為了在試驗室人工模擬環(huán)境下進(jìn)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(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗室技術(shù)進(jìn)行研究。分析了環(huán)境模擬技術(shù)在諸多領(lǐng)域的成功應(yīng)用，認(rèn)為建設(shè)混凝土環(huán)境試驗室是可行的。通過研究混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境模擬、試驗設(shè)計、耦合環(huán)境的實現(xiàn)以及特種設(shè)備儀器的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，提出大型多功能自動控制混凝土環(huán)境試驗室的建設(shè)方案，合理確定試驗室的布局、功能、技術(shù)性能指標(biāo)，并探討了人工氣候環(huán)境試驗室設(shè)備、儀器的優(yōu)化配置，為下一步混凝土耐久性、裂縫控制的環(huán)境試驗研究奠定了基礎(chǔ)。
1、引言
混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點，造價較低，是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的形式之一，其應(yīng)用范圍日益廣泛，不僅應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、道路、橋梁、水利工程等建筑和構(gòu)筑物，而且越來越多地應(yīng)用于海洋、嚴(yán)寒地區(qū)、遭受化學(xué)腐蝕等復(fù)雜工業(yè)環(huán)境及特殊建筑中。環(huán)境的惡化使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性受到嚴(yán)重影響，在施工建設(shè)和服役過程也暴露出許多值得關(guān)注的新問題。其中混凝土結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的劣化等問題尤為嚴(yán)重。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、早期開裂及裂縫控制不僅與材料內(nèi)在特性有關(guān)，更受控于各種環(huán)境參數(shù)溫度、濕度等的變化，而現(xiàn)場進(jìn)行混凝土耐久性試驗，周期長、費用高，實現(xiàn)困難，因此需要創(chuàng)建室內(nèi)模擬環(huán)境進(jìn)行長期的或加速的混凝土耐久性仿真研究擴(kuò)結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理的研究。
環(huán)境模擬技術(shù)是各種自然環(huán)境的人工再現(xiàn)技術(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗技術(shù)的一門新的綜合性工程技術(shù)。環(huán)境模擬技術(shù)吸取多門學(xué)科熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等和多項技術(shù)制冷、真空、空調(diào)、加溫、自動控制和計量等的相關(guān)理論和方法，是在解決環(huán)境模擬和環(huán)境試驗的理論及實踐中形成的獨立的技術(shù)理論體系。目前，環(huán)境模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實驗，在科學(xué)研究中具有自然界無法實現(xiàn)的時間可控性、條件重復(fù)性和數(shù)據(jù)性等突出優(yōu)點，可以大大回憶試驗的進(jìn)程。
利用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)大型多功能自動控制混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬室，可以人工模擬各種大氣環(huán)境、工業(yè)環(huán)境的單一因素或綜合因素作用，開展混凝土環(huán)境試驗及相關(guān)理論研究。在實驗室對混凝土材料、結(jié)構(gòu)的基本的熱學(xué)、力學(xué)、收縮、徐變、損傷等特性及其與各種氣候環(huán)境、海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境的定量關(guān)系進(jìn)行全面系統(tǒng)的仿真研究，加強(qiáng)材料與結(jié)構(gòu)的學(xué)科交叉。針對小型構(gòu)件或大型結(jié)構(gòu)仿真模型，真實再現(xiàn)工程實際環(huán)境，進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫的開裂機(jī)制、開裂應(yīng)力發(fā)展變化、裂縫形成、結(jié)構(gòu)破壞的全過程跟蹤試驗研究，達(dá)到從表觀至本質(zhì)、微觀至宏觀的規(guī)律解析，裂控研究將會有較大的突破。因此研究混凝土環(huán)境模擬試驗室技術(shù)是非常必要的，對保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性有重要意義。
2、環(huán)境模擬技術(shù)應(yīng)用概述
環(huán)境模擬試驗技術(shù)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生物、氣象、航空航天、車輛設(shè)備、電子產(chǎn)品以及有關(guān)材料結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。
2.1 常規(guī)兵器、車輛及設(shè)備等環(huán)境模擬試驗室
