海洋环境结构混凝土耐久性试验研究综述.pdf
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1、第 3 2 卷第 3期 V0 1 3 2 No 3 水 利 水 电 科 技 进 展 Adv a n c e s i n S c i e n c e an d Te c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 2年 6月 J u n 2 0 1 2 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 0 3 0 1 9 海洋环境结构混凝土耐久性试验研究综述 张 萍l , 2 , 秦鸿根 2 , 庞超 明 2 , 孙 伟 2 ( 1 东南大学材料科学与工程学院, 江苏 南京2 1
2、1 1 8 9 ; 2 江苏省土木工程材料重点实验室, 江苏 南京2 1 1 1 8 9 ) 摘要 : 综述 了海洋环境结构混凝土暴露试验及室内加速试验的特征及现状 , 总结 了国内外海洋环境 结构混凝土耐久性试验方法, 指 出该领域的发展趋势是对不饱和状态、 载荷与环境 多因素耦合作用 下的混凝土耐久性进行研究, 进而探索海洋暴露试验与室内模拟环境加速试验之 间的相关性, 并建 立结构混凝土的损伤劣化与寿命预测模型 , 从而利用室内模拟环境加速试验的模型预测海洋环境 下结构混凝土损伤劣化规律和使用寿命 。 关键词: 海洋环境 ; 结构混凝土 ; 耐久性; 暴露试验 ; 室内加速试验 ; 综述
3、 中图分类号: P 7 5 4 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 8 1 - 0 5 R e v i e w o f d u r a b i l i t y t e s t i n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n ma r i n e e n v i r o n me n t Z H A N G P i n g 一 Q I N H o n g - g e n P A N G C h a o m i n g 一, S U N We i ( 1 S c h o o
4、 l o fMa t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i ng 2 1 l 1 8 9 ,C h i n a ; 2 J i a ngs u K e y L a b o r at o r y ofC o n s t r u c t i o n M ate r i a ls ,N a n j i ng 2 1 1 1 8 9 ,C h i na ) Ab s t r ac t : T hi s p a p e r pr e
5、s e n t s a r e v i e w o f t l l e c h a r a c t e ris t i c s a n d s t a t u s of e x p o s ure t e s t s i 13 ma r i n e e n v i r o n me n t a n d i n d o o r a c c e l e r a t e d t e s t s of r e i n f o r c e d c o n c r e t e ,a n d S L l mr I z e s t h e d u r a b i l i t y t e s t i n g m
6、e t h o d s a t h o me a n d abr o a dTh e a u t h o r s pai n t o u t t l at t h e d e v e l o p me n t t r e n d i n t h i s a r e a i s t o s t u d y the d u r a b i l i t y of rei nfo rce d c o n c r e t e i 13 a n u n s a t ura t e d s t a t e a nd t h e c o u p l i n g e f f e c t of 1 o a d a
