基于現(xiàn)場暴露試驗(yàn)與室內(nèi)耐久性試驗(yàn)之間相關(guān)性的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究.pdf

1、目前，國內(nèi)外的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，主要依賴于室內(nèi)耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，或者基于實(shí)際工程環(huán)境的暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是很少建立室內(nèi)外耐久性之間的關(guān)系，因而，幾乎對于所有的重點(diǎn)工程，進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時都需要有針對性的室內(nèi)耐久性試驗(yàn)，在條件許可時偶爾進(jìn)行一些有限的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)。這樣導(dǎo)致大量的重復(fù)試驗(yàn)，無謂的資源浪費(fèi)，而且還不一定得出較為可靠的耐久性設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)建議等方面的重要結(jié)論。如果能夠建立室內(nèi)耐久性與現(xiàn)場實(shí)際工程耐久性之間聯(lián)系的理論體系，今后就可以

2、針對具體的工程環(huán)境資料，僅僅進(jìn)行室內(nèi)耐久性試驗(yàn)，根據(jù)已經(jīng)建立的耐久性室內(nèi)外關(guān)系進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)工作。為了能夠很快地得到混凝土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外耐久性之間相關(guān)關(guān)系的規(guī)律，本文選用了混凝土結(jié)構(gòu)失效較快的鹽湖環(huán)境作為工程研究背景，系統(tǒng)研究了抗壓強(qiáng)度等級為C30、C45FA30（C45摻加30％粉煤灰）、C45SG50（C45摻加50%礦渣）、C50、C60、C65SF10SG45（C65雙摻10%硅灰+45%礦渣）、C70SF10FA27

3、（C70雙摻10%硅灰+27%粉煤灰）和C80SF10（C80摻加10%硅灰）的混凝土，在室內(nèi)加速環(huán)境和鹽湖現(xiàn)場暴露環(huán)境下的相同原料、相同配比、相同試件、相同時間、相同測試方法和相同評價標(biāo)準(zhǔn)的“六同時”耐久性試驗(yàn)。建立了混凝土構(gòu)件的室內(nèi)試驗(yàn)與室外試驗(yàn)的耐久性換算關(guān)系。提出了以室內(nèi)長期浸泡環(huán)境為基準(zhǔn)、利用室內(nèi)外相關(guān)性系數(shù)為橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法體系，利用三階段壽命預(yù)測模型和相應(yīng)的耐久性參數(shù)，對鹽湖集團(tuán)跨鐵路專線大橋的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件

4、進(jìn)行了壽命設(shè)計(jì)。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1）提出了以室內(nèi)長期浸泡環(huán)境為基準(zhǔn)、利用室內(nèi)外相關(guān)性系數(shù)為橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的新方法，建立了基于室內(nèi)外相關(guān)性(correlation lab and field test，CLFT)的嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法體系，提出混凝土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)與室外暴露試驗(yàn)?zāi)途眯詳?shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換方法。
　　2）研究了鹽湖地區(qū)混凝土相對模量及表面剝落的變化規(guī)律。結(jié)果表明：與長期

5、浸泡環(huán)境相比，施加荷載和干濕循環(huán)都加速了混凝土的劣化速度及表面剝落速度，干濕循環(huán)的效果更顯著一些?；炷亮踊俣燃氨砻鎰兟渑c混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)，相同的腐蝕環(huán)境下，強(qiáng)度等級越高混凝土劣化速度越慢、腐蝕剝落開始的時間越晚。建立了預(yù)測鹽湖現(xiàn)場、鹽湖現(xiàn)場-干濕循環(huán)、鹽湖現(xiàn)場-加載、鹽湖現(xiàn)場-干濕循環(huán)-加載的混凝土相對動彈模量的時變方程。
　　3）研究了鹽湖地區(qū)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的室內(nèi)外相關(guān)性規(guī)律。混凝土的氯離子結(jié)合能力與試驗(yàn)環(huán)境無關(guān)。室

6、內(nèi)加速環(huán)境下混凝土的表面自由氯離子含量與試驗(yàn)條件無關(guān)，混凝土在室內(nèi)環(huán)境的表面自由氯離子含量大于其在現(xiàn)場暴露。表觀自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)（D0）隨著暴露時間的延長而降低。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，降低混凝土D0值的技術(shù)措施包括：提高混凝土強(qiáng)度等級和摻加礦物摻合料，其中，后者的降低效果更加明顯，而且，大摻量礦物摻合料、雙摻硅灰和粉煤灰或礦渣的降低效果非常顯著。因此，鹽湖地區(qū)高性能混凝土的設(shè)計(jì)原則是：應(yīng)該優(yōu)先采用大摻量礦物摻合料的單摻(C45FA30

