張志鵬,彭奕揚(yáng),方小愛,陳琦,干偉忠

（1.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211；2.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444）

0 引言

人類社會對地下空間的開發(fā)和利用源遠(yuǎn)流長。19世紀(jì)以來,戰(zhàn)爭從冷兵器時代轉(zhuǎn)入到熱兵器、機(jī)械化時代,殺傷力、破壞力激增。二戰(zhàn)期間,各戰(zhàn)區(qū)地表建筑物幾乎都被破環(huán),唯有地下建筑物保存完好,戰(zhàn)后許多國家和地區(qū)都紛紛開始地下國防工程的研究和建設(shè)[1]。冷戰(zhàn)期間,核武器更是給人們的生命安全帶來了空前的威脅。人防洞庫作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭最有效的防御體系之一,深埋地下或山體之中,具有優(yōu)良的隱蔽性、防護(hù)性和穩(wěn)定性,從而備受各國的重視。

影響洞庫正常使用的主要問題有混凝土結(jié)構(gòu)開裂滲漏、鋼筋腐蝕、保護(hù)層脫落、洞內(nèi)空氣高濕等,其中庫室洞壁冷凝結(jié)露是造成結(jié)構(gòu)劣化和功能下降的重要原因,然目前鮮有關(guān)于洞壁冷凝結(jié)露造成結(jié)構(gòu)劣化的研究。本文主要分析了潮濕及冷凝結(jié)露導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的現(xiàn)象和原因,并針對性提出服役期合理提升洞庫混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議。

1 洞庫混凝土結(jié)構(gòu)劣化與冷凝結(jié)露

1.1 洞庫混凝土結(jié)構(gòu)劣化分析

水分的存在是混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕,如氯離子侵蝕、硫酸鹽腐蝕、堿-集料反應(yīng)、生物侵蝕等的必要條件。洞庫混凝土結(jié)構(gòu)處于潮濕的地下環(huán)境,富含水分,極易促成各種腐蝕反應(yīng)的發(fā)生與發(fā)展。

當(dāng)混凝土中含有較多的C3A以及充足的水分、適宜的溫度、一定的滲透性和一定濃度的SO2-4時,此時硫酸鹽腐蝕較容易發(fā)生,主要生成鈣礬石造成混凝土膨脹和開裂[2]:

當(dāng)混凝土骨料中存在較多活性物質(zhì),以及為堿性、潮濕環(huán)境時,混凝土內(nèi)部可誘發(fā)堿-集料反應(yīng),主要有堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸反應(yīng),生成Na(K)·Si·H凝膠和Mg(OH)2吸水膨脹,導(dǎo)致混凝土開裂:

海洋環(huán)境空氣(鹽霧)中富含氯離子,潮濕空氣攜帶大量氯離子擴(kuò)散至結(jié)構(gòu)內(nèi)部：

式中f3（H）為環(huán)境濕度對氯離子擴(kuò)散的影響系數(shù)，H為當(dāng)前環(huán)境的相對濕度，Hc為孔隙相對濕度。由于摻入或者環(huán)境中滲入的氯離子,則會加速混凝土中鋼筋的銹蝕,致使保護(hù)層脹裂：

有時,由于環(huán)境因素變化，混凝土也會處于干濕交替狀態(tài)，此時混凝土外部環(huán)境或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部處于干燥和潮濕狀態(tài)的循環(huán)，既為鋼筋的電化學(xué)腐蝕提供了必要的水環(huán)境，又提供充裕的氧氣以及降低混凝土的電阻率，大大加速了鋼筋的銹蝕速率和腐蝕面積：

另外，干濕循環(huán)作用下，NaSO4·10H2O結(jié)晶現(xiàn)象更加明顯，混凝土受到鈣礬石、石膏膨脹產(chǎn)物以及NaSO4·10H2O結(jié)晶壓力損傷的雙重侵蝕，結(jié)構(gòu)劣化加速明顯[3]；又由于地下混凝土工程所處的環(huán)境相對潮濕、溫度適宜、富含礦物質(zhì)離子，所以生物侵蝕尤其是微生物侵蝕普遍存在。

1.2 冷凝結(jié)露機(jī)理分析

如1.1所述,水在混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化過程中扮演了重要角色。工程的滲水漏水，大都較容易避免，但空氣中的濕氣遇冷的凝結(jié)水卻難以控制。冷凝主要是空氣的水蒸氣遇冷放熱凝結(jié)，溫度越低冷凝越快。結(jié)露現(xiàn)象是指空氣的含濕量一定時，固體表面溫度低于結(jié)露點溫度時形成的露水。