7、 nd m a r i n e e n v i r o n me n t An i mp o r t a n t t a s k i S t o e x p l o r e山e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t l e e x p o s u r e t e s t s i n a ma ri n e e n v i r o n me n t a n d the a c c e l e r a t e d t e s t s i 13 a n i n d o o r s i mu l a t i v e e n v i ronm e n t a n d
8、 d e v e l o p a d a ma g e d e t e r i o r a t i o n a n d l i f e p r e d i c t i o n mo d e l f o r r e i nfo r c e d c o n c r e t e r n l u S t h e d e t e ri o r a t i o n r u l e s an d t h e s e r v i c e 1 i r e of t h e r e i n f o r c e d c o 13 c r e t e i n t l e ma r i n e e n v i ron
9、me n t c a n be p red i c t e d b a s e d 0 13 t h e res u l t s of t h e i n d o o r a c c e l e r a t e d t e s t s Ke y wo r d s:ma r i n e e n v i ronm e n t ;r e i nfo r c e d c o n c r e t e;d u r ab i l i t y;e x p o s u re t e st;i n d o o r a c c e l e r a t e d t e s t ;r e v i e w 国内外相关机构
10、从 环境与材料的角度 出发 , 对 混凝土结构 的耐久性研 究较为深入。据 不完 全统 计 , 美国正在进行的研究项 目中, 和混凝土耐久性有 关的就有 1 2 项 , 例如预制预应力混凝土桩海洋环境 下的耐久性研究 。该项 目以提高格鲁吉亚海洋环境 中混凝土桥梁 的耐久性 为主要 目的, 于 2 0 1 1年完 成l 1 j 。荷兰的研究项 目海洋环境 中混凝土耐久 性研究, 拟设计可靠的室内氯离子加速侵蚀试验, 对 暴露于氯盐环境 中的混凝土结构进行评估 , 最终获 得改善混凝土耐久性的方法 , 将于 2 0 1 2年完成。 除了研究混凝土结构耐久性影响机理, 如何较 好地进行海洋环境结构
11、混凝土寿命预测, 也是重要 的研究内容之一。 目前 , 海洋环境结构混凝 土耐久 性研究采用的试验方法可分为 3种 : 现场取样检测 、 自然环境暴露试验和室内模拟环境加速试验。本文 将对以上方法的研究现状进行综述 。 1 试验方法 1 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 , 通常在现场取样和测试 , 并对取得的试样 、 检 测结果和测试数据进行检测 、 计算和分析L 2 j 。国外 对海洋大气环境下距海平面不同高度和距海岸线不 同距离的混 凝土表面氯离子浓度分布做过 大量 调 查 , 也取得一些珍贵资料 , 但 由于数据分散性大, 对 混凝土的寿命预测工作较难实
12、现l 3 J 。 目前现场取样检测多用于对在役混凝土结构进 行耐久性评估 , 或对不 同使用年限 的混凝土结构取 样进行试验分析 , 与所得室内试验结果和理论模型 相 验证 。 基金项 目: 国家重点基础研究发展计 划( 9 7 3计划 ) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ; 高性 能土木工程材料 国家重点实验室开放基金 ( 2 o 1 0 c E MO l 0 ) 作者简介: 张萍( 1 9 8 0 一) , 女, 山东德州人, 工程师, 博士, 主要从事混凝土耐久性及水泥基材料无损检测研究。E - m a i l : z h a n g - p i n g s e
13、u e d u c n 水利水 电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 3 )T e : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l : flh h u e d u C I L h t tp: k k b h h u e d u m 81 1 2自然暴露试验 1 2 1 国外暴露试验站现状及试验 内容 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 的动态数据 , 用以对耐久性设计 时的关键参数进行监测和调整。 世界上许多沿海国家均建立了不同目的的海洋 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 4 0余年研究数据
