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新聞動態
建立混凝土結構加速耐久性人工氣候模擬循環試驗室的必要性

    摘要:為了有效地進行沿海混凝土結構的耐久性檢測與評估, 通過分析和對比目前國內外混凝土結構常見的耐久性檢測方法,結合沿海混凝土結構的特點, 提出了一種對沿海混凝土結構進行檢測與評估的實用方法. 該方法通過人工環境室內加速與現場取樣檢測、 現場暴露試驗等, 建立人工氣候環境與自然環境條件下混凝土結構性能劣化的相似關係,從而通過短期實驗實現對新建或待建結構的耐久性評估與壽命預測. 為今後對混凝土結構耐久性進行有效的評估提出了一種新的思路.

所謂混凝土結構耐久性是指混凝土結構及其構件在可預見的工作環境及材料內部因素的作用下, 在預期的使用年限內抵抗大氣影響、化學侵蝕和其他劣化過程, 而不需要花費大量資金維修, 也能保持其安全性和適用性的功能. 由於混凝土結構材料自身和使用環境的特點, 使得混凝土結構不可避免地存在耐久性問題,由此造成的直接和間接損失之大, 已遠遠超出人們的預料, 這在發達國家和發展中國家均已構成嚴重的財政負擔. 而處於基本建設和維修高峰期的中國, 由混凝土結構耐久性失效而引發的資源、能源和環境保護問題也正愈顯突出. 因此, 如果不充分認識到混凝土結構耐久性問題的重要性, 就會有悖於我國可持續發展和環境保護的基本國策, 製約我國經濟整體健康快速的發展.沿海混凝土結構耐久性不足所帶來的嚴重經濟損失和資源浪費, 橋梁、 隧道、 港口、 標準海塘等基礎設施工程的混凝土結構耐久性, 特別是氯離子含量較高的海洋環境中的耐久性,已是當前亟待采取措施應對的重大問題.

混凝土結構耐久性受到多種因素的影響, 有抗滲、 抗凍、 抗侵蝕、 抗碳化、 抗磨蝕、 抗鋼筋鏽蝕及防止堿骨料反應等多項指標,各種影響因素之間又相互耦合, 破壞機理非常複雜. 目前, 研究混凝土結構的耐久性主要依靠試驗的手段. 建造暴露試驗站, 對混凝土試件進行長期現場暴露試驗, 是進行混凝土結構耐久性研究的重要手段之一.

  • 國內外混凝土結構耐久性暴露試驗站回顧

1.1國外暴露試驗站建造情況介紹

世界上許多發達的沿海國家, 如荷蘭、 丹麥、 瑞典、 美國、 德國和法國等, 建立了目的不同的係列海洋暴露試驗站,其中有專門研究混凝土結構耐久性的場站, 有的已經積累了3 0餘年研究數據[ 3 ], 不少成果已經反映在近年頒布的各類標準之中. 位於美國東海岸的T r e at I s l a n d ,Ma i n e ,U S A , 建於1 9 3 6年, 是世界上建造早同時也是世界的長期暴露試驗站之一, 已有7 0年的曆史.該暴露試驗站建造在潮差區, 擺放在暴露站的試件每天可以被海水浸沒2次, 漲落潮的高差達6 7m( 2 2f e e t ) , 試驗站冬天的低氣溫在- 1 0℃( 1 5 ° F ) , 試件每年可以經受 1 0 0~1 6 0次凍融循環, 而且試件還可以經受海水浸泡和風幹, 從而導致氯離子可以侵入試件內部,引起試件腐蝕及內部鋼筋鏽蝕.

歐盟為混凝土結構耐久性投入了大量的科研經費並積極采取應對措施, 經過幾十年的不懈努力, 創立了“ 耐久性設計與再設計” ( D u r a C r e t e ) 理論, 從海洋環境混凝土結構的腐蝕機理、 修補、 防護到耐久性設計等方麵取得了大量的可應用成果[4 ], 而 D u r a C r e t e理論的前提就是動態獲得結構原體耐久性關鍵參數的信息反饋. 建立實際環境中的長期暴露試驗站, 可以獲得與實際結構相一致的寶貴動態的實測數據,用以對耐久性設計時的關鍵參數進行監測, 從而可實現對耐久性再設計時的關鍵參數的調整. 因此, 建造長期暴露試驗站是對耐久性再設計的關鍵參數進行調整的重要手段之一.