ROC曲線分析顯示，CURB評分≥3分、PCT-4＞1.33 ng/mL結(jié)合△PCT＞0.09 ng/mL預(yù)測老年SCAP 28 d死亡的效能高于單一指標(biāo)，AUC為0.856，靈敏度為 84.6%，特異性為91.5%，約登指數(shù)為 0.761。見表4。

溫度是描述物體冷熱程度的物理量。干球溫度是指暴露于空氣中而又不受太陽直接照射的干球溫度表上所讀取的數(shù)值，它是溫度計在普通空氣中所測出的溫度；濕球溫度是指在絕熱條件下，大量的水與有限的濕空氣接觸，水蒸發(fā)所需的潛熱完全來自于濕空氣溫度降低所放出的顯熱，當(dāng)系統(tǒng)中空氣達(dá)飽和狀態(tài)且系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時系統(tǒng)的溫度。

絕對濕度a即每立方米濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，可利用水汽狀態(tài)方程直接獲得：

式中，e為實際水汽壓,單位為hPa；T為溫度，單位為K。

相對濕度U即水在空氣中的蒸汽壓與同溫同壓飽和蒸汽壓的比值,可利用干濕球溫度計算：

式中，E為水氣壓，Ew為干球溫度所對應(yīng)的純水平液面（或冰面）飽和水氣壓。

露點溫度是水汽恰好在固體表面凝結(jié)成水的臨界點，露點與濕度、空氣溫度、固體表面溫度和氣壓有著密切的關(guān)系?？諝獾臉O限含水量隨著空氣溫度降低而減小，一定氣壓條件下，空氣中水汽含量不變，若溫度降低，對應(yīng)的極限含水量也降低，相對濕度達(dá)到100%，多余水汽變?yōu)橐簯B(tài)水：

式中Pa為空氣水蒸氣分壓力；φ為空氣相對濕度；ta為空氣露點溫度。

式（1～11）表明，深埋地下的國防洞庫、人防洞和隧道等地下建筑，室內(nèi)空氣溫度與洞壁不均衡，在伴有一定濕度條件的條件下，洞壁表面便會產(chǎn)生冷凝結(jié)露。它與空氣濕度、溫度、氣壓以及洞室表面溫度密切相關(guān)。

2 洞庫溫濕度實測與分析

2.1 檢測內(nèi)容與方法

測試工作為1 d連續(xù)進(jìn)行，溫度檢測數(shù)據(jù)采集間隔為2 h，濕度檢測數(shù)據(jù)采集間隔為10 min。共9個測點，分別為洞庫地面處2個溫度檢測測點，側(cè)墻2個溫度檢測測點，頂面2個溫度檢測測點和距離地面1m處側(cè)墻1個濕度檢測測點，實驗室二樓房間1個溫度檢測測點，室外草坪1個溫度檢測測點（圖1，表1）。

圖1 洞庫溫度檢測測點布置圖 單位：m

表1 測量儀器布置表

2.2 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.2.1 洞庫空氣溫濕度及露點走勢

測試結(jié)果如圖2顯示，人防洞庫某一天內(nèi)的溫度走勢大體呈先上升，后下降。上升階段為4∶00到8∶00左右，8∶00以后到次日00∶00呈緩慢下降趨勢。相對濕度的走勢與溫度大體相反，以上午4∶00為起點，次日00∶00為終點，先下降，維持一段平穩(wěn)狀態(tài)，后又呈上升趨勢，4∶00為最高點，4∶00到8∶00為下降階段，8∶00到下午18∶00維持較低水平且略有波動，最低點在中午12∶00附近，進(jìn)入夜間又開始緩慢上升。溫度升高的時間段，相對濕度降低，不容易結(jié)露；溫度降低的時間段，相對濕度升高，比較容易結(jié)露。一天內(nèi)空氣的相對濕度平均值78.8%，最高值為84.9%。

圖2 洞庫1天溫濕度走勢圖

2.2.2洞庫壁面溫度特征

洞庫結(jié)構(gòu)表面頂部溫度最高，平均溫度為28.23℃，墻面次之，平均溫度為27.43℃，墻面和頂面的溫度普遍高于洞庫空氣的露點溫度，相對不易結(jié)露。地面溫度最低，平均溫度為24.63℃，低于洞庫空氣的平均露點溫度24.65℃（圖3）。地面處，凌晨至8∶00以及夜間22∶00至00∶00時間段內(nèi)溫度幾乎等于或者低于洞庫內(nèi)空氣的露點溫度，1日內(nèi)有約40%的時間內(nèi)其表面溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度，所以地面是最容易產(chǎn)生冷凝結(jié)露的部位。