某兵器試驗中心擁有大的氣候環(huán)境模擬試驗室，主要承擔(dān)各種等軍用武器裝備的氣候環(huán)境試驗，環(huán)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(shù)的發(fā)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(shè)備。奧地利維也納亞森納爾車輛試驗中心建造的環(huán)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(shè)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(tài)試驗和制動試驗。日本三菱重工神戶造船所的綜合環(huán)境試驗室，主要進(jìn)行溫、濕度日變化的模擬，試品分別經(jīng)受雨、雪、霧、太陽輻射的環(huán)境試驗，試品在酸雨、酸霧及固體液體懸浮微粒環(huán)境的試驗以及綜合性環(huán)境試驗等。美國麻薩諸塞州國防航空工業(yè)公司Raytheon建設(shè)物環(huán)境試驗室可進(jìn)行高精度高強(qiáng)度的靜態(tài)、動態(tài)、氣候及綜合性的環(huán)境試驗研究。
2.2 農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生物氣候環(huán)境模擬室
江西省農(nóng)科院水稻研究所建設(shè)的智能化人工氣候室，陜西楊陵農(nóng)業(yè)科技示范園溫室大棚，浙江大學(xué)植物科學(xué)實驗中心智能玻璃溫室等，都是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)利用環(huán)境模擬技術(shù)的應(yīng)用成果同，為植物科學(xué)研究提供控溫、控光、控濕的高標(biāo)準(zhǔn)科研條件。俄羅斯生物有機(jī)化學(xué)協(xié)會建設(shè)的生物人工氣候室，用于研究生物工藝學(xué)、*的種植物材料以及現(xiàn)代溫室植物生長技術(shù)。日本森林綜合研究所建設(shè)了人工氣候試驗室進(jìn)行自然環(huán)境下樹木生長的研究，可進(jìn)行不同光照強(qiáng)度、溫度和濕度環(huán)境條件的樹木生長對比試驗。
2.3 建筑材料環(huán)境模擬試驗室
應(yīng)用環(huán)境模擬技術(shù)進(jìn)行混凝土的環(huán)境試驗，是一項新的嘗試性的工作。中國礦業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)90年代末建設(shè)了人工氣候室，用以在不同的氣候條件下模擬工業(yè)腐蝕環(huán)境，進(jìn)行混凝土耐久性測試。所建設(shè)和人工氣候室包括空調(diào)機(jī)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(huán)境中的溫濕度、日照、淋雨、鹽霧、大氣等環(huán)境CO2、SO2氣體。該試驗室利用一臺機(jī)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(jìn)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(nèi)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(jù)所要模擬的各種環(huán)境，人工氣候室在工藝及建筑上均有特殊要求。為達(dá)到保溫要求，氣候室的墻體采用雙層120mm厚磚墻加防潮層，內(nèi)嵌120mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，內(nèi)墻面用環(huán)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(gòu)造設(shè)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(nèi)的情況，在一側(cè)墻上安裝了一個固定的雙層玻璃觀察窗。人工氣候室主機(jī)放于機(jī)房內(nèi)，風(fēng)冷式冷凝器置于室外。室內(nèi)機(jī)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(fēng)的管道外，還專門設(shè)置一條排風(fēng)管用于試驗結(jié)束時氣候室的排風(fēng)。空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計與常規(guī)空調(diào)制冷相比，在技術(shù)要求、系統(tǒng)形式、設(shè)計方法等方面均有較大的差別。由于受到資金的限制，*達(dá)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(xiàn)起來比較困難。對腐蝕環(huán)境的模擬，無疑對機(jī)組的防腐提出更高要求，需要采用防腐設(shè)備及有效的防腐措施。
人工氣候室內(nèi)安裝溫濕度傳感器，通過設(shè)在控制室內(nèi)的計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。機(jī)組內(nèi)也裝有可編程序控制器進(jìn)行控制，也可以手動控制。
2.4 結(jié)論
環(huán)境模擬試驗室可為人們提供一種擺脫自然規(guī)律、從時間到空間按主觀的意愿去模擬各種理想環(huán)境，服務(wù)于科學(xué)實驗。在試驗室內(nèi)模擬各種實際環(huán)境作用，研究考核材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)備等實驗對象對所處的環(huán)境產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，可獲得實驗對象各種環(huán)境條件下的特性、環(huán)境適應(yīng)性。
目前，環(huán)境模擬技術(shù)已趨成熟。利用單一因素的環(huán)境模擬試驗，如溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧、淋雨、風(fēng)、太陽輻射、空間環(huán)境等氣候環(huán)境模擬試驗以及靜載、振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境模擬試驗，易于找出單一環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律以；綜合環(huán)境模擬是指2個以上環(huán)境參數(shù)同時作用的模擬試驗，可以真實地模擬實驗對象實際經(jīng)受綜合環(huán)境的影響，增加試驗的真實性和可靠性。國內(nèi)外對于環(huán)境試驗也相繼分布了有關(guān)的針對各種研究領(lǐng)域的環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)，但在實際應(yīng)用中還要進(jìn)行試驗標(biāo)準(zhǔn)的剪裁、試驗應(yīng)力篩選等項工作，以得到更加可靠適用的試驗成果。
