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建立混凝土结构加速耐久性人工气候模拟循环试验室的必要性

    摘要:为了有效地进行沿海混凝土结构的耐久性检测与评估, 通过分析和对比目前国内外混凝土结构常见的耐久性检测方法,结合沿海混凝土结构的特点, 提出了一种对沿海混凝土结构进行检测与评估的实用方法. 该方法通过人工环境室内加速与现场取样检测、 现场暴露试验等, 建立人工气候环境与自然环境条件下混凝土结构性能劣化的相似关系,从而通过短期实验实现对新建或待建结构的耐久性评估与寿命预测. 为今后对混凝土结构耐久性进行有效的评估提出了一种新的思路.

所谓混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下, 在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程, 而不需要花费大量资金维修, 也能保持其安全性和适用性的功能. 由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点, 使得混凝土结构不可避免地存在耐久性问题,由此造成的直接和间接损失之大, 已远远超出人们的预料, 这在发达国家和发展中国家均已构成严重的财政负担. 而处于基本建设和维修高峰期的中国, 由混凝土结构耐久性失效而引发的资源、能源和环境保护问题也正愈显突出. 因此, 如果不充分认识到混凝土结构耐久性问题的重要性, 就会有悖于我国可持续发展和环境保护的基本国策, 制约我国经济整体健康快速的发展.沿海混凝土结构耐久性不足所带来的严重经济损失和资源浪费, 桥梁、 隧道、 港口、 标准海塘等基础设施工程的混凝土结构耐久性, 特别是氯离子含量较高的海洋环境中的耐久性,已是当前亟待采取措施应对的重大问题.

混凝土结构耐久性受到多种因素的影响, 有抗渗、 抗冻、 抗侵蚀、 抗碳化、 抗磨蚀、 抗钢筋锈蚀及防止碱骨料反应等多项指标,各种影响因素之间又相互耦合, 破坏机理非常复杂. 目前, 研究混凝土结构的耐久性主要依靠试验的手段. 建造暴露试验站, 对混凝土试件进行长期现场暴露试验, 是进行混凝土结构耐久性研究的重要手段之一.

  • 国内外混凝土结构耐久性暴露试验站回顾

1.1国外暴露试验站建造情况介绍

世界上许多发达的沿海国家, 如荷兰、 丹麦、 瑞典、 美国、 德国和法国等, 建立了目的不同的系列海洋暴露试验站,其中有专门研究混凝土结构耐久性的场站, 有的已经积累了3 0余年研究数据[ 3 ], 不少成果已经反映在近年颁布的各类标准之中. 位于美国东海岸的T r e at I s l a n d ,Ma i n e ,U S A , 建于1 9 3 6年, 是世界上建造早同时也是世界著名的长期暴露试验站之一, 已有7 0年的历史.该暴露试验站建造在潮差区, 摆放在暴露站的试件每天可以被海水浸没2次, 涨落潮的高差达6 7m( 2 2f e e t ) , 试验站冬天的最低气温在- 1 0℃( 1 5 ° F ) , 试件每年可以经受 1 0 0~1 6 0次冻融循环, 而且试件还可以经受海水浸泡和风干, 从而导致氯离子可以侵入试件内部,引起试件腐蚀及内部钢筋锈蚀.

欧盟为混凝土结构耐久性投入了大量的科研经费并积极采取应对措施, 经过几十年的不懈努力, 创立了“ 耐久性设计与再设计” ( D u r a C r e t e ) 理论, 从海洋环境混凝土结构的腐蚀机理、 修补、 防护到耐久性设计等方面取得了大量的可应用成果[4 ], 而 D u r a C r e t e理论的前提就是动态获得结构原体耐久性关键参数的信息反馈. 建立实际环境中的长期暴露试验站, 可以获得与实际结构相一致的宝贵动态的实测数据,用以对耐久性设计时的关键参数进行监测, 从而可实现对耐久性再设计时的关键参数的调整. 因此, 建造长期暴露试验站是对耐久性再设计的关键参数进行调整的重要手段之一.

