CO2、SO2濃度可調(diào) |
控制系統(tǒng) | 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制 | 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制 |
加載系統(tǒng) | 加載反力架、液壓加載 | 加載反力架 |
5 試驗(yàn)室的配套設(shè)備
5.1 加載反力架
試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)布置水平、豎向反力架及加載千斤頂?shù)取＜虞d反力架初步布置方案如圖2所示。
5.2 混凝土早期特性熱學(xué)、力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備
混凝土環(huán)境試驗(yàn)室進(jìn)行混凝土早期特性熱學(xué)、力學(xué)及裂縫控制試驗(yàn)研究，需配備包括導(dǎo)溫儀、導(dǎo)熱儀、絕熱量熱器、絕熱溫升儀、線膨脹系數(shù)測(cè)定儀、干縮儀、混凝土早期自收縮測(cè)定系統(tǒng)、徐變加荷儀、開裂試驗(yàn)架、拉伸儀等設(shè)備。
5.3 試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備儀器
根據(jù)試驗(yàn)要求和所設(shè)計(jì)的模擬環(huán)境，選擇相適應(yīng)的各種檢測(cè)設(shè)備儀器：溫濕度檢測(cè)儀、光照強(qiáng)度測(cè)定儀、風(fēng)速儀、荷載傳感器、位移傳感器、氣體含量檢測(cè)儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
5.4 環(huán)保設(shè)施
試驗(yàn)室部分實(shí)驗(yàn)空間存在噪聲、腐蝕氣體等環(huán)保問題，應(yīng)采取減震降噪措施及污染氣體回收凈化措施，配備環(huán)保設(shè)備，將噪音、空氣污染控制到國家標(biāo)準(zhǔn)允許的水平。
6 結(jié)語
利用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)大型多功能混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)室，是一項(xiàng)創(chuàng)新的、有意義的嘗試。通過對(duì)現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)室技術(shù)的研究應(yīng)用，可從時(shí)間到空間模擬所需要的各種環(huán)境，如自然氣候環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境等，并實(shí)現(xiàn)多種耦合環(huán)境的共同作用。在模擬的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行各種工程材料的試驗(yàn)，可對(duì)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定性定量的、全面系統(tǒng)的仿真分析，對(duì)混凝土的耐久性、裂縫控制、各種早期特性的研究實(shí)現(xiàn)從源頭創(chuàng)新，有積極的推動(dòng)作用。
目前環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速，科技成果不斷涌現(xiàn)，需要掌握環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)水平，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)的具體要求，研究混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高水平混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室，制定詳細(xì)的混凝土早期特性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、裂縫控制試驗(yàn)的規(guī)劃藍(lán)本，為下一步科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的快速發(fā)展。
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究
1824年，隨著阿斯普丁發(fā)明了波特蘭水泥。便開始了人類應(yīng)用混凝土建造建筑物的歷史，同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題也隨之出現(xiàn)。早期，波特蘭水泥主要應(yīng)用于興建大量的海岸防波堤、碼頭、燈塔等，這些構(gòu)筑物長期經(jīng)受外部介質(zhì)的強(qiáng)烈影響，其中包括物理作用（如波浪沖擊、泥砂磨蝕以及冰凍作用）的影響和化學(xué)作用（溶解在海水中的鹽的作用）的影響，這些作用均導(dǎo)致上述構(gòu)造物的迅速破壞，因此，早期對(duì)混凝土耐久性問題的研究主要是集中在了解海上構(gòu)筑物中混凝土的腐蝕情況。在19世紀(jì)40年代，為了探索在那些年代建成的碼頭被海水毀壞的原因，的法國工程師維卡對(duì)水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂漿性能進(jìn)行了研究，并著有《水硬性組分遭受海水腐蝕的化學(xué)原因及其防護(hù)方法的研究》一書，是研究海水對(duì)水硬性膠凝材料制成的混凝土腐蝕破壞的*部科研著作。1880-1890年，當(dāng)*批鋼筋混凝土構(gòu)件問世應(yīng)用于工業(yè)建筑物時(shí)，人們便開始研究鋼筋混凝土能否在化學(xué)活性物質(zhì)腐蝕條件下的安全使用以及在工業(yè)大氣環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能問題。
