荷載與環(huán)境因素耦合作用下粉煤灰結(jié)構(gòu)混凝土劣化規(guī)律與壽命預(yù)測.pdf

1、本文主要研究荷載和環(huán)境作用下粉煤灰結(jié)構(gòu)混凝土劣化規(guī)律與壽命預(yù)測問題。首先建立荷載和環(huán)境耦合作用下粉煤灰混凝土損傷指標(biāo)體系，同時(shí)設(shè)計(jì)并加工大型混凝土試件的加載裝置；采用應(yīng)力傳感器裝置來實(shí)現(xiàn)加載過程中應(yīng)力松弛情況的控制并制定相應(yīng)判斷的準(zhǔn)則。對于不同粉煤灰摻量、不同水灰比、不同養(yǎng)護(hù)齡期的粉煤混凝土，研究單一因素作用下的一維、二維和三維碳化規(guī)律，并以此為基準(zhǔn)，進(jìn)一步研究涉及碳化的雙重和多重破壞因素(荷載+碳化，氯離子侵蝕+碳化，氯離子侵蝕+干濕

2、循環(huán)+碳化，荷載+氯離子侵蝕+干濕循環(huán)+碳化)作用下混凝土的一維和多維碳化依時(shí)演化規(guī)律和相應(yīng)的耦合因素對碳化的影響規(guī)律：采用圖像處理技術(shù)研究不同凍融損傷后粉煤灰混凝土的多維碳化演化規(guī)律，定量分析了凍融破壞對碳化的影響規(guī)律。系統(tǒng)研究不同粉煤灰摻量、不同水灰比、不同養(yǎng)護(hù)齡期的粉煤灰混凝土在單一因素作用的一維、二維和三維氯離子擴(kuò)散規(guī)律，以及荷載+氯離子侵蝕，氯離子侵蝕+碳化，荷載+干濕循環(huán)+氯離子侵蝕、氯離子侵蝕+干濕循環(huán)+碳化，荷載+氯離子

3、侵蝕+干濕循環(huán)+碳化等雙重和多重因素耦合作用下混凝土的一維和多維氯離子擴(kuò)散規(guī)律和相應(yīng)的耦合因素對氯離子擴(kuò)散的影響規(guī)律并對實(shí)際工程混凝土配比的服役壽命進(jìn)行預(yù)測；建立了考慮干濕循環(huán)作用的氯離子傳輸模型。采用交流阻抗測試儀，測試碳化、氯離子侵蝕下單一，雙重和多重因素耦合作用下粉煤灰混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的定量規(guī)律，研究各個(gè)因素對鋼筋銹蝕的影響情況。采用Java語言編寫一個(gè)從混凝土配合比計(jì)算到單一、雙重和多重因素作用下混凝土多維損傷失效規(guī)律，最終實(shí)

4、現(xiàn)混凝土多因素作用下壽命預(yù)測的專家系統(tǒng)。 (1)多因素耐久性加載裝置的設(shè)計(jì)建造與新型加載方法體系的構(gòu)建及多維耐久性實(shí)驗(yàn)測試方法的確立。自主研發(fā)了適于本課題專用的應(yīng)力傳感器，通過傳感器實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程中對加載狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效防止了加載彈簧的應(yīng)力松弛問題；設(shè)計(jì)了適用于大尺寸試件加載要求的四拉桿加載裝置，實(shí)現(xiàn)了對大試件的加載試驗(yàn)；建立了荷載和環(huán)境作用下科學(xué)的耦合制度。制定了單一、雙重和多重因素作用下混凝土碳化和氯離子擴(kuò)散在的1D

5、、2D和3D時(shí)的測試方法。 (2)荷載和環(huán)境因素耦合作用下粉煤灰混凝土單一、雙重和多重破壞因素作用下多維碳化及其交互系數(shù)的研究。定義了2D和3D混凝土碳化：探討了不同粉煤灰摻量(0％、20％、40％和60％)，不同水膠比(0.30、0.35和0.40)，不同養(yǎng)護(hù)齡期(28d和90d)，不同粉煤灰種類(一級和二級)對混凝土1D碳化深度的影響規(guī)律并分析了粉煤灰摻量、水膠比，養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土2D和3D碳化深度的影響規(guī)律。 定量

6、分析了荷載對混凝土1D和2D碳化的影響規(guī)律并詳細(xì)探討了應(yīng)力對不同粉煤灰摻量混凝土碳化規(guī)律的影響，當(dāng)混凝土受到不同應(yīng)力比作用時(shí)，應(yīng)力和碳化深度呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系；相同應(yīng)力下荷載對不同粉煤灰摻量混凝土產(chǎn)生的加速效應(yīng)是不同的，40％粉煤灰摻量之內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，應(yīng)力對混凝土碳化的影響力度呈現(xiàn)減小趨勢。 分析了經(jīng)過不同凍融循環(huán)破壞后混凝土的碳化現(xiàn)象，采用Image-proPlus圖像處理軟件對碳化面積進(jìn)行定量分析；詳細(xì)論述了粉煤灰摻量

