人工氣候模擬海洋大氣鹽霧區(qū)的加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊翔 費(fèi)恒濤 李姿揚(yáng) 董慶華 杜云 姜慧 李雁

摘 要：在海洋大氣鹽霧環(huán)境下，氯離子侵蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要原因。為了解決該環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)的相似性問(wèn)題，以海洋環(huán)境中混凝土受氯鹽侵蝕的實(shí)際工程為背景，在簡(jiǎn)述鹽霧侵蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了大氣鹽霧區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)（鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度和干濕時(shí)間比等）。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的模擬和改變來(lái)提高氯鹽侵蝕速度以制定加速試驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境 大氣鹽霧 混凝土結(jié)構(gòu) 人工模擬 相似性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（c）-0235-02

目前，許多混凝土結(jié)構(gòu)處于海洋環(huán)境中并承受鹽霧作用。鹽霧是由大氣中含鹽微小液滴所構(gòu)成的，其中的氯離子侵蝕會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，進(jìn)而引起鋼筋的銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。如何選擇合適的試驗(yàn)方法來(lái)研究該環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕規(guī)律是十分重要的。而人工氣候模擬加速試驗(yàn)方法是通過(guò)多功能氣候試驗(yàn)室人為地控制某一種或幾種因素來(lái)模擬自然氣候環(huán)境使試件耐久性能退化的一種試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)條件控制嚴(yán)格、重現(xiàn)性好、成本和復(fù)雜程度低、結(jié)果可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)，金偉良[2]等人提出的多重環(huán)境時(shí)間相似理論為研究該環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的試驗(yàn)方法奠定了理論基礎(chǔ)。該文以連云港某港口為例對(duì)海洋大氣鹽霧區(qū)的侵蝕機(jī)理與環(huán)境影響參數(shù)進(jìn)行分析，提出一種有效的模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的加速試驗(yàn)方案來(lái)研究混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。

1 鹽霧侵蝕機(jī)理

自然界的鹽霧是強(qiáng)電解質(zhì)，其中NaCl占電解質(zhì)的77.8%，導(dǎo)電能力較強(qiáng)，能加速電極反應(yīng)使陽(yáng)極活化，加快腐蝕速度。

鹽霧的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，其機(jī)理是基于原電池腐蝕，腐蝕過(guò)程如下：陽(yáng)極過(guò)程腐蝕電池中電位較負(fù)的金屬為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)。陽(yáng)極溶解過(guò)程由以下幾個(gè)連續(xù)步驟組成。

（1）金屬原子離開(kāi)晶格轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫖皆樱篗e晶格→Me吸附。

（2）電位差導(dǎo)致金屬氧化，其反應(yīng)為Me→Men+→ne-。放出等量的電子。由此形成的金屬離子既可溶液到電解液中，也可以與侵襲介質(zhì)中的成分發(fā)生反應(yīng)后淀析于金屬上。

（3）陽(yáng)極過(guò)程可持續(xù)到它所生成的電子被陰極耗盡為止。陰極發(fā)生反應(yīng)：O2+2H2O +4e→4OH-，在中性或堿性介質(zhì)中被還原成羥基離子。羥基離子又可與金屬離子發(fā)生反應(yīng)，而在酸性介質(zhì)中氫離子通過(guò)形成游離氫得到還原，氫則作為氣體逸出。

（4）在電解液中，氯化鈉離解成為鈉離子和氯離子，部分氯離子、金屬離子和氫氧根離子反應(yīng)生成金屬腐蝕物：2nMe++ 2nCl+2nOH→nMeCl+nMe（OH）。

2 影響氯離子侵蝕的鹽霧環(huán)境因素

2.1 鹽霧沉降率的影響

鹽霧沉降率是指單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上的鹽霧沉降量，它受鹽霧含量的影響，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。研究表明：空氣中的鹽霧含量越高，則鹽霧沉降率增大，腐蝕速度加快[3]。

2.2 霧粒直徑的影響

霧粒直徑越小，所形成的表面積越大，被吸附的氧量越多，腐蝕性也越強(qiáng)。研究成果表明：直徑1μm的鹽霧顆粒表面所吸附的氧量與內(nèi)部溶解的氧量是相對(duì)平衡的。鹽霧顆粒再小，所吸附的氧量也不在增加。