14、 , 不少成果 已经反映在近年颁布的各类标准之 中。 美 国是拥有暴露站较多 的国家, 2 0世纪初 , 通 过材料在本土 自然环境 中的长期暴露试验 ( 大气 2 5 3 5 a 、 海水 2 0 2 5 a 、 土壤 4 0 4 5 a ) 和系统的研究 , 积累了大量的数据 。美阿特拉斯( A r I L AS ) 气候服务 集团的海洋暴露站具有诸多环境类型 , 例如北方寒 冷环境 , 典型地中海气候 , 亚热带潮汐 、 沉浸环境 , 热 带海洋气候 , 临海轻工业环境 , 多阳光 、 温度高及湿 度大的环境等 , 承担着世界各地 、 各机构 的科研和生 产项 目。 T r e a t
15、I s l a n d ( 建于 1 9 3 6年) 是世界上建造最早 同 时也是最著名的长期暴露试验站。该暴露试验站设 立在潮差区 , 如图 1 所示 , 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 7 m, 冬天 的最低气温在 一1 0 c ( = , 试件每年可以经受 1 0 01 6 0 次冻融循环破坏, 试件经受海水浸泡和风干 , 从而导 致氯离子侵入试件 内部 , 引起试件腐蚀及 内部钢筋 锈蚀。该暴露站 目前有 2 2 个研究计划正在进行 , 包 括美国建设工程技术研究实验室的海水和冻融对纤 维混凝土抗弯强度和其他性能影响的研究项 目, 美 ( a )
16、 潮筹区暴露试样 ( b 1 试样放置 图 1 T r e a t l s l a n d 暴露站混凝土试件 8 2 水利水电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 3 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 国预应力混凝土项 目对不同应力状态下端头锚索的 寿命进行的暴露试验等_ 4 J 。 在欧洲 , H u d s o n 等l 5 j 早在 2 0世纪 3 0年代 已开 始 自然环境试验 , 法国、 瑞典 、 英 国等 国家均拥有 l 0 个 以上的各类大气 、 海洋环境暴露站。加拿大和英 国合作 , 在 B R E( b u i l d i n g r e
17、s e a r c h e s t a b l i s h m e n t ) 暴露 站进行 了为期 1 0 a的暴露试验 , 分析了小同混凝土 强度等级 、 不同粉煤灰掺量及类型对粉煤灰混凝土 在海洋环境 中的性能影响l 6 7 。 其他国家也不同程度地开展了 自然环境暴露试 验, 前苏联于 2 0世纪 5 0年代在本土和我 国进行 了 大量的暴露试验。 日本在开展大量金属材料的 自然 环境试验的同时 , 与中国 、 泰国、 美国等 国家合作 , 在 建筑材料方面也积极地进行研究l 8 j 。印度 、 越南 、 韩 国等国也均建立诸多暴露站 , 有些还加入 了全球典 型 自然环境试验 网络l
18、 3 j 。同时 , 很多暴露试验为 了 节约成本并更接近工程实际情况 , 也借助水坝 、 海工 等场所进行研究 9 - 1 0 j 。 1 2 2 国内暴露试验站情况及试验 内容 截止 2 0 0 3 年 , 全国材料 自然环境腐蚀试验网站 投入腐蚀试验材料 6 大类 、 3 5 3 种 , 共 9万多个试件 , 现已积累大气 、 海水腐蚀环境 8 1 0 a 的 自然腐蚀数 据 , 数据通过专家评审 , 已在 国家建设 中获得应 用 , 并取得 了显著 的社会效益和经济效益 。又经过 5 a 的发展 , 我国已经在生态环境 、 材料环境腐蚀 、 特 殊环境和大气本底 、 地球物理等 4个领
19、域建设 了 1 0 5 个国家野外站_ 】 。其中典型海洋环境暴露试验 站 有八所港暴露试验站( 亚热带海洋环境 ) 、 厦 门港湾 暴露试验站 、 华南海港工程材料腐蚀暴露试验站( 高 温高湿环境氯离子腐蚀 ) 、 青岛市小麦岛暴露场 、 渤 海湾现场试验暴露站 ( 冬寒夏热 , 冬季常结冰 , 平均 潮差为 23 m, 盐度高达 3 3 ) 。近年来 , 我 国在青 岛、 东海大桥等处又建立 了多处暴露试验站 , 用于对 海洋环境下的桥梁混凝土结构耐久性的监测与评估。 各研究机构为了得到现场暴露数据 , 也分别建立 自己 的暴露试验站。例如, 南京水利科学研究院等单位于 1 9 6 8 -