用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)混凝土材料、結(jié)構(gòu)的環(huán)境模擬試驗室是*可行的。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、早期特性及裂縫控制研究所需要的各項環(huán)境指標(biāo)，如氣候環(huán)境、工業(yè)腐蝕環(huán)境、海洋侵蝕環(huán)境等等，都是可以實現(xiàn)的。因此，開展混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗室技術(shù)的研究，深入探討混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗的關(guān)健技術(shù)，定能建成高標(biāo)準(zhǔn)高水平的混凝土結(jié)構(gòu)試驗研究平臺，促進(jìn)混凝土相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
3、現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗的關(guān)鍵技術(shù)
現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗技術(shù)包括環(huán)境模擬試驗的設(shè)計、多種耦合環(huán)境的實現(xiàn)、加速試驗與自然環(huán)境試驗的相關(guān)性以及牿檢測設(shè)備、儀器的應(yīng)用等諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3.1 利用環(huán)境試驗剪裁方法，合理確定環(huán)境因子
環(huán)境試驗的剪裁為根據(jù)產(chǎn)品壽命期內(nèi)將遇到的各種環(huán)境及其影響嚴(yán)重程度和可以搜集到的有關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，按照環(huán)境試驗不同階段的具體目的，選擇各階段環(huán)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(shè)計和安排的環(huán)境試驗滿足檢測要求，保證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗，要根據(jù)混凝土材料的特性、使用環(huán)境、壽命期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境因素，按科學(xué)的邏輯推理步驟設(shè)計出所需要的試驗項目，試驗的參數(shù)、程序順序和失效準(zhǔn)則。試驗設(shè)計時要確定合理的試驗條件，人工環(huán)境試驗對混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響的機(jī)理、模式應(yīng)該與實際工程結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境條件的性能變化機(jī)理相同；對不同使用目的、重要性程度不同的混凝土結(jié)構(gòu)要建立不同的失效準(zhǔn)則。
3.2加速試驗與自然環(huán)境試驗的相關(guān)性
加速試驗可以相對快速地測試材料結(jié)構(gòu)在長期使用中的特性變化。混凝土環(huán)境試驗中加速耐久性試驗考慮環(huán)境效應(yīng)的強(qiáng)度和時間因素，利用加速試驗計算模型評估性能壽命，可節(jié)省試驗時間和費用。加速試驗要根據(jù)混凝土材料的不同成分、使用的方式以及實際環(huán)境等情況設(shè)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(huán)境試驗的相關(guān)性可反映出兩種試驗結(jié)果趨同的能力。根據(jù)多種基礎(chǔ)試驗包括自然環(huán)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(jī)理，建立起自然環(huán)境試驗與加速試驗的相似性準(zhǔn)則，為加速模擬試驗提供理論上的依據(jù)。通過相關(guān)性的研究，可指導(dǎo)改變各種試驗條件獲得任意的加速試驗方法，同時根據(jù)加速試驗結(jié)果來預(yù)測和評價混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境條件下的性能及壽命。
3.3多種環(huán)境的耦合
進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗，需要模擬的實際環(huán)境多種多樣，如單一環(huán)境因素的模擬，包括高溫、低溫、濕度循環(huán)、濕度循環(huán)、寒潮襲擊、劇烈干燥、淋雨、結(jié)露、凍融循環(huán)、鹽類及化學(xué)物質(zhì)浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環(huán)境，以及力學(xué)加載環(huán)境等。此外，還要實現(xiàn)多種耦合環(huán)境的模擬，包括氣候環(huán)境與力學(xué)荷載作用的綜合、氣候環(huán)境與腐蝕工業(yè)環(huán)境的綜合，等等，充分考慮試驗的綜合環(huán)境設(shè)置、荷載施加力架的布置、腐蝕環(huán)境下加載方式和設(shè)備防護(hù)等技術(shù)問題。
3.4設(shè)備的優(yōu)化布置及牿檢測儀器應(yīng)用技術(shù)
混凝土環(huán)境模擬試驗室是綜合性的環(huán)境試驗室，要體現(xiàn)大型、多功能及自動化的特點。試驗室設(shè)備種類多，不能將各類單項的環(huán)境模擬設(shè)備簡單進(jìn)行羅列，需要進(jìn)行設(shè)備的配置優(yōu)化研究，充分發(fā)揮設(shè)備的性能，達(dá)到*的環(huán)境模擬效果。根據(jù)混凝土環(huán)境試驗的特點，并且考慮節(jié)省能源，較大的試驗空間要進(jìn)行分割，可進(jìn)行全空間試驗，也可單獨進(jìn)行每個隔段小空間的試驗。因此需要進(jìn)行環(huán)境控制設(shè)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(shù)、經(jīng)濟(jì)及可靠性比較，優(yōu)化選擇。