为了研究海洋环境中氯离子侵入混凝土的过程以及氯离子含量与混凝土中钢筋锈蚀的关系, 日本琉球大学于19 8 4年开始在当地海岸边进行了足尺试验[ 1 ]. 该混凝土结构建在海边, 北面面临大海, 距今已有2 0年的历史, 现在试验仍在进行中. 混凝土结构包括梁、板、 柱, 结构西部的混凝土结构开始不含氯离子,而东部的混凝土结构开始就有0 3 %重量的氯离子混入; 结构北部的混凝土结构在外表涂覆防护层,而南部的混凝土则完全暴露.

1.2国内暴露试验站建造情况介绍

中港系统于1 9 5 7年开始在天津新港北防波提安放混凝土试块进行天然暴露试验工作,1 9 6 1~1 9 6 4年分别在连云港、 天津港和湛江建立了海洋暴露试验站, 1 9 9 0年交通部委托一航局又建立了综合性的锦州港建筑材料暴露试验站[5 ], 其中天津站由于淤积分别于1 9 8 3年和1 9 9 8年两度迁建. 南京水利科学研究院等单位也于1 9 6 8~ 1 9 7 8年分别在湛江港、 天津港和上海港码头不同部位开展了钢筋混凝土裂缝试件暴露试验站的研究工作.为了提高海工建筑物上部钢筋混凝土结构的使用寿命, 延长大修年限, 1 9 8 4年开展了采用不同保护层厚度、 不同防腐措施的海工钢筋混凝土防腐蚀性能的室内外对比试验,并在深圳赤湾港石油基地码头建立了长期暴露试验站[ 6 ]. 近年来, 我国在青岛、 东海大桥等处建立了多处暴露试验站. 杭

州湾跨海大桥也正在积极筹备建造长期暴露试验站,用于对大桥混凝土结构耐久性的监测与评估.

  • 沿海混凝土结构耐久性现场试验方法介绍

沿海混凝土结构耐久性主要是由于海水或大气中的氯离子侵入混凝土内部引起钢筋锈蚀而引起.氯离子渗透性能反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向内部侵入的能力, 是耐久性的重要性能指标之一. 对于混凝土结构氯离子的渗透性主要以氯离子扩散系数来衡量.

2.1混凝土结构耐久性试验的常用方法

目前, 国内外混凝土结构耐久性检测/ 试验有现场取样检测、 室内加速试验和现场暴露试验等形式.

1 ) 现场取样检测现场取样检测是混凝土结构耐久性测试的基本手段,通常在现场进行取样、 检测、测试, 并对取得试样、 检测结果、 测试数据等在室内进行检测、 分析、 计算等. 对既有结构混凝土中氯离子含量的检测, 可采用在现场混凝土构件的典型部位(通常受力较小的部位) 钻芯取样、 钻孔取粉, 从而在实验室通过强度测试及 R C T或 R C M等快速测试方法测定所取试样的混凝土强度及氯离子含量, 进而得到混凝土结构的强度变化、碳化情况、 氯离子的扩散系数和分布规律等. 由于混凝土结构的耐久性是一个长期的过程, 仅仅依靠现场检测只能测定某一特定时间点混凝土结构的耐久性问题, 而混凝土结构耐久性是一个缓慢的动态过程,因此需要经过长期的检测、 测试与数据处理和分析, 才能得到结构随时间的动态退化规律.

2 ) 室内加速试验 基于现场检测方法周期长的不足, 为了缩短试验周期,人们发展了通过室内加速试验来研究混凝土结构的耐久性问题. 目前混凝土耐久性试验普遍采用的是室内加速试验法, 即在试验中采用恒电流通电法和干湿循环法等加速手段,使混凝土内钢筋快速锈蚀, 由此来研究混凝土结构的破坏特征和结构性能演变. 室内加速试验是模拟结构构筑物气候环境的主要影响因素, 譬如海水浸泡、 雨淋、 日晒、冻融、 日光辐射、 温度、 湿度变化等, 考虑气候环境、 侵蚀环境与力学环境的相互作用, 研究人工加速模拟环境与混凝土微环境间平衡过程, 使得人工加速模拟环境过程的环境作用机理与其实际使用环境作用机理等效.从而使混凝土试件在较短时间内来模拟实际环境条件下较长时间的劣化过程. 室内加速试验可以在较短时间周期内测定混凝土结构中的氯离子含量、 钢筋锈蚀情况等, 由于直接测定混凝土试件,因此比起现场检测具有操作简单、 受外界气象条件干扰少并且节约成本等优点. 如果环境参数设置适当, 可以得到较为理想的试验结果. 然而, 室内耐久性加速试验研究忽视了试验环境与实际使用环境的相关性,其成果适用程度尚需进一步探讨和研究.

