人工氣候模擬試驗方案設計-鹽霧試驗機
上一章中，把杭州灣跨海大橋按照侵燭機理分為大氣區、浪濺區、潮差區和 水下區四個部分，每個區域所受到的自然環境作用不同，室內人工氣候模擬試驗 根據與每個區域的環境參數和侵蝕機理相一致的原則來設計，
水下區、潮差區和浪濺區模擬環境設計
室內試驗溶液濃度
1、杭州灣海水氯離子濃度
杭州灣地處亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，海水鹽度受長江和錢塘江江水沖 淡影響，隨季節、溫度、地點、漲落潮而變化，因此杭州灣海水鹽度是一個變化 的值，現場調查資料給出年海水平均鹽度是10.787,結合大洋海水組成規律及一 些計算資料，給出兩種方法確定其濃度。
1)根據海水組成恒定性規律，天然大洋海水(全世界77個海水樣品)所含各種 鹽量表3.1來推算杭州灣海水的濃度及其中的氯離子濃度⑴。
表3.1天然大洋海水(全世界77個海水樣品)鹽含量成分表

鹽類	含量(g/kg)	氯離子含量（g/kg)
NaCl	23.476	14.25
MgCl2	4.981	3.72
NajSOj	3.917
CaCli	1.102	0.80
KCl	0.66	0.32
NaHCOj	0.192
KBr	0.096
H3B03	0.026
SrCb	0.024	0.013
NaF	0.003
含量總和	34.477	19.103

已知大洋海水鹽度為35,杭州灣的海水年平均鹽度為10,787，每kg海水中氯 10.787/35>=19.103=5.8875(g)
氯離子濃度為0.589%。
2)馮士偉計算鹽度時采用公式-

 

S%o=1.80655Cl%o (3-1)
已知S%o=10.787 ,則a%o=5.97 • Cl%o稱為海水的“氯度”，即?kg海水中 的溴和碘以氯當量置換，氯離子的總克數”》單位是g/g，以％<>號表示。可見氯度 的量值要稍大于海水的實際氣含量。
綜合以上兩種方法1kg海水中所含的氯離子質量可以認為是5.8875g,氯離子 濃度為0.589%。
2、室內模擬試驗溶液濃度擴大倍數
室內人工氣候模擬試驗要加速氯離子的擴散速度，從Fkk第二定律中發現提 高混凝土表面氯離子濃度或使表面氯離子濃度較快達到穩定值能夠加速氯離子侵 蝕，因此本文提髙室內試驗溶液濃度》當邊界條件中表面氯離子濃度是個穩定值，內部初始氯離子濃度為0，擴散系 數為常數時，Fkk第二定理的解析解如下-
(3-2)
通過現場實測表明，擴散系數Da與混凝土水膠比、膠凝材料品種與摻量以及環境 條件等多種因素有關，并隨混凝土受環境氯離子作用時間或年限的增長而降低， 符合指數衰減規律f3】：
(3-3)
文獻13〗還指出氯離子擴散系數在一定年限后會達到一個穩定值，一般常為取30年。 因此本文在設計方案時30年后氯離子擴散系數認為是穩定的值，同時由于杭州灣 跨海大橋現有資料中提供的氯離子擴散系數是84天RCM方法測得的值，不是通 過現場實測擬合得到的，因此在設計時來用如下公式-
(3-4)
式中；*為任意深度，Ci,為〖時刻X深度處的氯離子濃度，C,為鋼筋位置處的臨 界氣離子濃度，為棍凝土表面氯離子濃度。
 

表3.2海工耐久混凝土實測性能

部位	強度 等級	抗壓強度 MPa (28d)	氯離子滲透系 數 (84d)	坊落度 (cm)	擴展度 (cm)	抗裂性能
陸上樁基	C25	39.3	1.37	21	43	良好
海上樁基	C30	53.8	1.57	22	55	良好
陸上承臺、堪身	C30	39.3	1.21	21	42	良好
海上承臺	C40	57.4	0.73	18	/	良好
海上現饒堪身	C40	56.0	0.68	IS	55	良好
海上預制墩身	C40	57.6	0.37	18	/	良好
箱梁	C50	68.8	0.34	18	40	良好

 
.3海工耐久混凝土典型ffi合比

部位	強 度 等 級	水膠 比	每方混凝土各禾				瞧用	量（kg)
			水泥	礦粉	粉煤 灰	砂	石子	水	減水 劑	阻銷 劑
陸上樁基	C25	0.36	165	124	】24	754	960	149	4.13	/
海上柱基	C30	0.3125	264	/	216	753	997	150	5.76	/
陸上承臺、堪身	C30	0.36	170	85	170	742	1024	153	4.25	1
海上承臺	C40	0.33	162	81	162	779	1032	134	4.86	S.I
海上現済繳身	C40	0.345	126	16S	126	735	1068	145	5.04	8.4
海上預制墩身	C40	0.309	180	90	180	779	1032	139	5.4	9.0
箱梁	C50	0.32	212	212	47	724	1041	150	1.0	/

 
時間少，而潮差區試塊接觸溶液的時間居于水下區和浪濺區之間，因此以潮差區 試塊為例來設計室內試驗溶液濃度，為了模擬各區域試驗間的對比和方便，使用 統一的溶液濃度。參考表3.2和3.3,代表海上承臺的海工混凝土試塊位于潮差區， 其強度等級C40，水膠比0.33，外加摻和料：水泥40%，礦粉20%’粉煤灰40%, 84天RCM測得的氯離子擴散系數為0.73 X l(ri2m2/s。 1)參考Duracrete設計方法確定C；和的值
混凝土的表面氯離子濃度與環境條件、混凝土的水膠比及膠凝材料種類有關， 其平均值可用下式表示》
Q=Ac • (W/B) (3-5)
式中：Ac為擬合回歸系數，單位用占混凝土膠凝材料質量的比值表示，具體見表 3.4, W/B為水膠比。這里的表面氯離子濃度Cj用占混凝土膠凝材料質量的比值表 示。