混凝土環(huán)境模擬試驗室根據(jù)研究的需要進(jìn)行各種各樣復(fù)雜環(huán)境的模擬，因此所用的檢測設(shè)備儀器也要能經(jīng)受各種環(huán)境的考驗。應(yīng)根據(jù)實際的模擬環(huán)境，選擇相應(yīng)的檢測設(shè)備儀器。
4、大型多功能自動控制混凝土環(huán)境試驗室建設(shè)方案
4.1試驗室主要功能
1 模擬自然條件下的氣候環(huán)境、海洋環(huán)境、工業(yè)環(huán)境；
2 人工氣候環(huán)境下各種工程材料、結(jié)構(gòu)的耐久性試驗；
3 人工氣候環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)熱學(xué)性能及早期特性試驗；
4 人工氣候環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究；
5 海洋環(huán)境下工程材料、結(jié)構(gòu)的耐久性試驗；
6 海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究；
7 工業(yè)腐蝕環(huán)境下工程材料、結(jié)構(gòu)耐久性試驗；
8 其他有關(guān)的環(huán)境試驗綜合環(huán)境、可靠性試驗等。
4.2試驗室布局及協(xié)調(diào)控制
環(huán)境模擬試驗室分為2部分，一部分為高低溫濕熱交變?nèi)照沼炅軐嶒瀰^(qū)，另一部分為鹽霧、腐蝕氣體環(huán)境、海洋環(huán)境實驗區(qū)，見圖1。兩部分可獨立運行，單獨進(jìn)行有關(guān)試驗，也可交替進(jìn)行同批次結(jié)構(gòu)模型試件的試驗，即實現(xiàn)試驗環(huán)境的綜合性。兩實驗區(qū)有效空間分別為：10m×4m×3m和4m×4m×3m。
試驗室各分系統(tǒng)主要有：主室體、空氣循環(huán)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、日照系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。研究各分系統(tǒng)的技術(shù)及設(shè)備配套，在保證各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智能化操作控制。試驗室設(shè)備應(yīng)使用防腐材料，以適應(yīng)所模擬的腐蝕環(huán)境，保證其使用壽命。
試驗室大門與澆筑場地之間的通道設(shè)置專門的帶滾輪平板小車及滑移軌道，試件或結(jié)構(gòu)模型在小車上的模具內(nèi)直接澆筑，拆模后移入試驗室內(nèi)。
4.3 試驗室的主要技術(shù)性能指標(biāo)
依據(jù)試驗室所要實現(xiàn)的功能以及混凝土材料結(jié)構(gòu)的實際工程環(huán)境，確定其主要技術(shù)性能指標(biāo)。具體參數(shù)要求見產(chǎn)品詳情介紹。
5、試驗室的配套設(shè)備
5.1加載反力架
試驗室內(nèi)設(shè)計布置水平、豎向反力架及加載千斤頂?shù)取＜虞d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(xué)、力學(xué)試驗設(shè)備
混凝土環(huán)境試驗室進(jìn)行混凝土早期特性熱學(xué)、力學(xué)及裂縫控制試驗研究，需配備包括導(dǎo)溫儀、導(dǎo)熱儀、絕熱量熱器、絕熱溫升儀、線膨脹系數(shù)測定儀、干縮儀、混凝土早期自收縮測定系統(tǒng)、徐變加荷儀、開裂試驗架、拉伸儀等設(shè)備。
5.3試驗檢測設(shè)備儀器
根據(jù)試驗要求和所設(shè)計的模擬環(huán)境，選擇相適應(yīng)的各種檢測設(shè)備儀器：溫濕度檢測儀、光照強(qiáng)度測定儀、風(fēng)速儀、荷載傳感器、位移傳感器、氣體含量檢測儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
5.4環(huán)保設(shè)施
試驗室部分實驗空間存在噪聲、腐蝕氣體等環(huán)保問題，應(yīng)采取減震降噪措施及污染氣體回收凈化措施，配備環(huán)保設(shè)備，將噪音、空氣污染控制到國家標(biāo)準(zhǔn)允許的水平。
6、結(jié)語
利用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)大型多功能混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗室，是一項創(chuàng)新的、有意義的嘗試。通過對現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗室技術(shù)的研究應(yīng)用，可從時間到空間模擬所需要的各種環(huán)境，如自然氣候環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境等，并實現(xiàn)多種耦合環(huán)境的共同作用。在模擬的實際環(huán)境中進(jìn)行各種工程材料的試驗，可對環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定性定量的、全面系統(tǒng)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(xiàn)從源頭創(chuàng)新，有積極的推動作用。
目前環(huán)境模擬試驗技術(shù)發(fā)展迅速，科技成果不斷涌現(xiàn)，需要掌握環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和技術(shù)水平，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗的具體要求，研究混凝土環(huán)境模擬試驗室關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高水平混凝土環(huán)境模擬試驗室，制定詳細(xì)的混凝土早期特性試驗、耐久性試驗、裂縫控制試驗的規(guī)劃藍(lán)本，為下一步科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的快速發(fā)展。
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