3 ) 现场暴露试验 建立现场暴露试验站, 开展天然条件下长期的暴露试验研究,已成为结构耐久性

专家们的广泛共识. 暴露试验站作为研究建筑材料、 构件、 结构耐久性及破坏规律的室外试验设施,是将科研成果应用于工程实践、 转化成生产力的极为经济有效的途径. 在现场暴露试验站可以专门设置一些实际结构( 或构件) 用以取样、 检测, 其环境条件和受力状态都非常真实,同时, 在现场暴露试验站放置混凝土试件来模拟混凝土结构构件用以定期检测结构的耐久性, 也具有现场检测和室内加速试验不可替代的作用. 模拟的环境条件比室内加速试验要真实,并且具有对结构自身不损伤的优点, 工作面好、 操作方便, 并且可以实现对水工结构水中区部分的耐久性进行检测.

2.2对沿海混凝土结构进行耐久性检测与评估的实用方法

根据上述常用检测方法,在条件允许的情况下, 作者认为对沿海混凝土结构进行耐久性检测与评估必须综合利用室内加速试验、 现场取样检测与现场暴露试验, 即通过人工环境室内加速与现场取样检测、现场暴露试验来共同实现.室内加速试验是在人工模拟环境中现材料和结构的加速退化, 通过气候环境、 侵蚀环境与力学环境的综合交互效应, 掌握材料与结构全寿命过程性能退化的规律.达到上述目标的关键是通过对结构所处实际环境的人工气候模拟, 实现人工气候环境下混凝土材料与结构的等效衰减过程, 从而得到混凝土结构基本性能全寿命过程的衰减演变规律.该技术路线试验周期短, 是结构耐久性的一个有效的研究方法. 然而,模拟环境的非真实性的缺陷是无法避免的, 人工环境加速方法与实际环境中钢筋锈蚀的电化学原理和钢筋表面锈蚀特征必然存在着差异;掌握两者之间的区别与联系、 建立两者之间的关系, 是利用于人工环境加速试验结果来进行混凝土结构耐久性评估的关键. 该方法可以适用于任何混凝土结构, 包括已建结构、待建结构或在建结构.

考虑到混凝土结构的建设经过多年的发展, 在相同或者相似服役环境条件下通常会有不同建造使用年限、不同混凝土配合比及强度等级、 不同使用功能等各类混凝土结构的建筑物, 因此, 在对混凝土结构进行耐久性检测与评估时应当充分利用周围不同使用年限的混凝土结构的耐久性性能,同时对周围相同或相似环境条件下不同建造使用年限的典型结构构件进行耐久性现场检测, 可以在较短时间内得到混凝土结构在不同使用年限的耐久性性能的动态变化, 有助于在短期内对结构物进行耐久性评估.该方案通常用于对已建结构进行耐久性评估. 对在建或待建结构进行耐久性评估及寿命预测时, 充分利用在相同或相似服役环境中的结构物, 对附近结构构件进行现场取样检测,其检测结果既可以用于耐久性设计, 又可以与其他检测方法相结合在较短时间内实现对新建或待建结构的耐久性评估与寿命预测.

现场暴露试验是在混凝土结构附近选取或建造一个暴露试验站, 将与结构组分与配合比相同的混凝土试件置于这个暴露试验站中,通过测试这些试件来推测结构的耐久性性能. 该方法获取的试验数据真实可靠, 具有极强的说服力及实际应用价值, 但缺点是需要的试验周期过长.

充分利用常见现场耐久性测试方法的优点, 即利用现场取样检测、 现场暴露试验对人工环境模拟试验方案研究成果进行验证与校准,再通过不断调整人工模拟加速试验研究. 根据现场取样检测与人工气候模拟加速试验结果的整理、 分析与对比, 建立混凝土结构在自然环境与室内加速环境条件下基于环境、时间的耐久性性能退化的相似关系, 并根据现场暴露试验结果对相似关系进行进一步的修正, 进而在短期内实现对已建、 待建或在建结构的耐久性性能评估, 并预测结构在其生命周期内的使用性能退化规律.