本世紀(jì)20年初，隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及施工技術(shù)水平的相對(duì)成熟，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開始被大規(guī)模采用，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣闊，應(yīng)此，許多新的耐久性損傷類型逐漸出現(xiàn)，這直接促使人們必須有針對(duì)性進(jìn)行的研究。1925年，美國開始在硫酸鹽含量*的土囊內(nèi)進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)，其目的是為了獲取2\ 50a以至更長時(shí)間的混凝土腐蝕數(shù)據(jù);聯(lián)邦德國鋼筋混凝土協(xié)會(huì)利用混凝土構(gòu)筑物遭受沼澤水腐蝕而損壞的事例,也對(duì)混凝土在自然條件下的腐蝕情況進(jìn)行了一次長期試驗(yàn),1934-1964年間,卡皮斯和戈拉夫?qū)炷猎诤Ｋ械哪途眯赃M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并提供了許多有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)在自然條件下使用情況的可靠數(shù)據(jù)以及有關(guān)水泥種類,混凝土配合比和某些生產(chǎn)因素對(duì)混凝土抗蝕性影響的見解.1945年,Powers等人從混凝土亞微觀入手,分析了孔隙水對(duì)孔壁的作用,，了靜水壓假說和滲透壓假說,開始了對(duì)混凝土凍融破壞的研究；1951年，前蘇聯(lián)學(xué)者A.A貝科夫,B.M.莫斯克文等較早地開始了混凝土中鋼筋銹蝕問題的研究,其目的是為了解決混凝土保護(hù)層zui小的薄壁結(jié)構(gòu)的防腐問題和使用高強(qiáng)度制作鋼筋混凝土構(gòu)件的問題,起成果反映在B.M.莫斯克文的專著<混凝土餓腐蝕>和<混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕及其防護(hù)方法>;同時(shí),在大規(guī)模研究工作的基礎(chǔ)上定制了防腐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,如CH262-63,CH262-67建筑結(jié)構(gòu)防腐拾設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),為建筑物具有足夠耐久性的混凝土結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ).
進(jìn)入本世紀(jì)80年代,混凝土結(jié)構(gòu)的使用已經(jīng)進(jìn)入高峰,同時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究進(jìn)入了一個(gè)高潮,并且開始朝系統(tǒng)化,化方向發(fā)展.材料與結(jié)構(gòu)研究所聯(lián)合會(huì)PILEM于1960年成立"混凝土中鋼筋腐蝕"技術(shù)委員會(huì)12-CRC,旨在推動(dòng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的發(fā)展,使得混凝土結(jié)構(gòu)正常使用的問題逐漸成為學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和性學(xué)術(shù)會(huì)議討論的重要課題之一.于1961年和1961年RILEM分別召開了混凝土耐久性學(xué)術(shù)會(huì)議;1970年在布拉格召開了第六屆,第七屆水泥化學(xué)會(huì)議;1978年至1993年連續(xù)六次召開的建筑材料與構(gòu)件的耐久性學(xué)術(shù)會(huì)議;1987年,橋梁與結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)IABSE在巴黎召開"混凝土的未來"會(huì)議;1988年在丹麥召開了"混凝土結(jié)構(gòu)的重新評(píng)估"會(huì)議;1989年在美國和葡萄牙舉辦了有關(guān)結(jié)構(gòu)耐久性的會(huì)議;1991年美國和加拿大聯(lián)合舉行了第二屆混凝土結(jié)構(gòu)耐久性學(xué)術(shù)會(huì)議;1993年IABSE在丹麥哥本哈根召開了結(jié)構(gòu)殘余能力學(xué)術(shù)會(huì)議;2001年3月橋梁結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)秒百十億代表CIB,ECCS,FIB,RILEM等組織在馬爾他島召開了"安全性,風(fēng)險(xiǎn)性與可靠性______工程趨勢(shì)"的學(xué)術(shù)會(huì)議.