為了研究海洋環境中氯離子侵入混凝土的過程以及氯離子含量與混凝土中鋼筋鏽蝕的關係, 日本琉球大學於19 8 4年開始在當地海岸邊進行了足尺試驗[ 1 ]. 該混凝土結構建在海邊, 北麵麵臨大海, 距今已有2 0年的曆史, 現在試驗仍在進行中. 混凝土結構包括梁、板、 柱, 結構西部的混凝土結構開始不含氯離子,而東部的混凝土結構開始就有0 3 %重量的氯離子混入; 結構北部的混凝土結構在外表塗覆防護層,而南部的混凝土則完全暴露.

1.2國內暴露試驗站建造情況介紹

中港係統於1 9 5 7年開始在天津新港北防波提安放混凝土試塊進行天然暴露試驗工作,1 9 6 1~1 9 6 4年分別在連雲港、 天津港和湛江建立了海洋暴露試驗站, 1 9 9 0年交通部委托一航局又建立了綜合性的錦州港建築材料暴露試驗站[5 ], 其中天津站由於淤積分別於1 9 8 3年和1 9 9 8年兩度遷建. 南京水利科學研究院等單位也於1 9 6 8~ 1 9 7 8年分別在湛江港、 天津港和上海港碼頭不同部位開展了鋼筋混凝土裂縫試件暴露試驗站的研究工作.為了提高海工建築物上部鋼筋混凝土結構的使用壽命, 延長大修年限, 1 9 8 4年開展了采用不同保護層厚度、 不同防腐措施的海工鋼筋混凝土防腐蝕性能的室內外對比試驗,並在深圳赤灣港石油基地碼頭建立了長期暴露試驗站[ 6 ]. 近年來, 我國在青島、 東海大橋等處建立了多處暴露試驗站. 杭

州灣跨海大橋也正在積極籌備建造長期暴露試驗站,用於對大橋混凝土結構耐久性的監測與評估.

  • 沿海混凝土結構耐久性現場試驗方法介紹

沿海混凝土結構耐久性主要是由於海水或大氣中的氯離子侵入混凝土內部引起鋼筋鏽蝕而引起.氯離子滲透性能反映了混凝土的密實程度以及抵抗外部介質向內部侵入的能力, 是耐久性的重要性能指標之一. 對於混凝土結構氯離子的滲透性主要以氯離子擴散係數來衡量.

2.1混凝土結構耐久性試驗的常用方法

目前, 國內外混凝土結構耐久性檢測/ 試驗有現場取樣檢測、 室內加速試驗和現場暴露試驗等形式.

1 ) 現場取樣檢測現場取樣檢測是混凝土結構耐久性測試的基本手段,通常在現場進行取樣、 檢測、測試, 並對取得試樣、 檢測結果、 測試數據等在室內進行檢測、 分析、 計算等. 對既有結構混凝土中氯離子含量的檢測, 可采用在現場混凝土構件的典型部位(通常受力較小的部位) 鑽芯取樣、 鑽孔取粉, 從而在實驗室通過強度測試及 R C T或 R C M等快速測試方法測定所取試樣的混凝土強度及氯離子含量, 進而得到混凝土結構的強度變化、碳化情況、 氯離子的擴散係數和分布規律等. 由於混凝土結構的耐久性是一個長期的過程, 僅僅依靠現場檢測隻能測定某一特定時間點混凝土結構的耐久性問題, 而混凝土結構耐久性是一個緩慢的動態過程,因此需要經過長期的檢測、 測試與數據處理和分析, 才能得到結構隨時間的動態退化規律.

2 ) 室內加速試驗 基於現場檢測方法周期長的不足, 為了縮短試驗周期,人們發展了通過室內加速試驗來研究混凝土結構的耐久性問題. 目前混凝土耐久性試驗普遍采用的是室內加速試驗法, 即在試驗中采用恒電流通電法和幹濕循環法等加速手段,使混凝土內鋼筋快速鏽蝕, 由此來研究混凝土結構的破壞特征和結構性能演變. 室內加速試驗是模擬結構構築物氣候環境的主要影響因素, 譬如海水浸泡、 雨淋、 日曬、凍融、 日光輻射、 溫度、 濕度變化等, 考慮氣候環境、 侵蝕環境與力學環境的相互作用, 研究人工加速模擬環境與混凝土微環境間平衡過程, 使得人工加速模擬環境過程的環境作用機理與其實際使用環境作用機理等效.從而使混凝土試件在較短時間內來模擬實際環境條件下較長時間的劣化過程. 室內加速試驗可以在較短時間周期內測定混凝土結構中的氯離子含量、 鋼筋鏽蝕情況等, 由於直接測定混凝土試件,因此比起現場檢測具有操作簡單、 受外界氣象條件幹擾少並且節約成本等優點. 如果環境參數設置適當, 可以得到較為理想的試驗結果. 然而, 室內耐久性加速試驗研究忽視了試驗環境與實際使用環境的相關性,其成果適用程度尚需進一步探討和研究.

