現代混凝土結構耐久性環境模擬乃試驗室技術
為了在試驗室人工模擬環境下進行混凝土早期特性、裂縫控制及耐久性的試驗，需對混凝土結構環境模擬試驗室技術進行研究。分析了環境模擬技術在諸多領域的成功應用，認為建設混凝土環境試驗室是可行的。通過研究混凝土結構的環境模擬、試驗設計、耦合環境的實現以及特種設備儀器的應用等關鍵技術，提出多功能氣候試驗室的建設方案，合理確定試驗室的布局、功能、技術性能指標，并探討了人工氣候環境試驗室設備、儀器的優化配置，為下一步混凝土耐久性、裂縫控制的環境試驗研究奠定了基礎。
1 引言
混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優點，造價較低，是土木工程結構設計中的形式之一，其應用范圍日益廣泛，不僅應用于工業與民用建筑、道路、橋梁、水利工程等建筑和構筑物，而且越來越多地應用于海洋、嚴寒地區、遭受化學腐蝕等復雜工業環境及特殊建筑中。環境的惡化使混凝土結構的耐久性受到嚴重影響，在施工建設和服役過程也暴露出許多值得關注的新問題。其中混凝土結構的耐久性不足致使加固維修費用高昂，混凝土的早期開裂導致結構性能的劣化等問題尤為嚴重。混凝土結構耐久性、早期開裂及裂縫控制不僅與材料內在特性有關，更受控于各種環境參數溫度、濕度等的變化，而現場進行混凝土耐久性試驗，周期長、費用高，實現困難，因此需要創建室內模擬環境進行長期的或加速的混凝土耐久性仿真研究擴結構開裂機理的研究。
環境模擬技術是各種自然環境的人工再現技術和在模擬環境下的試驗技術的一門新的綜合性工程技術。環境模擬技術吸取多門學科熱學、力學、電學、生物學、光學、醫學等和多項技術制冷、真空、空調、加溫、自動控制和計量等的相關理論和方法，是在解決環境模擬和環境試驗的理論及實踐中形成的獨立的技術理論體系。目前，環境模擬技術已廣泛應用于各種科學實驗，在科學研究中具有自然界無法實現的時間可控性、條件重復性和數據性等突出優點，可以大大回憶試驗的進程。
利用環境模擬技術，建設大型多功能自動控制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、腐蝕環境的定量關系進行全面系統的仿真研究，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制、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。
2 環境模擬技術應用概述
環境模擬試驗技術在農業、林業、生物、氣象、航空航天、車輛設備、電子產品以及有關材料結構等領域中都有廣泛的應用。
2.1 常規兵器、車輛及設備等環境模擬試驗室
某兵器試驗中心擁有國內大的氣候環境模擬試驗室，主要承擔火炮、坦克、雷達、火箭、光學儀器、電子設備等軍用武器裝備的氣候環境試驗，環境模擬試驗室主要有：高溫濕熱試驗室、低溫試驗室、淋雨試驗室、低溫射擊室、高溫射擊室、光電試驗室等。
隨著車輛技術的發展，為考核各種車輛在太陽輻射條件下的性能，相繼建立了大型太陽輻射模擬設備。奧地利維也納亞森納爾車輛試驗中心建造的環境模擬室，能模擬世界各地的氣候條件，能滿足用戶的各種特殊需要。試驗站主要由靜止試驗室和運行試驗室及其他輔助設施組成。靜止試驗室可完成高溫、低溫、濕度、雨、雪、霧、太陽輻射等一定氣候條件下的動態試驗和制動試驗。
日本三菱重工神戶造船所的綜合環境試驗室，主要進行溫、濕度日變化的模擬，試品分別經受雨、雪、霧、太陽輻射的環境試驗，試品在酸雨、酸霧及固體液體懸浮微粒環境的試驗以及綜合性環境試驗等。美國麻薩諸塞州國防航空工業公司Raytheon建設物環境試驗室可進行高精度高強度的靜態、動態、氣候及綜合性的環境試驗研究。