這些學(xué)術(shù)活動(dòng)的開展大大加強(qiáng)了各國學(xué)術(shù)界之間的合作與交流,取得了顯著的成果,部分科研成果已應(yīng)用于工程實(shí)踐并成為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì),施工,維護(hù)等的標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件,如美國ACI143委員會(huì)于1991年提出了"已有混凝土房抗力評(píng)估"的報(bào)告,以及檢測(cè)的 詳細(xì)方法和步驟.日本土木學(xué)會(huì)混凝土委員會(huì)于1989年制定了《混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則試行》.1992年,歐洲混凝土委員會(huì)頒布的<耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南>反映了當(dāng)今歐洲混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究性的水平.2001年亞洲混凝土模式規(guī)范委員會(huì)公布了<亞洲混凝土模式規(guī)范>ACMC2001,提出了基于性能的設(shè)計(jì)方法.
我國從60年代開始了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究,.當(dāng)時(shí)主要的研究內(nèi)容是混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕.80年代初,我國對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性開始了廣泛而深入的研究,取得了不少成果.中國土木工程學(xué)會(huì)于1982年,1983年連續(xù)召開了兩次全國耐久性學(xué)術(shù)會(huì)議,為混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的科學(xué)修訂奠定了基礎(chǔ),推動(dòng)了耐久性研究工作的進(jìn)一步開展.鐵道部,交通部和中國土木工程學(xué)會(huì)等有關(guān)單位結(jié)合工程的需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕組織進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,收集了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).各個(gè)高等院作為科研工作的主要力量之一,也為混凝土耐久性研究做了很多工作.1991年12月在天津成立了全國混凝土耐久性小組,它的誕生使我國在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究方面朝系統(tǒng)化,規(guī)范化的方向邁進(jìn)一步.國家科委1994年組織的國家基礎(chǔ)性研究重大項(xiàng)目攀登計(jì)劃"重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究"也取得的很多研究成果.2000年5月在杭州舉行的土木工程第九屆年會(huì)學(xué)術(shù)論討會(huì),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是大會(huì)主題之一,會(huì)議認(rèn)為必須要重視工程結(jié)構(gòu)耐久性的研討.2001年11月國內(nèi)眾多有關(guān)專家學(xué)者在北京舉行的工程科技論壇上，就土建工程的安全性與耐久性問題進(jìn)行了熱烈的討論，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題得到了的重視。
3混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容
所謂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部應(yīng)素的作用下，保持其自身工作能力的性能。混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)所處的環(huán)境的不同可以劃分為一般大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、土囊環(huán)境及工業(yè)環(huán)境等。混凝土結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部應(yīng)素的作用指的是材料的物理和化學(xué)作用，如混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。由混凝土耐久性引起的結(jié)構(gòu)工作性能的改變包括混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力降低，zui終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)考慮環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)等方面的因素。
混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性可分為環(huán)境、材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)四個(gè)層次，相對(duì)而言材料和構(gòu)件部分的研究較為深入。為了更加直觀地說明混凝土結(jié)構(gòu)耐久性這一課題所涉及的研究內(nèi)容，特繪制成圖9 。
