人工气候模拟试验方案设计-盐雾试验机
上一章中，把杭州湾跨海大桥按照侵烛机理分为大气区、浪溅区、潮差区和 水下区四个部分，每个区域所受到的自然环境作用不同，室内人工气候模拟试验 根据与每个区域的环境参数和侵蚀机理相一致的原则来设计，
水下区、潮差区和浪溅区模拟环境设计
室内试验溶液浓度
1、杭州湾海水氯离子浓度
杭州湾地处亚热带季风气候区，雨量充沛，海水盐度受长江和钱塘江江水冲 淡影响，随季节、温度、地点、涨落潮而变化，因此杭州湾海水盐度是一个变化 的值，现场调查资料给出年海水平均盐度是10.787,结合大洋海水组成规律及一 些计算资料，给出两种方法确定其浓度。
1)根据海水组成恒定性规律，天然大洋海水(全世界77个海水样品)所含各种 盐量表3.1来推算杭州湾海水的浓度及其中的氯离子浓度⑴。
表3.1天然大洋海水(全世界77个海水样品)盐含量成分表

盐类	含量(g/kg)	氯离子含量（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
含量总和	34.477	19.103

已知大洋海水盐度为35,杭州湾的海水年平均盐度为10,787，每kg海水中氯 10.787/35>=19.103=5.8875(g)
氯离子浓度为0.589%。
2)冯士伟计算盐度时采用公式-

 

S%o=1.80655Cl%o (3-1)
已知S%o=10.787 ,则a%o=5.97 • Cl%o称为海水的“氯度”，即?kg海水中 的溴和碘以氯当量置换，氯离子的总克数”》单位是g/g，以％<>号表示。可见氯度 的量值要稍大于海水的实际氣含量。
综合以上两种方法1kg海水中所含的氯离子质量可以认为是5.8875g,氯离子 浓度为0.589%。
2、室内模拟试验溶液浓度扩大倍数
室内人工气候模拟试验要加速氯离子的扩散速度，从Fkk第二定律中发现提 高混凝土表面氯离子浓度或使表面氯离子浓度较快达到稳定值能够加速氯离子侵 蚀，因此本文提髙室内试验溶液浓度》当边界条件中表面氯离子浓度是个稳定值，内部初始氯离子浓度为0，扩散系 数为常数时，Fkk第二定理的解析解如下-
(3-2)
通过现场实测表明，扩散系数Da与混凝土水胶比、胶凝材料品种与掺量以及环境 条件等多种因素有关，并随混凝土受环境氯离子作用时间或年限的增长而降低， 符合指数衰减规律f3】：
(3-3)
文献13〗还指出氯离子扩散系数在一定年限后会达到一个稳定值，一般常为取30年。 因此本文在设计方案时30年后氯离子扩散系数认为是稳定的值，同时由于杭州湾 跨海大桥现有资料中提供的氯离子扩散系数是84天RCM方法测得的值，不是通 过现场实测拟合得到的，因此在设计时来用如下公式-
(3-4)
式中；*为任意深度，Ci,为〖时刻X深度处的氯离子浓度，C,为钢筋位置处的临 界氣离子浓度，为棍凝土表面氯离子浓度。
 

表3.2海工耐久混凝土实测性能

部位	强度 等级	抗压强度 MPa (28d)	氯离子渗透系 数 (84d)	坊落度 (cm)	扩展度 (cm)	抗裂性能
陆上桩基	C25	39.3	1.37	21	43	良好
海上桩基	C30	53.8	1.57	22	55	良好
陆上承台、堪身	C30	39.3	1.21	21	42	良好
海上承台	C40	57.4	0.73	18	/	良好
海上现饶堪身	C40	56.0	0.68	IS	55	良好
海上预制墩身	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	强 度 等 级	水胶 比	每方混凝土各禾				瞧用	量（kg)
			水泥	矿粉	粉煤 灰	砂	石子	水	减水 剂	阻销 剂
陆上桩基	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	/
陆上承台、堪身	C30	0.36	170	85	170	742	1024	153	4.25	1
海上承台	C40	0.33	162	81	162	779	1032	134	4.86	S.I
海上现済缴身	C40	0.345	126	16S	126	735	1068	145	5.04	8.4
海上预制墩身	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	/

 
时间少，而潮差区试块接触溶液的时间居于水下区和浪溅区之间，因此以潮差区 试块为例来设计室内试验溶液浓度，为了模拟各区域试验间的对比和方便，使用 统一的溶液浓度。参考表3.2和3.3,代表海上承台的海工混凝土试块位于潮差区， 其强度等级C40，水胶比0.33，外加掺和料：水泥40%，矿粉20%’粉煤灰40%, 84天RCM测得的氯离子扩散系数为0.73 X l(ri2m2/s。 1)参考Duracrete设计方法确定C；和的值
混凝土的表面氯离子浓度与环境条件、混凝土的水胶比及胶凝材料种类有关， 其平均值可用下式表示》
Q=Ac • (W/B) (3-5)
式中：Ac为拟合回归系数，单位用占混凝土胶凝材料质量的比值表示，具体见表 3.4, W/B为水胶比。这里的表面氯离子浓度Cj用占混凝土胶凝材料质量的比值表 示。