2.2 農業、林業、生物氣候環境模擬室
江西省農科院水稻研究所建設的智能化人工氣候室，陜西楊陵農業科技示范園溫室大棚，浙江大學植物科學實驗中心智能玻璃溫室等，都是現代農業利用環境模擬技術的應用成果同，為植物科學研究提供控溫、控光、控濕的高標準科研條件。俄羅斯生物有機化學協會Branch of Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry建設的生物人工氣候室，用于研究生物工藝學、*的種植物材料以及現代溫室植物生長技術。日本森林綜合研究所建設了人工氣候試驗室進行自然環境下樹木生長的研究，可進行不同光照強度、溫度和濕度環境條件的樹木生長對比試驗。
2.3 建筑材料環境模擬試驗室
應用環境模擬技術進行混凝土的環境試驗，是一項新的嘗試性的工作。中國礦業大學于20世紀90年代末建設了人工氣候室，用以在不同的氣候條件下模擬工業腐蝕環境，進行混凝土耐久性測試。所建設和人工氣候室包括空調機房，共占地55.8m2，試驗用的人工氣候室長6m，寬 m，高3.2m。人工氣候室可在一定范圍模擬自然環境中的溫濕度、日照、淋雨、鹽霧、大氣等環境CO2、SO2氣體。該試驗室利用一臺機組，完成制冷、加熱、除濕、加濕功能，并輔以自制的抽屜式硅膠吸濕器進行輔助深度除濕；利用簡易輻射燈具模擬太陽光照；在試驗室內布置噴液管、噴氣管，用以噴入鹽霧和低濃度的CO2、SO2氣體等。
根據所要模擬的各種環境，人工氣候室在工藝及建筑上均有特殊要求。為達到保溫要求，氣候室的墻體采用雙層120mm厚磚墻加防潮層，內嵌120mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，內墻面用環氧膠泥抹面；樓板采用120m厚的空心板加120mm厚聚笨乙烯泡沫保溫板；地面的構造設計成100mm厚混凝土墊層，中間200mm厚泡沫混凝土保溫層，上部100mm厚混凝土面層；并采用雙層保溫門。為了便于觀察室內的情況，在一側墻上安裝了一個固定的雙層玻璃觀察窗。人工氣候室主機放于機房內，風冷式冷凝器置于室外。室內機組的布置緊湊、合理，充分考慮使用空間的要求和便于檢修。人工氣候室的氣流組織采用上送下回式，除了送回風的管道外，還專門設置一條排風管用于試驗結束時氣候室的排風。空調制冷系統的設計與常規空調制冷相比，在技術要求、系統形式、設計方法等方面均有較大的差別。由于受到資金的限制，*達到工藝要求難度比較大，尤其對于低溫低濕和高溫高濕的處理實現起來比較困難。對腐蝕環境的模擬，無疑對機組的防腐提出更高要求，需要采用防腐設備及有效的防腐措施。
人要氣候室內安裝溫濕度傳感器，通過設在控制室內的計算機進行遠程控制。機組內也裝有可編程序控制器進行控制，也可以手動控制。
2.4 結論
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愿去模擬各種理想環境，服務于科學實驗。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、沖擊等力學環境模擬試驗，易于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。國內外對于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。
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*可行的。混凝土結構耐久性、早期特性及裂縫控制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臺，促進混凝土相關學科的發展。