大氣環(huán)境：二氧化碳，水汽，汽車排汽等
環(huán)境層次 海洋環(huán)境：氯離子，水等
土囊環(huán)境：有害離子，微生物，水等
工業(yè)環(huán)境：工業(yè)廢渣廢水，水汽等
碳化機(jī)理
混凝土碳化 影響因素
碳化模式
其他中性化因素
混 腐蝕機(jī)理
凝 氯化腐蝕 滲入模型
土 防護(hù)措施
結(jié) 凍害機(jī)理
構(gòu) 材料層次 凍融破壞 影響因素
耐 抗凍措施
久 反應(yīng)機(jī)理
性 堿-集料反應(yīng) 影響因素
分 防治措施
析 銹蝕機(jī)理
鋼筋銹蝕 影響因素
銹蝕模型
檢測(cè)與防護(hù)
混凝土銹脹開裂模型
構(gòu)件層次 粘結(jié)性能衰退模型
構(gòu)件承載力的變化
耐久性設(shè)計(jì) 耐久性計(jì)算和制定構(gòu)造措施
結(jié)構(gòu)層次 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法
模糊數(shù)學(xué)法
耐久性評(píng)估 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
專家系統(tǒng)法
可靠度法
3．1混凝土碳化
混凝土在空氣中的碳化是中性化zui常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理學(xué)過程，碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時(shí)，混凝土碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，這些都可能導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。所以說，混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土構(gòu)造物可靠度的重要指標(biāo)。
混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)如下：
CO2+H2O→H2CO3，，（1）
Ca（OH）2+H2CO3＋2H2O。（2）
國內(nèi)外*的碳化深度D與碳化時(shí)間t的關(guān)系式為
D=ａ t （3）
D2=D1 t2t1 （4）
式中：a為碳化速度系數(shù)；D1、D2分別為得的和要預(yù)測(cè)的混凝土碳化深度；t1、t2測(cè)定D1和預(yù)測(cè)D2時(shí)的碳化時(shí)間。碳化速度系a體現(xiàn)了混凝土的抗碳化能力，它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養(yǎng)護(hù)方法、氣孔尺寸與分布有關(guān)，而且還與環(huán)境的相對(duì)濕度、溫度及二氧化碳的濃度有關(guān)。
3.2混凝土堿—集料反應(yīng)
堿—集料反應(yīng)是指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)，是影響混凝土耐久性zui主要的應(yīng)素之一。該反應(yīng)不同于其他混凝土病害，其開裂破壞是整體性的，并且還沒有有效的補(bǔ)修方法，對(duì)堿—碳酸鹽反應(yīng)的預(yù)也尚無有效的措施。由于堿——集料造成的混凝土開裂破壞難以被阻止，因而成為混凝土的“癌癥"。
堿集料反應(yīng)是混凝土組成中的水泥、外加劑、摻合料或拌合水中的可溶解性堿，和混凝土空隙中逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。必須同時(shí)具備如下三種條件才能發(fā)生堿——集料反應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成損壞：一是配制混凝土?xí)r由水泥、集料（海砂）、外加劑和拌合水中帶進(jìn)混凝土中一定數(shù)量的堿，或者混凝土處于有利堿滲入的環(huán)境；二是有一定數(shù)量的堿活性集料；三是潮濕環(huán)境，可以提供反應(yīng)物吸水膨脹所需要的水分。
堿——集料反應(yīng)發(fā)生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，其反應(yīng)產(chǎn)物為硅膠體。這種硅膠體遇水膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。這種膨脹壓力取決于集料中活性氧化硅的zui不利含量。
混凝土發(fā)生堿——集料反應(yīng)破壞，就會(huì)表現(xiàn)出堿——集料反應(yīng)的特征：外觀上主要是表面開裂、變形和滲出物；而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)壞、活性堿——集料、內(nèi)部裂縫、堿含量等。混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿——集料反應(yīng)出現(xiàn)裂縫后，會(huì)加速混凝土的其他破壞，如空氣、水、二氧化碳等侵入，會(huì)使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鋼筋原來的體積，又會(huì)使裂縫擴(kuò)大；若在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后又會(huì)使凍融破壞加速，這樣就造了混凝土工程的綜合性破壞。
3.3混凝土凍融破壞
混凝土的凍害機(jī)理研究始于20世紀(jì)30年代，理論上有靜水壓假說、滲透壓假說等，但由于混凝土結(jié)構(gòu)凍害的復(fù)雜性，至今還無*的、*反應(yīng)混凝土凍害的機(jī)理理論。