7、和C45SG50)或雙摻(C65SF10FA27和C70SF10SG45）技術(shù)，而不是僅僅提高混凝土強(qiáng)度等級。
　　4）研究了鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的承載能力變化規(guī)律，建立了基于室內(nèi)外相關(guān)性(CLFT)的結(jié)構(gòu)承載力和撓度計(jì)算模型。建立了鹽湖實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的時變方程。建立了現(xiàn)場環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕率和抗拉強(qiáng)度的時變方程。建立了基于室內(nèi)外相關(guān)性的混凝土構(gòu)件極限承載力和撓度的計(jì)算模型，并對實(shí)體工程進(jìn)行了驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示計(jì)算

8、結(jié)果與實(shí)測結(jié)果很接近，模型可以應(yīng)用。
　　5）結(jié)合可靠度理論和“誘導(dǎo)期+劣化期+失效期”三階段壽命預(yù)測模型，利用本文建立的基于室內(nèi)外相關(guān)性(CLFT)的設(shè)計(jì)方法，對混凝土結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算模型進(jìn)行修正。計(jì)算結(jié)果表明，在鹽湖環(huán)境中，鋼筋混凝土梁和柱的劣化期和誘導(dǎo)期均取決于腐蝕作用引起的混凝土劣化，其失效期取決于腐蝕引起的混凝土劣化作用以及鋼筋銹蝕作用。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30~C60時，鋼筋混凝土梁和柱的耐久性設(shè)計(jì)需要考慮誘導(dǎo)期和劣化

9、期；采用混凝土強(qiáng)度等級為C65~C80時，鋼筋混凝土梁和柱的耐久性設(shè)計(jì)僅需考慮誘導(dǎo)期。
　　6）提供了在鹽湖現(xiàn)場環(huán)境下采用不同配合比的混凝土構(gòu)件壽命預(yù)測的算例。結(jié)果表明：當(dāng)保護(hù)層厚度為30mm時，鹽湖大氣區(qū)的鋼筋混凝土梁和柱要達(dá)到100a設(shè)計(jì)壽命，可采用強(qiáng)度等級在C65以上的高性能混凝土；當(dāng)其設(shè)計(jì)壽命為50a時，可采用強(qiáng)度等級在C45~C60的高性能混凝土。在鹽湖地區(qū)鹵水與鹽漬土環(huán)境下的鋼筋混凝土梁和柱，要達(dá)到100a設(shè)計(jì)壽命，必

10、須同時采用C50以上的高性能混凝土和表面附加防護(hù)措施（浸漬硅烷、噴涂氟碳涂料）；當(dāng)其設(shè)計(jì)壽命為50a時，僅僅采用C80SF10高性能混凝土即能滿足設(shè)計(jì)要求。
　　7）結(jié)合可靠度理論，研究基于室內(nèi)外相關(guān)性的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法在嚴(yán)酷環(huán)境下實(shí)際橋梁工程結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題，并提供了算例。以鹽湖集團(tuán)跨鐵路專線大橋?yàn)楣こ瘫尘?，對預(yù)制箱梁、蓋梁、墩柱和條形擴(kuò)大基礎(chǔ)等主要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行了耐久性設(shè)計(jì)與壽命分析。結(jié)果表明：強(qiáng)度等級C50、主筋

11、保護(hù)層厚度50mm的預(yù)制箱梁，要達(dá)到100a的設(shè)計(jì)壽命，必須對其腹板、翼板進(jìn)行表面浸漬深度為2mm硅烷涂料的防護(hù)。強(qiáng)度等級C50、主筋保護(hù)層厚度60mm的蓋梁，其服役壽命滿足100a設(shè)計(jì)要求。對于強(qiáng)度等級C40、主筋保護(hù)層厚度60mm的墩柱，需要采用外包30mm鋼板樁圍堰+噴涂2次氟碳涂料的防護(hù)措施，才能達(dá)到100a的設(shè)計(jì)壽命。強(qiáng)度等級C50、主筋保護(hù)層厚度60mm的混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，采取外包63mm鋼板樁圍堰防護(hù)+噴涂1次氟碳涂料的防護(hù)

12、措施，其服役壽命能達(dá)到設(shè)計(jì)100a的要求。
　　8）基于對鹽湖地區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支梁橋的耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出如下設(shè)計(jì)建議：預(yù)制箱梁腹板、翼板采用大摻量的礦物摻合料高性能混凝土且其保護(hù)層厚度為30mm，其服役壽命能達(dá)到設(shè)計(jì)100a的要求。預(yù)制箱梁和蓋梁采用C50以上的高性能混凝土，其服役壽命能達(dá)到100a的設(shè)計(jì)要求。混凝土墩柱采用強(qiáng)度等級為C65～C70的高性能混凝土?xí)r，采取表面浸漬深度為2mm硅烷+外包30mm厚鋼板樁圍堰+噴