3 ) 現場暴露試驗 建立現場暴露試驗站, 開展天然條件下長期的暴露試驗研究,已成為結構耐久性

專家們的廣泛共識. 暴露試驗站作為研究建築材料、 構件、 結構耐久性及破壞規律的室外試驗設施,是將科研成果應用於工程實踐、 轉化成生產力的極為經濟有效的途徑. 在現場暴露試驗站可以專門設置一些實際結構( 或構件) 用以取樣、 檢測, 其環境條件和受力狀態都非常真實,同時, 在現場暴露試驗站放置混凝土試件來模擬混凝土結構構件用以定期檢測結構的耐久性, 也具有現場檢測和室內加速試驗不可替代的作用. 模擬的環境條件比室內加速試驗要真實,並且具有對結構自身不損傷的優點, 工作麵好、 操作方便, 並且可以實現對水工結構水中區部分的耐久性進行檢測.

2.2對沿海混凝土結構進行耐久性檢測與評估的實用方法

根據上述常用檢測方法,在條件允許的情況下, 作者認為對沿海混凝土結構進行耐久性檢測與評估必須綜合利用室內加速試驗、 現場取樣檢測與現場暴露試驗, 即通過人工環境室內加速與現場取樣檢測、現場暴露試驗來共同實現.室內加速試驗是在人工模擬環境中現材料和結構的加速退化, 通過氣候環境、 侵蝕環境與力學環境的綜合交互效應, 掌握材料與結構全壽命過程性能退化的規律.達到上述目標的關鍵是通過對結構所處實際環境的人工氣候模擬, 實現人工氣候環境下混凝土材料與結構的等效衰減過程, 從而得到混凝土結構基本性能全壽命過程的衰減演變規律.該技術路線試驗周期短, 是結構耐久性的一個有效的研究方法. 然而,模擬環境的非真實性的缺陷是無法避免的, 人工環境加速方法與實際環境中鋼筋鏽蝕的電化學原理和鋼筋表麵鏽蝕特征必然存在著差異;掌握兩者之間的區別與聯係、 建立兩者之間的關係, 是利用於人工環境加速試驗結果來進行混凝土結構耐久性評估的關鍵. 該方法可以適用於任何混凝土結構, 包括已建結構、待建結構或在建結構.

考慮到混凝土結構的建設經過多年的發展, 在相同或者相似服役環境條件下通常會有不同建造使用年限、不同混凝土配合比及強度等級、 不同使用功能等各類混凝土結構的建築物, 因此, 在對混凝土結構進行耐久性檢測與評估時應當充分利用周圍不同使用年限的混凝土結構的耐久性性能,同時對周圍相同或相似環境條件下不同建造使用年限的典型結構構件進行耐久性現場檢測, 可以在較短時間內得到混凝土結構在不同使用年限的耐久性性能的動態變化, 有助於在短期內對結構物進行耐久性評估.該方案通常用於對已建結構進行耐久性評估. 對在建或待建結構進行耐久性評估及壽命預測時, 充分利用在相同或相似服役環境中的結構物, 對附近結構構件進行現場取樣檢測,其檢測結果既可以用於耐久性設計, 又可以與其他檢測方法相結合在較短時間內實現對新建或待建結構的耐久性評估與壽命預測.

現場暴露試驗是在混凝土結構附近選取或建造一個暴露試驗站, 將與結構組分與配合比相同的混凝土試件置於這個暴露試驗站中,通過測試這些試件來推測結構的耐久性性能. 該方法獲取的試驗數據真實可靠, 具有極強的說服力及實際應用價值, 但缺點是需要的試驗周期過長.

充分利用常見現場耐久性測試方法的優點, 即利用現場取樣檢測、 現場暴露試驗對人工環境模擬試驗方案研究成果進行驗證與校準,再通過不斷調整人工模擬加速試驗研究. 根據現場取樣檢測與人工氣候模擬加速試驗結果的整理、 分析與對比, 建立混凝土結構在自然環境與室內加速環境條件下基於環境、時間的耐久性性能退化的相似關係, 並根據現場暴露試驗結果對相似關係進行進一步的修正, 進而在短期內實現對已建、 待建或在建結構的耐久性性能評估, 並預測結構在其生命周期內的使用性能退化規律.