混凝土是由水泥砂漿和粗骨料組成的毛細(xì)孔多孔體。在拌制混凝土?xí)r，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中中形成連通的毛細(xì)孔，并占有一定的體積。這種毛細(xì)孔的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素，因?yàn)樗隼鋬鼋Y(jié)冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。應(yīng)該指出的是，在正常情況下，毛細(xì)孔中的水結(jié)冰并不至于使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。因?yàn)榛炷林谐嗣?xì)孔之外，還有一些水泥水化后形成的膠凝孔和其他原因形成的非毛細(xì)孔，這些孔隙中常混有空氣。因此，當(dāng)毛細(xì)孔中的水結(jié)冰膨脹時(shí)，這些氣孔能起緩沖作用，即能將一部分末結(jié)冰的水?dāng)D入膠凝孔中，從而減小膨脹壓力，避免混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。但當(dāng)處于飽和水狀態(tài)時(shí)，情況就*兩樣了，此時(shí)毛細(xì)孔中水結(jié)冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態(tài)。因?yàn)榛炷量紫吨兴谋c(diǎn)隨孔徑的減小而降低，膠凝孔中形成冰核的溫度在-78·以下。膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分子因?yàn)槠湔羝麎焊哂谕瑴囟认卤恼羝麎憾驂毫γ?xì)孔中冰的界面處滲透，于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。此外膠凝水向毛細(xì)孔滲透的結(jié)果必然使毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹。由此可見，處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時(shí)，其毛細(xì)孔壁同時(shí)承受膨脹壓力和滲透壓兩種壓力。當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度是時(shí)，混凝土就會(huì)開裂。在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會(huì)互相貫通，其強(qiáng)度也會(huì)逐漸降低，zui后甚至*喪失，使混凝土由表及里遭受破壞。
混凝土的抗凍性與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期、混凝土的強(qiáng)度等許多因素有關(guān)，其中zui主要的因素是它的孔結(jié)構(gòu)。而混凝土的孔結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度又取決于混凝土的水灰比、有無外加劑和養(yǎng)護(hù)方法等。混凝土結(jié)構(gòu)常用的幾種抗凍措施有：摻用引氣劑、減水劑或引氣減水劑；嚴(yán)格控制水灰比，提高混凝土密實(shí)度；加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)或滲入防凍劑，防止混凝土早期受凍。
3.4氯離子侵蝕
我國海域遼闊，海岸線很長，島嶼眾多，而大規(guī)模的基本建設(shè)大都集中于沿海地區(qū)，海洋中的氯離子以海水、海霧等形式滲入混凝土中，影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命，以往的海港碼頭等工程多數(shù)都達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命的要求。隨著我國公路交通的迅猛發(fā)展。公路和高速公路成為經(jīng)濟(jì)命脈。為保證交通暢行，冬季向道路、橋梁及城市立交橋等撒鹽或鹽水，以化雪和防凍。這些自然或人為的因素，使氯離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而在混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件 中，氯化物算是zui危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，應(yīng)引起高度重視。
氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機(jī)理為：1）破壞鈍化膜。氯離子是*的去鈍化劑，氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時(shí)，可使該處的pH值迅速降低，使鋼筋表面pH值降低到4以下，破壞了鋼筋表面的鈍化膜。2）形成腐蝕電池。在不均質(zhì)的混凝土中，常見的局部腐蝕對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞發(fā)生在局部，使這些部位露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區(qū)域形成電位差，鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極。腐蝕電池作用的結(jié)果使得鋼筋表面產(chǎn)生蝕抗；同時(shí)，由于大陰極對(duì)應(yīng)于小陽極，蝕抗的發(fā)展會(huì)十分迅速。3去極化作用。氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。氯離子將陽極產(chǎn)物及時(shí)地搬運(yùn)走，使陽極過程順利進(jìn)行甚至加速進(jìn)行。氯離子起到了搬運(yùn)的作用，卻并不被消耗，也就是說，凡是進(jìn)入混凝土中的氯離子，會(huì)周而復(fù)始的起到破壞作用，這也是氯離子危害的特點(diǎn)之一。4）導(dǎo)電作用。腐蝕電池的要素之一是要有離子通路，混凝土中氯離子的存在，強(qiáng)化了離子通路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。