3 現代混凝土結構環境試驗的關鍵技術
現代混凝土結構環境試驗技術包括環境模擬試驗的設計、多種耦合環境的實現、加速試驗與自然環境試驗的相關性以及牿檢測設備、儀器的應用等諸多關鍵環節。
3.1 利用環境試驗剪裁方法，合理確定環境因子
環境試驗的剪裁為根據產品壽命期內將遇到的各種環境及其影響嚴重程度和可以搜集到的有關的環境數據和信息，按照環境試驗不同階段的具體目的，選擇各階段環境試驗項目，確定各項目的試驗條件和試驗程序，合理安排各階段試驗項目實施次序的過程，以使設計和安排的環境試驗滿足檢測要求，保證產品的環境適應性。進行混凝土結構環境試驗，要根據混凝土材料的特性、使用環境、壽命期內所經歷的環境因素，按科學的邏輯推理步驟設計出所需要的試驗項目，試驗的參數、程序順序和失效準則。試驗設計時要確定合理的試驗條件，人工環境試驗對混凝土結構性能產生影響的機理、模式應該與實際工程結構在自然環境條件的性能變化機理相同；對不同使用目的、重要性程度不同的混凝土結構要建立不同的失效準則。
3.2 加速試驗與自然環境試驗的相關性
加速試驗可以相對快速地測試材料結構在長期使用中的特性變化。混凝土環境試驗中加速耐久性試驗考慮環境效應的強度和時間因素，利用加速試驗計算模型評估性能壽命，可節省試驗時間和費用。加速試驗要根據混凝土材料的不同成分、使用的方式以及實際環境等情況設計不同的加速速率，并選用不同的加速試驗計算分析模型。
加速試驗與自然環境試驗的相關性可反映出兩種試驗結果趨同的能力。根據多種基礎試驗包括自然環境長期試驗、各種影響因素的初步加速試驗等確定影響因素的作用效果、作用機理，建立起自然環境試驗與加速試驗的相似性準則，為加速模擬試驗提供理論上的依據。通過相關性的研究，可指導改變各種試驗條件獲得任意的加速試驗方法，同時根據加速試驗結果來預測和評價混凝土結構在自然環境條件下的性能及壽命。
3.3 多種環境的耦合
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、劇烈干燥、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。
3.4 設備的優化布置及牿檢測儀器應用技術
混凝土環境模擬試驗室是綜合性的環境試驗室，要體現大型、多功能及自動化的特點。試驗室設備種類多，不能將各類單項的環境模擬設備簡單進行羅列，需要進行設備的配置優化研究，充分發揮設備的性能，達到良好的環境模擬效果。根據混凝土環境試驗的特點，并且考慮節省能源，較大的試驗空間要進行分割，可進行全空間試驗，也可單獨進行每個隔段小空間的試驗。因此需要進行環境控制設備的配置實驗，分別考慮在端部集中布置或者在各個隔斷空間分別布置兩種方案的技術、經濟及可靠性比較，優化選擇。
混凝土環境模擬試驗室根據研究的需要進行各種各樣復雜環境的模擬，因此所用的檢測設備儀器也要能經受各種環境的考驗。應根據實際的模擬環境，選擇相應的檢測設備儀器。
4 大型多功能自動控制混凝土環境試驗室建設發案
4.1 試驗室主要功能
1 模擬自然條件下的氣候環境、海洋環境、工業環境；
2 人工氣候環境下各種工程材料、結構的耐久性試驗；
3 人工氣候環境混凝土結構熱學性能及早期特性試驗；
4 人工氣候環境混凝土結構裂縫控制研究；
5 海洋環境下工程材料、結構的耐久性試驗；
6 海洋環境混凝土結構裂縫控制研究；
7 工業腐蝕環境下工程材料、結構耐久性試驗；
8 其他有關的環境試驗綜合環境、可靠性試驗等。
4.2 試驗室布局及協調控制