2.3 溫度和濕度的影響

在清潔的空氣中，材料腐蝕與溫度，相對(duì)濕度的關(guān)系可以用下面的公式來(lái)表示：

（1）

式中A為大氣腐蝕度；ψ為相對(duì)濕度（RH）；t為溫度（℃）

從式（1）中可以看出，相對(duì)濕度大于等于65%RH，材料容易腐蝕，并且隨著溫度和濕度的增加而增加。

2.4 干濕時(shí)間比的影響

混凝土曝露于大氣鹽霧區(qū)中，位于該區(qū)域的溶液是非飽和狀態(tài)。該狀態(tài)下的氯離子是在混凝土構(gòu)件表層風(fēng)干，再接觸到海水時(shí)，靠混凝土毛細(xì)管吸收作用而侵入的。風(fēng)干時(shí)水分向外遷移，而鹽分則向內(nèi)遷移；被海水潤(rùn)濕時(shí)，鹽分以溶液的形式帶進(jìn)混凝土的毛細(xì)管孔隙中。鹽分向內(nèi)遷移的程度取決于風(fēng)干與潤(rùn)濕交替期的長(zhǎng)短。一般認(rèn)為風(fēng)干的時(shí)間越長(zhǎng)再接觸海水后能夠更多更深入地帶進(jìn)氯化物。

3 鹽霧環(huán)境因素的人工模擬

連云港某港口的建筑物在大氣鹽霧區(qū)受到的侵蝕包括表層毛細(xì)作用和內(nèi)部擴(kuò)散作用，主要環(huán)境影響因素為鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度、干濕時(shí)間。設(shè)計(jì)人工氣候模擬試驗(yàn)時(shí)以自然環(huán)境下的參數(shù)變化規(guī)律為依據(jù)進(jìn)行模擬，為該港口的人工氣候加速環(huán)境設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

人工氣候模擬加速試驗(yàn)的關(guān)鍵在于：一方面要達(dá)到模擬環(huán)境與自然環(huán)境具有相關(guān)性的效果；另一方面要達(dá)到加速氯離子侵蝕的效果。由于人工氣候模擬試驗(yàn)方法具有試驗(yàn)時(shí)間短、試驗(yàn)條件可以嚴(yán)格控制、試驗(yàn)結(jié)果的可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，該文根據(jù)該港口的氣候環(huán)境特點(diǎn)提出一種有效的人工氣候模擬試驗(yàn)方案來(lái)研究該環(huán)境下海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能退化規(guī)律。

3.1 鹽霧沉降率模擬

在選定鹽霧沉降率時(shí)，以本海域自然沉降量為基礎(chǔ)，并且考慮加速作用，進(jìn)行理論修正來(lái)確定。將一個(gè)直徑為10 cm的漏斗固定在一個(gè)50 mL的量筒上放置試驗(yàn)箱中，連續(xù)噴霧12 h后讀取量筒內(nèi)鹽霧沉降量的體積，通過(guò)式（2）計(jì)算出鹽霧沉降率。

（2）

式中G為鹽霧沉降率，mL/（8cm2·h）；V為鹽霧沉降量，mL/80cm2；t為連續(xù)噴霧時(shí)間，h。

連續(xù)噴霧12 h要求的鹽霧量為（12～24） mL/（80cm2），所以鹽霧量沉降率為（1.0～2.0 mL/80（cm2·h）。

3.2 霧粒直徑模擬

霧粒直徑的大小影響腐蝕速度，該海域的鹽霧直徑較小，大都在2μm以下，有90%以上小于5μm。將一塊20×50 cm的薄玻璃片放在玻璃培養(yǎng)皿中加蓋，放置于箱內(nèi)測(cè)試位置上，待連續(xù)噴霧5 min后，取掉培養(yǎng)皿蓋子，讓鹽霧在玻璃片上沉降30 s，再加上蓋子，并取出箱外，在300～1000倍顯微鏡下測(cè)出玻璃片上固定位置內(nèi)霧粒的直徑，并統(tǒng)計(jì)百分率。這樣得出霧粒直徑在1～5μm內(nèi)占85%以上。

3.3 溫度模擬

環(huán)境溫度升高，混凝土中氯離子的活動(dòng)加劇，從而氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度提高。該港口年氣溫如圖1所示。

為了方便試驗(yàn)操作，該文將每月氣溫平均值劃分成幾個(gè)月氣溫平均值，如圖2所示。Nernst-Einstein方程給出了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間的關(guān)系：

（3）

式中：DCL、D0分別為溫度θ、θ0時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；q為活化能系數(shù)；與水灰比有關(guān)，當(dāng)水灰質(zhì)量比為0.4時(shí)，q=6000 K；當(dāng)水灰質(zhì)量比為0.5時(shí)，q=5450 K；當(dāng)水灰質(zhì)量比為0.6時(shí)，q=3850 K。式（3）為提高溫度加速氯離子侵蝕提供了理論依據(jù)。通過(guò)式（3）可以推導(dǎo)出不同溫度下擴(kuò)散系數(shù)的比值，如下式：