通常，氯離子的侵入是以幾種侵入方式的組合而作用的，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學(xué)結(jié)合、物理粘結(jié)、吸附等作用的影響。而對(duì)應(yīng)特定的條件，其中一種侵蝕方式是主要的。在許多情況下，擴(kuò)散被認(rèn)為是一個(gè)主要的傳輸方式之一。對(duì)于現(xiàn)有的沒有開裂且水灰比不太低的結(jié)構(gòu)，大量的檢測(cè)結(jié)果表明氯離子的濃度可以認(rèn)為是一個(gè)線性的擴(kuò)散過程，這個(gè)擴(kuò)散過程一般滿足FicK第二定律。目前有一些對(duì)各種機(jī)理全面考慮的模型，但是由于模型中的一些參數(shù)很難確定，有些只能從定性上加以描述，其實(shí)用性還需要繼續(xù)探討。
3.5鋼筋銹蝕
混凝土在一種或多種外界作用下，材料的耐久性能會(huì)發(fā)生衰退，而逐漸失去了對(duì)其內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。當(dāng)鋼筋外面的混凝土中性化或出現(xiàn)開裂等情況，鋼筋失去了堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜破壞并開始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但截面積有所損失，材料的各項(xiàng)性能也會(huì)發(fā)生衰退，從而影響混凝土構(gòu)件的承載力和使用性能。鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要和zui直接因素，目前對(duì)影響鋼筋銹蝕的因素、銹蝕鋼筋材料性能的變化、鋼筋銹蝕的防護(hù)和檢測(cè)等各方面均有較多的研究。
混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕。當(dāng)二氧化碳、氯離子等腐蝕介質(zhì)侵入時(shí)，混凝土的堿性降低，或者混凝土保護(hù)層受拉開裂等都將造成全部或局部地破壞鋼筋表面的鈍化狀態(tài)，鋼筋表面的不同部位會(huì)出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極，在一定的環(huán)境條件下（如氧和水的存在），鋼筋就銹蝕。銹蝕的形成一般為斑狀銹蝕，即銹蝕分布在較廣的表面面積上。鋼筋銹蝕破壞的特征可歸納為：
·裂縫沿主筋方向開展延伸
·鋼筋與混凝土的握裹力下降與喪失
·鋼筋端面損失
·鋼筋應(yīng)力腐蝕斷裂
鋼筋銹蝕的電極反應(yīng)式為
陽極：
Fe Fe2+ +2e
陰極：
O2+2H2O+4e 4OH ，
陽極表面二次化學(xué)過程：
Fe2+ +2OH Fe（OH）2
4 Fe（OH）2+ O2+2H2O 4 Fe（OH）3
在通常情況下，鋼筋表面的混凝土層對(duì)鋼筋有物理和機(jī)械保護(hù)作用。同時(shí)，混凝土為鋼筋提供的是一個(gè)高堿度的環(huán)境（pH>12.5），能使鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，從而長期不銹蝕。當(dāng)堿性降低時(shí)，鈍化膜逐漸被破壞，鋼筋逐漸開始銹蝕，當(dāng)pH低于12時(shí)，銹鍘速度明顯增大。混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕受許多因素影響，包括：鋼筋位置，鋼筋直徑，水泥品種，混凝土密實(shí)度、保護(hù)層厚度及完好性，外部環(huán)境等。
目前，檢測(cè)鋼筋銹蝕狀態(tài)的方法除了傳統(tǒng)的破損檢測(cè)方法之外，無損檢測(cè)鋼筋銹蝕量是許多國家正在探求的新技術(shù)。混凝土中鋼筋銹蝕量的非破損檢測(cè)方法有分析法、物理法和電化學(xué)法三大類。分析法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、有害離子的侵入深度及含量、縱向裂縫寬度等數(shù)據(jù)，綜合考慮構(gòu)件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋銹蝕程度；物理方法主要是通過測(cè)定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理物性的變化來反應(yīng)鋼筋銹蝕情況；電化學(xué)方法是通過測(cè)定鋼筋/混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。
3．6混凝土構(gòu)件的耐久性
混凝土構(gòu)件耐久性研究是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的基礎(chǔ)和前提。
鋼筋銹蝕會(huì)引起混凝土保護(hù)層脹裂，銹脹裂縫產(chǎn)生后鋼筋的銹蝕會(huì)加速，將大大影響鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性能。因此，鋼筋銹蝕與混凝土脹裂及脹裂裂縫寬度的研究對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性研究有重要意義。鋼筋銹蝕將引起混凝土保護(hù)層開裂，其過程相當(dāng)復(fù)雜，為確定混凝土脹裂時(shí)的鋼筋銹脹率與裂縫寬度的關(guān)系，先前所作的工作包括理論分析法和試驗(yàn)研究法，這些方法主要研究鋼筋銹蝕發(fā)展與表面混凝土脹裂之間的關(guān)系及影響因素，或是混凝土脹裂時(shí)刻鋼筋銹脹率的表達(dá)式。