表3.4拟合系数Ac

胶凝材料 海洋环境 、__	挂酸盐水泥	粉煤灰	磨细矿渔	硅灰
水下区	10.3	10.8	5.06	12.5
潮沙、浪截区	7.76	7.45	6.77	8,96
大气区	2,57	4.42	3,05	3.23

 
.5氯离子临界浓度均值（与胶凝材料质量的比值％)

W/B	0.3	0,4	0.5
水下区	2.3	2.1	1.6
潮沙与浪濺区	0.9	0,8	0.5
注：氣离子1	S界浓度与胶凝材料种类有关，表中浓度为硅酸盐水泥混凝土

 
氯离子临界浓度Ce的平均值见表3.5,随混凝土的水胶比而变。指数n与胶凝 材料种类和环境条件有关(表3.6),对某一配比混凝土，可按不同胶凝材料比例算 出《值》
:«值

““ K凝材料 海洋环境 —,	硅酸盐水泥	粉煤灰	矿渔	挂粉
水下区	0.30	0.69	0.71	0.62
潮汝、浪溅区	0.37	0.93	0.60	0.39
大气区	0.65	0.66	0.85	0.79

根据表3.4计算得-
 
Ac =7.76 X 0.4+7.45 X 0.4+6.77 X 0.2=7.44
Cs= (7.44X0.33) %=2.46% (与胶凝材料质量的比值，％) Cs=2.46%X(405/2355)=0.424% (与混凝土质量的比值，%) 胶凝材料质量： 81X5=405(kg) 混凝土质量：405+779+1032+134+4.86=2355(kg) 表3.5中查得： Cr=0.87% (与胶凝材料质量的比值’ ％)
C,=0.87X(405/2355)=0.149% (与混凝土质量的比值，％)
表 3.6 中査得：《=0.37X40%+0.93X40%+0.60X20%=0.64,同时取Q=0.424%, 2)参考Life?365计算程序和日本土木学会标准中的计算模型确定和Cs的
值混凝土表面氯离子浓度 Cs =0.65%〜0.8% 氯离子临界浓度 C,=0.05% (针对普通桂酸盐混凝土）
h=0.2-K).4(%FA/50+%SG/70)=0.6344 比较上述两种标准所确定的值-表面氯离子浓度采用欧洲Duracrete标准取平均值 为0.424%;海工高性能混凝土临界氯离子浓度比普通挂酸盐混凝土的高’为了保守起见,取临界氯离子浓度值0.1%; n值的大小对氯离子的扩散影响很大,取0.635. 把这些参数代入改进的Fick第二定律。所需时间大于30年时采用下面的公式：
C,=m Cs \-erf 小于30年时来用下面的公式： C,= mCs
■erf
试验试块的最小保护层厚度为20mm, Cj =0.424%,
0.23a, A)==0.73Xl(ri2m2/s。计算结果如下表 3.7。
.7浓度提商倍数与锈烛时间和时间降低倍数的关系

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代表达到临界浓度所需时间，m代表表面氯离子浓度提高倍数。 代表时间降低为原来的倍数，m和/、m和:的规律用图3.1和图3.2表示如下,
 
2,5
图3.1表面浓度与诱烛时间的关系 _ 3.2表面浓度与诱烛时间降低倍数的关系
实验室内试块的保护层厚度有20，40 , 60 , 75，90，单位mm,现在取保护 层厚度为40mm计算钢筋表面达到临界氯离子浓度所需要的时间，保证实验室条 件下20、40inm保护层厚度的混凝土在加速环境下钢筋表面氣离子浓度达到临界 值。计算公式同上，计算结果见表3.8。
表3.8浓度提高与诱烛时间和时问降低倍数的关系

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>»的规律用图3.3和图3.4表示如下,
m 3.4外界浓度与侵烛时间的比拥M
 
田3.3外界浓度与侵蚀时间的关系
从以上图表的分析可以得出：提高表面氣离子浓度能够加速氯离子侵烛，当 表面氯离子浓度提高2倍时加速侵蚀的效果比较好，能把侵蚀时间缩短为原来的 0.3〜0.5倍之间。上述设计中外界溶液浓度是基于大洋海水浓度，因此在室内人工 气候模拟试验中溶液浓度提髙到大洋海水浓度的2倍。
杭州湾地区海水浓度由于淡水注入的稀释作用导致年平均浓度约为大洋海水 的1/3，因此室内人工气候模拟试验中溶液浓度相当于杭州湾海水平均浓度的6倍。 3、室内试验溶液配制
实验室中把溶液中氛离子浓度提高到海水中筑离子浓度的6倍。实验室的溶 液中氯离子浓度为： 0.589% X 6=3.53%;
采用NaCl溶液代替海水溶液，保证两种溶液的氯离子浓度相同，则NaCl溶液的 浓度为： G5.5+23) /35.5X3.53%=5.82%j
实验室配制用65g工业盐（NaCl含量94%)放入lOOOg水中，实际NaCl溶 液浓度为： 65X94%/(1000+65)=5.74%。
模拟水下区、潮差区和浪溅区试验都采用这个浓度值。