表3.4擬合系數Ac

膠凝材料 海洋環境 、__	掛酸鹽水泥	粉煤灰	磨細礦漁	硅灰
水下區	10.3	10.8	5.06	12.5
潮沙、浪截區	7.76	7.45	6.77	8,96
大氣區	2,57	4.42	3,05	3.23

 
.5氯離子臨界濃度均值（與膠凝材料質量的比值％)

W/B	0.3	0,4	0.5
水下區	2.3	2.1	1.6
潮沙與浪濺區	0.9	0,8	0.5
注：氣離子1	S界濃度與膠凝材料種類有關，表中濃度為硅酸鹽水泥混凝土

 
氯離子臨界濃度Ce的平均值見表3.5,隨混凝土的水膠比而變。指數n與膠凝 材料種類和環境條件有關(表3.6),對某一配比混凝土，可按不同膠凝材料比例算 出《值》
:«值

““ K凝材料 海洋環境 —,	硅酸鹽水泥	粉煤灰	礦漁	掛粉
水下區	0.30	0.69	0.71	0.62
潮汝、浪濺區	0.37	0.93	0.60	0.39
大氣區	0.65	0.66	0.85	0.79

根據表3.4計算得-
 
Ac =7.76 X 0.4+7.45 X 0.4+6.77 X 0.2=7.44
Cs= (7.44X0.33) %=2.46% (與膠凝材料質量的比值，％) Cs=2.46%X(405/2355)=0.424% (與混凝土質量的比值，%) 膠凝材料質量： 81X5=405(kg) 混凝土質量：405+779+1032+134+4.86=2355(kg) 表3.5中查得： Cr=0.87% (與膠凝材料質量的比值’ ％)
C,=0.87X(405/2355)=0.149% (與混凝土質量的比值，％)
表 3.6 中査得：《=0.37X40%+0.93X40%+0.60X20%=0.64,同時取Q=0.424%, 2)參考Life?365計算程序和日本土木學會標準中的計算模型確定和Cs的
值混凝土表面氯離子濃度 Cs =0.65%〜0.8% 氯離子臨界濃度 C,=0.05% (針對普通桂酸鹽混凝土）
h=0.2-K).4(%FA/50+%SG/70)=0.6344 比較上述兩種標準所確定的值-表面氯離子濃度采用歐洲Duracrete標準取平均值 為0.424%;海工高性能混凝土臨界氯離子濃度比普通掛酸鹽混凝土的高’為了保守起見,取臨界氯離子濃度值0.1%; n值的大小對氯離子的擴散影響很大,取0.635. 把這些參數代入改進的Fick第二定律。所需時間大于30年時采用下面的公式：
C,=m Cs \-erf 小于30年時來用下面的公式： C,= mCs
■erf
試驗試塊的最小保護層厚度為20mm, Cj =0.424%,
0.23a, A)==0.73Xl(ri2m2/s。計算結果如下表 3.7。
.7濃度提商倍數與銹燭時間和時間降低倍數的關系

m	1.0	2.0	3.0	4.0
t (年〉	74.2	23.06	12.68	8.84
y	1.0	0.3106	0.1709	0.1192

公式中的t代表達到臨界濃度所需時間，m代表表面氯離子濃度提高倍數。 代表時間降低為原來的倍數，m和/、m和:的規律用圖3.1和圖3.2表示如下,
 
2,5
圖3.1表面濃度與誘燭時間的關系 _ 3.2表面濃度與誘燭時間降低倍數的關系
實驗室內試塊的保護層厚度有20，40 , 60 , 75，90，單位mm,現在取保護 層厚度為40mm計算鋼筋表面達到臨界氯離子濃度所需要的時間，保證實驗室條 件下20、40inm保護層厚度的混凝土在加速環境下鋼筋表面氣離子濃度達到臨界 值。計算公式同上，計算結果見表3.8。
表3.8濃度提高與誘燭時間和時問降低倍數的關系

m	1.0	2.0	3.0	4,0
t (年）	433	226	168	139
y	1.0	0.52	0.39	0.32

！和r、；《和>»的規律用圖3.3和圖3.4表示如下,
m 3.4外界濃度與侵燭時間的比擁M
 
田3.3外界濃度與侵蝕時間的關系
從以上圖表的分析可以得出：提高表面氣離子濃度能夠加速氯離子侵燭，當 表面氯離子濃度提高2倍時加速侵蝕的效果比較好，能把侵蝕時間縮短為原來的 0.3〜0.5倍之間。上述設計中外界溶液濃度是基于大洋海水濃度，因此在室內人工 氣候模擬試驗中溶液濃度提髙到大洋海水濃度的2倍。
杭州灣地區海水濃度由于淡水注入的稀釋作用導致年平均濃度約為大洋海水 的1/3，因此室內人工氣候模擬試驗中溶液濃度相當于杭州灣海水平均濃度的6倍。 3、室內試驗溶液配制
實驗室中把溶液中氛離子濃度提高到海水中筑離子濃度的6倍。實驗室的溶 液中氯離子濃度為： 0.589% X 6=3.53%;
采用NaCl溶液代替海水溶液，保證兩種溶液的氯離子濃度相同，則NaCl溶液的 濃度為： G5.5+23) /35.5X3.53%=5.82%j
實驗室配制用65g工業鹽（NaCl含量94%)放入lOOOg水中，實際NaCl溶 液濃度為： 65X94%/(1000+65)=5.74%。
模擬水下區、潮差區和浪濺區試驗都采用這個濃度值。