7、，凍融破壞程度和水膠比對凍融循環(huán)+碳化雙因素耦合作用下混凝土碳化面積的影響效應(yīng)，隨著粉煤灰摻量的增加，經(jīng)過凍融破壞后的混凝土碳化面積呈現(xiàn)一個(gè)先下降再上升的過程，混凝土的碳化面積隨著凍融破壞程度的增加而增加，呈現(xiàn)線性的規(guī)律，因此有效降低混凝土凍融破壞程度是阻止混凝土碳化的有效方法。 定義了混凝土的2D和3D交互系數(shù)；交互系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而減小。2D和3D交互系數(shù)在碳化早期快速減小，后期則出現(xiàn)衰減，趨向于平緩；其交互系數(shù)服從

8、e的經(jīng)時(shí)衰減函數(shù)；探討了不同應(yīng)力比狀態(tài)下混凝土2D交互系數(shù)。使用含有2D、3D交互系數(shù)K，碳化時(shí)間依賴性系數(shù)n的碳化方程對蘇通大橋箱梁部位混凝土進(jìn)行壽命進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明2D和3D預(yù)測壽命大幅度減少。 (3)荷載和環(huán)境因素耦合作用下粉煤灰混凝土單一、雙重和多重破壞因素作用下多維氯離子傳輸規(guī)律及其交互系數(shù)的研究。本文研究了不同粉煤灰摻量(0％、20％、40％和60％)，不同水膠比(0.30、0.35和0.40)，不同養(yǎng)護(hù)齡期(2

9、8d和90d)對混凝土1D氯離子擴(kuò)散濃度，氯離子結(jié)合能力及擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律：定量分析了荷載對混凝土1D和2D氯離子擴(kuò)散的影響情況：著重探討了干濕交替作用下粉煤灰混凝土氯離子擴(kuò)散的規(guī)律并定量分析了干濕+碳化+浸泡和荷載+干濕+碳化+浸泡三重和四重因素耦合作用下的氯離子擴(kuò)散情況。通過實(shí)際測試的氯離子濃度和采用Fick第二擴(kuò)散定律理論計(jì)算的氯離子濃度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散過程中存在x、y、z軸方向的交互作用；定義了2D和3D氯離子擴(kuò)散交互

10、系數(shù)。不同粉煤灰摻量對混凝土多維交互系數(shù)的影響成指數(shù)形式分布。對蘇通大橋承臺混凝土使用帶多維交互系數(shù)的擴(kuò)散模型進(jìn)行服役壽命預(yù)測，壽命從單因素的遠(yuǎn)大于100年下降到0.35應(yīng)力比下2D的157.8年，帶有多維交互系數(shù)的氯離子擴(kuò)散壽命預(yù)測更加符合結(jié)構(gòu)混凝土實(shí)際情況。 對不同粉煤灰摻量、不同水膠比的混凝土在干濕交替作用下自由氯離子的濃度進(jìn)行分析，計(jì)算出干濕交替作用影響深度在12mm到13mm之間并對不同粉煤灰摻量混凝土干濕鋒面氯離子濃

11、度進(jìn)行定量計(jì)算。建立了帶有干濕交替作用的氯離子傳輸模型，并使用該模型對混凝土濃度進(jìn)行理論預(yù)測，理論計(jì)算值和實(shí)際測試值比較接近。 (4)荷載和環(huán)境因素耦合作用下混凝土鋼筋銹蝕的研究。本文通過交流阻抗法研究了配筋混凝土試件在單一碳化、氯離子浸泡，凍融破壞+碳化，荷載+干濕循環(huán)+碳化+氯離子浸泡等耦合因素作用下鋼筋鈍化膜的破壞過程，并測試了鋼筋發(fā)生銹蝕的臨界氯離子濃度。單因素碳化120d和單因素浸泡1年的混凝土，其鋼筋均未發(fā)生銹蝕：凍

12、融破壞對混凝土中鋼筋銹蝕影響顯著，25％凍融破壞后碳化120d發(fā)生銹蝕，凍融破壞50％時(shí)96天時(shí)即發(fā)生鋼筋銹蝕，而凍融破壞75％的試塊進(jìn)行碳化時(shí)，66d便發(fā)生了鋼筋銹蝕；荷載作用下混凝土浸泡18個(gè)月時(shí)發(fā)生鋼筋銹蝕，其臨界氯離子濃度為0.062％，而荷載+干濕循環(huán)+碳化+浸泡四重因素作用時(shí)，30個(gè)循環(huán)之后鋼筋發(fā)生銹蝕，其臨界氯離子濃度為0.058％，小于沒有干濕循環(huán)作用下的臨界濃度。 (5)耐久性壽命預(yù)測專家系統(tǒng)。采用Java語言

13、并運(yùn)用查詢效率高的NativeXMLDatabase數(shù)據(jù)庫，使用matlab數(shù)據(jù)包并使用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)編寫計(jì)算精度高，擴(kuò)充方便，可適用范圍廣的專家系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了從混凝土配合比計(jì)算到單一、雙重和多重因素作用下混凝土多維損傷失效規(guī)律，最終到混凝土多因素作用下服役壽命預(yù)測的計(jì)算全過程。隨機(jī)抽取蘇通大橋索塔結(jié)構(gòu)混凝土在0.35應(yīng)力比彎曲荷載下的碳化深度為樣本，其最大誤差小于15％，最小的誤差只有2.8％。本系統(tǒng)可以計(jì)算荷載和環(huán)境耦合作用