鋼筋銹蝕后，除了有效截面積減小、屈服強(qiáng)度下降等變化外，其與混凝土粘結(jié)性能也會(huì)發(fā)生變化。試驗(yàn)研究表明，隨著鋼筋銹蝕量的增加，變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度比先期略有增加，而后期則有較大幅度的衰退。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的衰退，使得鋼筋的強(qiáng)度不能被全部利用，從而與其他因素一起影響混凝土構(gòu)件的使用性能和承載力。
銹后鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的計(jì)算，是房屋耐久性評(píng)估的主要內(nèi)容，也是將科研成果應(yīng)用于實(shí)際工程zui為關(guān)鍵和重要的一步，近年來國內(nèi)外學(xué)者已作了大量的試驗(yàn)研究和工程調(diào)查工作。
3．7混凝土結(jié)構(gòu)體系耐久性
混凝土結(jié)構(gòu)體系的耐久性包括兩部分；對(duì)未建混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)和對(duì)服役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估，耐久性設(shè)計(jì)在混凝土結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域是個(gè)zui近才引入的新概念，由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的類型很多，如何界定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，它不僅與結(jié)構(gòu)的破損狀況有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)的重要性以及社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)等因素有關(guān)。目前國內(nèi)外針對(duì)混凝土耐久性設(shè)計(jì)提出的極限狀態(tài)方程均有各自的觀點(diǎn)，都是從耐久性計(jì)算或構(gòu)造措施入手來進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的。目前世界上已存在大量服役若干年的結(jié)構(gòu)物，對(duì)服役結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)估是建筑物維修改造工作中需要首先解決的問題。長期以來，對(duì)服役結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估一直依賴有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對(duì)此作出的評(píng)價(jià)和處理，這是所謂的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法。隨著基礎(chǔ)學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法和手段也有很大的進(jìn)展。但是迄今為止，尚未有較為理想的混凝土耐久性評(píng)估模式。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還是以經(jīng)驗(yàn)判斷為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次分析法來進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估為多。
4 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的展望
混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程問題，雖然已在這方面進(jìn)行了許多工作，但仍有許多不*的地方有待解決。這里將就混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基礎(chǔ)研究的發(fā)展方向提出一些看法。
了解材料的耐久性能是研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的基本前提。目前我國已頒布有關(guān)結(jié)構(gòu)材料耐久性實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)研究材料耐腐蝕、耐老化的機(jī)理，以及不同材料耐久性能的對(duì)比無異是有益的。但實(shí)際環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)有著很大的差別，如自然環(huán)境中的溫度、濕度時(shí)刻都在發(fā)生變化，有其規(guī)律性，也有難以預(yù)測(cè)的隨機(jī)性，這種環(huán)境條件的隨機(jī)變化導(dǎo)致了實(shí)際環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的很大不同，在結(jié)構(gòu)耐久性分析和設(shè)計(jì)中如何考慮這種變化值得深入研究。
鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的zui主要因素，因此建立一個(gè)合理的鋼筋銹蝕率模型是至關(guān)重要的。僅從純理論角度或純經(jīng)驗(yàn)角度建立鋼筋銹蝕率模型都不可能獲得較好結(jié)果，而應(yīng)該先從理論角度出發(fā)，建立銹蝕率模型，然后再通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
氯離子是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效zui主要的原因之一，氯離子滲透模型可以預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕開始時(shí)間和銹蝕程度，目前已有不少氯離子侵入混凝土的模型，考慮到氯離子滲入和混凝土碳化共同作用對(duì)混凝土耐久性的影響，以及鋼筋所在位置對(duì)氯離子侵入混凝土的影響，氯離子滲透模型還需要進(jìn)一步深入的研究。
開發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕狀態(tài)的無損檢測(cè)技術(shù)將是一個(gè)新的研究方向，它將隨著其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展。如果能在這方面取得突破，那么將使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的費(fèi)用大大得到降低，這樣在范圍、系統(tǒng)的檢測(cè)與評(píng)估將成為可能，另一方面，耐久性評(píng)估的結(jié)果也將更、更可靠。
腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能，鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響較對(duì)靜態(tài)性能的影響嚴(yán)重的多，這是因?yàn)殇P蝕不僅削弱了鋼筋的有效截面，更嚴(yán)重的是鋼筋銹坑的不均勻性將導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力的集中。雖然腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的分析方法已有一定的研究，但尚需要了解腐蝕對(duì)鋼筋疲勞性能的影響，以及不同環(huán)境和不同混凝土材料特性下鋼筋疲勞性隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)。
目前關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠指標(biāo)的研究已相對(duì)成熟，但是，關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠指標(biāo)的研究才剛剛起步，因此今后也應(yīng)該在這方面進(jìn)行更多的研究，它的成果將是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
在自然環(huán)境、使用環(huán)境中，由于腐蝕介質(zhì)的侵蝕及材料的老化，結(jié)構(gòu)的性能不斷劣化，其結(jié)果是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短。從可靠度的角度講，結(jié)構(gòu)的使用壽命評(píng)估是一個(gè)概率問題，目前對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測(cè)已有較多的研究，但這些研究或者只根據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀態(tài)推斷結(jié)構(gòu)未來的狀況，沒有考慮結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化，或者根據(jù)假定的結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律推斷結(jié)構(gòu)的使用壽命。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的衰減規(guī)律極其復(fù)雜，由于受材料制作、施工、養(yǎng)護(hù)等因素影響，同一個(gè)地域不同結(jié)構(gòu)，甚至同一結(jié)構(gòu)不同部位材料的性能隨時(shí)間的變化都相差很大。因此，結(jié)構(gòu)使用壽命的評(píng)估應(yīng)以結(jié)構(gòu)或構(gòu)件本身的性能隨時(shí)間的變化規(guī)律為依據(jù)，但如何根據(jù)為數(shù)不多的檢測(cè)資料來揭示結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律是一個(gè)難度較大的課題，需要進(jìn)行深入的研究，這將涉及到信息的不*性問題。
4．2提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)水平
我國加入WTO以后，建筑市場(chǎng)正逐步向開放，我國的建筑設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等到部門將面臨競爭的挑戰(zhàn)。為了減小與*標(biāo)準(zhǔn)之間的差距，應(yīng)提高或改進(jìn)我國現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的水平。
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