（4）

式中：x為擴(kuò)散系數(shù)的提高倍數(shù)。

從上式中能夠得出，當(dāng)x較大時(shí)，室內(nèi)加速試驗(yàn)溫度較高，計(jì)算得出設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)升高溫度使氯離子擴(kuò)散系數(shù)提高到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的4倍比較合理。結(jié)合該港口月氣溫平均值分別計(jì)算室內(nèi)加速試驗(yàn)的溫度，結(jié)果如表1。

3.4 濕度模擬

水是氯離子在混凝土中擴(kuò)散的前提條件。相對(duì)濕度越高，混凝土中的氯離子傳輸越快。Bazant和Najjar提出了一個(gè)模型用來(lái)計(jì)算相對(duì)濕度的影響系數(shù)：

（5）

式中：為臨界相對(duì)濕度，一般取=75%。

在混凝土內(nèi)部和接觸外界的表層之間，相對(duì)濕度是漸變而又連續(xù)的，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間內(nèi)部混凝土相對(duì)濕度能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，該值介于空氣相對(duì)濕度和飽水狀態(tài)濕度之間。假設(shè)構(gòu)件內(nèi)部混凝土相對(duì)濕度為90%，其相對(duì)濕度影響系數(shù)為0.98。若構(gòu)件與海水接觸時(shí)間較長(zhǎng)，則相對(duì)濕度對(duì)擴(kuò)散的影響可以忽略，若構(gòu)件風(fēng)干時(shí)間較長(zhǎng)，則要考慮相對(duì)濕度對(duì)擴(kuò)散的影響。因此，該試驗(yàn)可以忽略濕度的影響。

3.5 干濕時(shí)間比例模擬

該海域的大氣區(qū)是“濕潤(rùn)-干燥”的循環(huán)過(guò)程。為了能更好地模擬大氣環(huán)境和加速腐蝕，真實(shí)地再現(xiàn)自然環(huán)境下大氣區(qū)風(fēng)干和潤(rùn)濕交替循環(huán)過(guò)程，試驗(yàn)每24 h一個(gè)循環(huán)過(guò)程，間斷噴霧，噴霧時(shí)間與干燥時(shí)間的比例為1∶1。

4 海洋大氣鹽霧區(qū)人工模擬加速試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

對(duì)該港口大氣鹽霧區(qū)人工模擬加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，鹽霧沉降率為（1.0～2.0）mL/80（cm2·h），霧粒直徑在1～5μm內(nèi)的占85%以上，溫度采用之前模擬所得出的室內(nèi)加速試驗(yàn)的溫度。噴霧時(shí)間與干燥時(shí)間的比例為1∶1，一個(gè)循環(huán)過(guò)程是24 h，每噴霧12 h后在溫度不變的情況下干燥12 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程是在多功能氣候?qū)嶒?yàn)室中進(jìn)行，模擬過(guò)程中的參數(shù)如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了連云港某港口大氣鹽霧區(qū)的人工氣候模擬加速試驗(yàn)方案，得出以下結(jié)論。

（1）該區(qū)的鹽霧腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，其機(jī)理是基于原電池腐蝕。

（2）在該試驗(yàn)中主要考慮的環(huán)境影響因素有：鹽霧沉降率、霧粒直徑、溫度、濕度及干濕時(shí)間比例。

（3）鹽霧區(qū)的結(jié)構(gòu)物絕大部分時(shí)間都受到氣溫影響，可以直接模擬氣溫的變化規(guī)律。

（4）由于大氣鹽霧區(qū)的構(gòu)件長(zhǎng)期受到鹽霧作用，該文忽略濕度對(duì)其的影響。

（5）該實(shí)驗(yàn)將“濕潤(rùn)-干燥”的循環(huán)過(guò)程考慮進(jìn)來(lái)，能夠真實(shí)再現(xiàn)自然環(huán)境下的干濕循環(huán)過(guò)程。

（6）該文設(shè)計(jì)的人工氣候模擬實(shí)驗(yàn)方案能夠有效的模擬該港口大氣區(qū)主要因素的變化，與自然環(huán)境具有一定的相似性，為以后海洋環(huán)境的人工氣候模擬加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 王建東，張俊芝，魯列，等.多功能氣候試驗(yàn)室模擬效果研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（4）：42-45.

[2] 金偉良.氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論與設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2011：1-114.

[3] 王麗.鹽霧試驗(yàn)參數(shù)確定的理論依據(jù)淺析[J].環(huán)境技術(shù)，1998，16（1）：14-18.