三、结论

    利用环境模拟技术,建设大型多功能有效地评估提出了一种新的自动控制混凝土结构环境模拟室,可以人工模拟各种大气环境、工业环境的单一因素或综合因素作用,开展混凝土环境试验及相关理论研究。在实验室对混凝土材料、结构的基本的热学、力学、收缩、徐变、损伤等特性及其与各种气候环境、海洋环境、腐蚀环境的定量关系进行全面系统的仿真研究,加强材料与结构的学科交叉。针对小型构件或大型结构仿真模型,真实再现工程实际环境,进行结构裂缝的开裂机制、开裂应力发展变化、裂缝形成、结构破坏的全过程跟踪试验研究,达到从表观至本质、微观至宏观的规律解析,裂控研究将会有较大的突破。因此研究混凝土环境模拟试验室技术是非常必要的,对保证结构的安全性、耐久性有重要意义。

环境模拟试验室可为人们提供一种摆脱自然规律、从时间到空间按主观的意愿去模拟各种理想环境,服务于科学实验。在试验室内模拟各种实际环境作用,研究考核材料、结构或设备等实验对象对所处的环境产生的环境效应,可获得实验对象各种环境条件下的特性、环境适应性。

目前,环境模拟技术已趋成熟。利用单一因素的环境模拟试验,如温度、湿度、气压、沙尘、盐雾、淋雨、风、太阳辐射、空间环境等气候环境模拟试验以及静载、振动、冲击等力学环境模拟试验,易于找出单一环境因素对结构性能的影响规律以;综合环境模拟是指2个以上环境参数同时作用的模拟试验,可以真实地模拟实验对象实际经受综合环境的影响,增加试验的真实性和可靠性。国内外对于环境试验也相继分布了有关的针对各种研究领域的环境试验标准,但在实际应用中还要进行试验标准的剪裁、试验应力筛选等项工作,以得到更加可靠适用的试验成果。

进行混凝土结构环境模拟试验,需要模拟的实际环境多种多样,如单一环境因素的模拟,包括高温、低温、湿度循环、湿度循环、寒潮袭击、剧烈干燥、淋雨、结露、冻融循环、盐类及化学物质浸蚀、酸性气体腐蚀等各种气候及腐蚀环境,以及力学加载环境等。此外,还要实现多种耦合环境的模拟,包括气候环境与力学荷载作用的综合、气候环境与腐蚀工业环境的综合,等等,充分考虑试验的综合环境设置、荷载施加力架的布置、腐蚀环境下加载方式和设备防护等技术问题。

用环境模拟技术,建设混凝土材料、结构的环境模拟试验室是完全可行的。混凝土结构耐久性、早期特性及裂缝控制研究所需要的各项环境指标,如气候环境、工业腐蚀环境、海洋侵蚀环境等等,都是可以实现的。因此,开展混凝土结构环境模拟试验室技术的研究,深入探讨混凝土结构环境模拟试验的关健技术,定能建成高标准高水平的混凝土结构试验研究平台,促进混凝土相关学科的发展。

 

简要回顾了国内外暴露试验站建造情况, 在介绍测定混凝土中氯离子扩散系数和混凝土结构耐久性现场测试常用方法的基础上,通过分析和对比目前国内外混凝土结构常见的耐久性检测方法, 结合沿海混凝土结构的特点, 提出了一种对沿海混凝土结构进行检测与评估的实用方法. 该方法通过人工环境室内加速与现场取样检测、现场暴露试验等, 建立人工气候环境与自然环境条件下混凝土结构性能劣化的相似关系, 从而通过短期实验实现对新建或待建结构的耐久性评估与寿命预测.

充分利用常见现场耐久性检测方法的优点, 即利用现场取样检测、 现场暴露试验对人工环境模拟试验方案研究成果进行验证与校准, 再通过不断调整的人工模拟加速试验研究.根据现场取样检测与人工气候模拟加速试验结果的整理、 分析与对比, 建立混凝土结构在自然环境与室内加速环境条件下基于环境、 时间的耐久性性能退化的相似关系, 并根据现场暴露试验结果对相似关系进行进一步的修正,从而在短期内实现对已建、 待建或在建结构的耐久性性能评估, 并预测结构在其生命周期内的使用性能退化规律. 为今后对混凝土结构耐久性进行思路.
  

 

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