環境模擬試驗室分為2部分，一部分為高低溫濕熱交變日照雨淋實驗區，另一部分為鹽霧、腐蝕氣體環境、海洋環境實驗區，見圖1。兩部分可獨立運行，單獨進行有關試驗，也可交替進行同批次結構模型試件的試驗，即實現試驗環境的綜合性。兩實驗區有效空間分別為：10m×4m×3m和4m×4m×3m。
試驗室各分系統主要有：主室體、空氣循環系統、新風系統、日照系統、淋雨系統、加濕系統、除濕系統、制冷系統、加熱系統、控制系統等。研究各分系統的技術及設備配套，在保證各分系統協調控制的基礎上，進行智能化操作控制。試驗室設備應使用防腐材料，以適應所模擬的腐蝕環境，保證其使用壽命。
試驗室大門與澆筑場地之間的通道設置專門的帶滾輪平板小車及滑移軌道，試件或結構模型在小車上的模具內直接澆筑，拆模后移入試驗室內。
4.3 試驗室的主要技術性能指標
依據試驗室所要實現的功能以及混凝土材料結構的實際工程環境，確定其主要技術性能指標如表1所示。
表1 混凝土環境模擬試驗室主要技術性能指標
項 目 | 高低溫濕熱交變日照雨淋實驗區 | 鹽霧、腐蝕氣體環境實驗區 |
容積/m3 | 16 | 14 |
參考尺寸/m | 3500×2300×2000 | 3500×2000×2000 |
溫度/℃ | -20～70 | +5～60 |
升降溫速率/℃·h-1 | 0～5 | 0～5 |
相對濕度/% | 20～95 | 60～～95 |
風速/m·s-1 | 0～7 | 新風換氣 |
大熱輻射強度/KW·m-2 | 1.12±10% |
|
鹽霧沉降量/ml·cm-2·h-1 |
| 0.0125～0.025 |
雨淋 | 簡易噴淋裝置 |
|
腐蝕氣體 |
| CO2、SO2濃度可調 |
控制系統 | 計算機自動控制、手動控制 | 計算機自動控制、手動控制 |
加載系統 | 加載反力架、液壓加載 | 加載反力架 |
5 試驗室的配套設備
5.1 加載反力架
試驗室內設計布置水平、豎向反力架及加載千斤頂等。加載反力架初步布置方案如圖2所示。
5.2 混凝土早期特性熱學、力學試驗設備
混凝土環境試驗室進行混凝土早期特性熱學、力學及裂縫控制試驗研究，需配備包括導溫儀、導熱儀、絕熱量熱器、絕熱溫升儀、線膨脹系數測定儀、干縮儀、混凝土早期自收縮測定系統、徐變加荷儀、開裂試驗架、拉伸儀等設備。
5.3 試驗檢測設備儀器
根據試驗要求和所設計的模擬環境，選擇相適應的各種檢測設備儀器：溫濕度檢測儀、光照強度測定儀、風速儀、荷載傳感器、位移傳感器、氣體含量檢測儀、數據采集系統等。
5.4 環保設施
試驗室部分實驗空間存在噪聲、腐蝕氣體等環保問題，應采取減震降噪措施及污染氣體回收凈化措施，配備環保設備，將噪音、空氣污染控制到國家標準允許的水平。
6 結語
利用環境模擬技術，建設大型多功能混凝土結構環境試驗室，是一項創新的、有意義的嘗試。通過對現代混凝土結構環境模擬試驗室技術的研究應用，可從時間到空間模擬所需要的各種環境，如自然氣候環境、工業環境、海洋環境等，并實現多種耦合環境的共同作用。在模擬的實際環境中進行各種工程材料的試驗，可對環境效應進行定性定量的、全面系統的仿真分析，對混凝土的耐久性、裂縫控制、各種早期特性的研究實現從源頭創新，有積極的推動作用。
目前環境模擬試驗技術發展迅速，科技成果不斷涌現，需要掌握環境模擬技術的發展動態和技術水平，根據混凝土結構環境試驗的具體要求，研究混凝土環境模擬試驗室關鍵技術。在此基礎上，建設高標準、高水平混凝土環境模擬試驗室，制定詳細的混凝土早期特性試驗、耐久性試驗、裂縫控制試驗的規劃藍本，為下一步科學研究奠定基礎，促進結構工程學科的快速發展。
以上文章由杭州中測試驗設備有限公司技術部提供