20、 1 9 7 8 年在湛江港 、 天津港和上海港开展了钢筋 混凝土裂缝试件暴露试验站的研究工作。 国内的暴露试验站承担了众多科研项 目, 例如 孙伟院士主持的 9 7 3项 目“ 环境友好现代混凝土 的 基础研究” , 其中海洋环境结构混凝土的损伤劣化研 究工作在青岛小麦岛暴露场进行 , 主要研究海洋大 气区、 潮汐区化学一 力学耦合作用下配筋混凝土的长 期损伤劣化规律 。中港集团建筑材料重点实验室分 析了高温高湿环境下 , 暴露时间 、 水胶 比、 掺和料等 因素对海工混凝土耐久性的影响。 E - m a d: 庙 h h u e d u c l z h t tp: 触6 h h u e d
21、 u c n 试件所处的劣化环境 即为真实环境 , 因此现场 暴露试验的结果真实可靠 , 可直接反应材料在实际 环境中的损伤 劣化情 况。与现场取样检测方 法相 比, 暴露试验不会对在役结构造成损伤 , 工作面好 , 操作方便 。但是, 暴露试验所需时间长, 试验成本较 高 , 使工作效率和经济效益降低。同时 由于暴露环 境针对性强 , 可变因素多, 试验可重复性差 , 难 以适 用于多变的真实使用环境。 目前 , 如何将复杂环境 下测得的数据和资料更准确地用来进行寿命预测和 指导新建工程成为研究重点。 1 3 室 内加 速试 验 为了缩短试验周期 , 增强可重复性 , 研究者通过 室内模拟加
22、速试验来研究混凝 土结 构 的耐久性 问 题。室内加速试验首先能够模拟实际环境 , 或者使 室内环境和 自然环境具有相关性 , 其次能够加速腐 蚀和损伤进程。 海洋潮汐环境混凝土耐久性加速试验较多地采 用干湿循环方法, 可以分为周期性浸泡干湿循环方 法和周期性喷淋干湿循环方法l l 3 _ J 。周期性浸泡 干湿循环方法是将试件在溶 液中浸泡一段 时间, 然 后在一定温度下干燥一段时间, 如此循环进行海水 干湿循环模拟。周期性喷淋是定时将溶液喷淋在试 件上 , 然后用灯照等方式干燥一段时间 , 如此交替进 行模拟。其各环节中氯离子含量 、 温度 、 相对湿度 、 干燥时间 、 浸泡时间、 循环
23、周期等参数的设置均未有 统一标准。目前使用较多的为单 因素模 拟 , 而多因 素 、 荷载与环境 因素耦合作用下混凝土结构的损伤 劣化室内加速试 验也正在研究 中, 其试验方法也未 有统一标准。 2 室内加速试验与现场暴露试 验的相关性 室内加速试验是 目前混凝土耐久性试验普遍采 用的方法, 但是用几个月或几年的试验结果来判断 近百年的使用寿命 , 偏差会较大 , 因此 , 研究者逐渐 采用相应的暴露试验来验证室内加速试验的结果 , 目前已取得一定的成果。例如 “ 环境对钢筋混凝土 耐久性的影响” ( D U R A C O N) 项 目由巴西 、 阿根廷等 1 1 个 国家共同资助 , 其前
24、期结果表明, 经过 2 1 个海 洋暴露试验站的腐蚀状况统计和概率分析 , 其暴露 试验结果和室内电化学试验结果 基本吻合_ 1 。加 拿大 C A N M E T实验室和美国德州奥斯汀大学也对室 内加速试验方法及现状进行 了研究【 1 6 , 认 为需要进 一 步改进和完善测试方法, 以提供准确可靠的结果, 以期和暴露试验结果有更好 的关联。浙江大学金伟 良教授将相似理论应用于混凝土结构耐久性的研究, 提出多重环境时间相似理论( ME T S ) , 解决了室 内加 速试验环境与现场实际环境之间的相似性问题l l 。 如何在不 同模拟环境条件下统一室内加速试验 方法 的相关标准 , 如何由单
25、因素模拟转向多因素 、 荷 载与环境因素耦合模拟 , 使室 内加速试验得到的离 子运动特性及规律 、 混凝 土损伤失效过程 以及使用 寿命预测模型与实际环境具有更好 的相关性 , 尚有 待进一步研究 。 3 现有理论成果及存在的问题 目前取得 的研究成果主要在损伤规律 、 影响因 素和模型建立等方面。 在损伤规律和影 响因素方面 , 根据多年暴露试 验结果 , 结合室 内加速试验 , 取得 了以下一致 的观 点【 1 8 - 2 0 J : 不同部位混凝土的表面氯离子浓度和临 界氯离子浓度受气候条件 、 海水中化学物质含量 、 混 凝土配合比、 掺和料种类 的影响较大; 随着混凝土 服役龄期的
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- 海洋环境 结构 混凝土 耐久性 试验 研究 综述
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