三、結論

    利用環境模擬技術,建設大型多功能有效地評估提出了一種新的自動控製混凝土結構環境模擬室,可以人工模擬各種大氣環境、工業環境的單一因素或綜合因素作用,開展混凝土環境試驗及相關理論研究。在實驗室對混凝土材料、結構的基本的熱學、力學、收縮、徐變、損傷等特性及其與各種氣候環境、海洋環境、腐蝕環境的定量關係進行全麵係統的仿真研究,加強材料與結構的學科交叉。針對小型構件或大型結構仿真模型,真實再現工程實際環境,進行結構裂縫的開裂機製、開裂應力發展變化、裂縫形成、結構破壞的全過程跟蹤試驗研究,達到從表觀至本質、微觀至宏觀的規律解析,裂控研究將會有較大的突破。因此研究混凝土環境模擬試驗室技術是非常必要的,對保證結構的安全性、耐久性有重要意義。

環境模擬試驗室可為人們提供一種擺脫自然規律、從時間到空間按主觀的意願去模擬各種理想環境,服務於科學實驗。在試驗室內模擬各種實際環境作用,研究考核材料、結構或設備等實驗對象對所處的環境產生的環境效應,可獲得實驗對象各種環境條件下的特性、環境適應性。

目前,環境模擬技術已趨成熟。利用單一因素的環境模擬試驗,如溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧、淋雨、風、太陽輻射、空間環境等氣候環境模擬試驗以及靜載、振動、衝擊等力學環境模擬試驗,易於找出單一環境因素對結構性能的影響規律以;綜合環境模擬是指2個以上環境參數同時作用的模擬試驗,可以真實地模擬實驗對象實際經受綜合環境的影響,增加試驗的真實性和可靠性。國內外對於環境試驗也相繼分布了有關的針對各種研究領域的環境試驗標準,但在實際應用中還要進行試驗標準的剪裁、試驗應力篩選等項工作,以得到更加可靠適用的試驗成果。

進行混凝土結構環境模擬試驗,需要模擬的實際環境多種多樣,如單一環境因素的模擬,包括高溫、低溫、濕度循環、濕度循環、寒潮襲擊、劇烈幹燥、淋雨、結露、凍融循環、鹽類及化學物質浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環境,以及力學加載環境等。此外,還要實現多種耦合環境的模擬,包括氣候環境與力學荷載作用的綜合、氣候環境與腐蝕工業環境的綜合,等等,充分考慮試驗的綜合環境設置、荷載施加力架的布置、腐蝕環境下加載方式和設備防護等技術問題。

用環境模擬技術,建設混凝土材料、結構的環境模擬試驗室是完全可行的。混凝土結構耐久性、早期特性及裂縫控製研究所需要的各項環境指標,如氣候環境、工業腐蝕環境、海洋侵蝕環境等等,都是可以實現的。因此,開展混凝土結構環境模擬試驗室技術的研究,深入探討混凝土結構環境模擬試驗的關健技術,定能建成高標準高水平的混凝土結構試驗研究平台,促進混凝土相關學科的發展。

 

簡要回顧了國內外暴露試驗站建造情況, 在介紹測定混凝土中氯離子擴散係數和混凝土結構耐久性現場測試常用方法的基礎上,通過分析和對比目前國內外混凝土結構常見的耐久性檢測方法, 結合沿海混凝土結構的特點, 提出了一種對沿海混凝土結構進行檢測與評估的實用方法. 該方法通過人工環境室內加速與現場取樣檢測、現場暴露試驗等, 建立人工氣候環境與自然環境條件下混凝土結構性能劣化的相似關係, 從而通過短期實驗實現對新建或待建結構的耐久性評估與壽命預測.

充分利用常見現場耐久性檢測方法的優點, 即利用現場取樣檢測、 現場暴露試驗對人工環境模擬試驗方案研究成果進行驗證與校準, 再通過不斷調整的人工模擬加速試驗研究.根據現場取樣檢測與人工氣候模擬加速試驗結果的整理、 分析與對比, 建立混凝土結構在自然環境與室內加速環境條件下基於環境、 時間的耐久性性能退化的相似關係, 並根據現場暴露試驗結果對相似關係進行進一步的修正,從而在短期內實現對已建、 待建或在建結構的耐久性性能評估, 並預測結構在其生命周期內的使用性能退化規律. 為今後對混凝土結構耐久性進行思路.
  

 

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