2.2.3 洞庫室內(nèi)外氣象比較

測試數(shù)據(jù)如圖4顯示，洞庫內(nèi)的溫度、濕度分別與外界大氣溫度、濕度有一定的相關(guān)性，兩者的走勢基本保持一致，但外界大氣溫濕度變化幅度較大。外界大氣溫度高出1.77℃，相對濕度高出11.53%，而露點卻比較接近（表3）。其中下部壁面與地面處，本身溫度即低于露點溫度，并且與外界空氣溫度相差近8℃，所以當(dāng)外界空氣涌入洞庫，與洞壁耦合時，洞壁溫度低而空氣溫度高，相對濕度便會瞬間升高，極易發(fā)生冷凝結(jié)露，結(jié)露速率也較快。

表3 洞庫外界氣象參數(shù)比較表

圖3 洞庫壁面溫度走勢圖

圖4 外界大氣溫度、濕度、露點走勢圖

綜上得出，想要減少甚至避免洞庫內(nèi)壁面的冷凝結(jié)露，需從減小空氣濕度以降低露點和保持室內(nèi)溫度以避開結(jié)露，以及減少外界空氣與洞庫壁面耦合等方面來采取措施，冷凝結(jié)露防護(hù)的重點部位應(yīng)為下部墻面和地面處。

2.3 氣流組織形式與冷凝結(jié)露

氣流組織形式對地下空間的冷凝結(jié)露也有著重要的影響，不同的通風(fēng)強(qiáng)度和氣流組織形式會產(chǎn)生較大差異的冷凝結(jié)露。王威等人對地下空間運用流體動力學(xué)仿真模擬軟件FLUENT對不同通風(fēng)條件下洞壁結(jié)露的情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究[5]。幾何模型為長3.57 m、寬3.18 m、高2.6 m的長方體空間；變量為通風(fēng)模式分別為頂棚送風(fēng)、頂棚排風(fēng)、側(cè)上送風(fēng)、側(cè)下排風(fēng)、側(cè)下送風(fēng)、側(cè)上排風(fēng)。

不變的量為送風(fēng)溫度10℃，相對濕度75%，室內(nèi)空氣初始溫度15℃，相對濕度82%，送風(fēng)速率為256.5 m3/h。3種工況對照比較（表4，圖5），3種工況結(jié)露面積分別為11.3 m2、22.6 m2、23.9 m2，占比19.6%、39.2%、41.3%，結(jié)露質(zhì)量分別為0.76 g、6.07 g、6.50 g。其中所有工況開始結(jié)露時間均為900 s，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)均為1 800 s。所以當(dāng)送風(fēng)口和排風(fēng)口均設(shè)置在頂棚位置時，室內(nèi)結(jié)露量最小，結(jié)露速度也最慢。

表4 結(jié)露數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表

圖5 各工況結(jié)露分布云圖

通風(fēng)強(qiáng)度影響地下空間的冷凝結(jié)露，王威等人提出了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型[6]。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況擬合度較高，誤差在合理范圍內(nèi)；隨著通風(fēng)強(qiáng)度的增加，室外內(nèi)的溫度和濕度均出現(xiàn)明顯降低，結(jié)露速率和面積也明顯降低。

3 結(jié)論

（1）洞庫混凝土冷凝結(jié)露，主要是由于潮濕空氣滲入洞庫內(nèi)部，與溫度相對較低的混凝土結(jié)構(gòu)相遇，從而引起水汽冷凝成液態(tài)水。復(fù)雜地下空間室內(nèi)空間溫度場分布和濕度場分布復(fù)雜，結(jié)露現(xiàn)象也呈現(xiàn)多樣化。

（2）當(dāng)溫度變化幅度較大時，室內(nèi)空氣溫度與洞壁溫度相差較大，會加速結(jié)露發(fā)生；雨季空氣中相對濕度較高，會加速結(jié)露發(fā)生；增大風(fēng)速，降低送風(fēng)的濕度和溫度，可減小結(jié)露量；頂棚送風(fēng)排風(fēng)優(yōu)于側(cè)壁送風(fēng)排風(fēng)，可減小結(jié)露量。

（3）洞庫混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，需從混凝土配合比設(shè)計、施工養(yǎng)護(hù)以及服役期間通風(fēng)、除濕幾方面來進(jìn)行。合理設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)和高效密閉系統(tǒng)，運用 “靈活溫濕服役法” ，靈活調(diào)整洞內(nèi)溫濕狀態(tài)，以緩解混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化，提高結(jié)構(gòu)耐久性。