多重環(huán)境時間相似理論及其在沿海混凝土結構耐久性中的應用.pdf

1、混凝土結構耐久性問題是當今工程界所普遍關注的問題，它不僅關系到混凝土結構維護與再建成本的控制，而且與節(jié)能減排、環(huán)境保護和社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關。本文對多重環(huán)境時間相似理論(Multi-Environmental Time Similaritytheory, METS)及其在沿海混凝土結構耐久性中的應用進行了研究。多重環(huán)境時間相似理論通過引入與研究對象具有相似環(huán)境條件且具有一定服役年限的第三方參照物，可以解決室內(nèi)試驗環(huán)境與現(xiàn)場實際環(huán)境之

2、間的相似性問題，為通過室內(nèi)試驗對現(xiàn)場實際結構進行耐久性壽命預測和評估奠定了理論基礎。文中詳細分析了METS方法在沿?；炷两Y構耐久性中的應用，為混凝土結構耐久性環(huán)境層次的研究邁出了關鍵的一步。 具體研究內(nèi)容如下： 1.以經(jīng)典的相似理論為基礎，通過引入與研究對象服役環(huán)境相同或相似的參照物作為聯(lián)系現(xiàn)場試驗與室內(nèi)加速模擬試驗的橋梁，提出了多重環(huán)境時間相似理論。METS理論根據(jù)室內(nèi)加速模擬試驗和現(xiàn)場檢測試驗的結果，建立室內(nèi)加速模

3、擬環(huán)境與現(xiàn)場實際環(huán)境之間的時間相似關系，從而利用室內(nèi)加速試驗實現(xiàn)對現(xiàn)場實際結構進行有效、準確的預測與評估。通過對沿?；炷两Y構耐久性的主要影響因素的分析，對METS方法在沿?；炷两Y構耐久性壽命預測與評估的實現(xiàn)過程進行了研究。 2.進行了混凝土結構耐久性試驗METS方法的試驗設計研究。對METS方法中第三方參照物的現(xiàn)場檢測試驗、研究對象的現(xiàn)場暴露試驗、二者對應混凝土試件的室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗方法進行了研究。為METS方法在實

4、際工程中的應用奠定基礎。 3.通過現(xiàn)場實測與室內(nèi)加速試驗均發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境分區(qū)氯離子在混凝土侵蝕程度不同，并呈現(xiàn)潮差區(qū)最嚴重，浪濺區(qū)次之，大氣區(qū)在不同深度的氯離子含量和侵蝕深度均比干濕交替區(qū)域低很多，說明室內(nèi)人工加速模擬的試驗環(huán)境與現(xiàn)場實際環(huán)境具有一定的相似性。 4.研究了混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨表面氯離子濃度隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)室內(nèi)加速試驗結果，建立了不同環(huán)境分區(qū)(水下區(qū)、干濕交替區(qū)、大氣區(qū))混凝土時間衰減系數(shù)n與混凝土

5、材料組成之間的關系式，該關系式表達形式簡單，使用方便，與試驗結果吻合較好。根據(jù)本文建立的時間衰減系數(shù)關系式，對室內(nèi)加速和現(xiàn)場實際環(huán)境氯離子擴散系數(shù)的相似性進行了研究，得出不同環(huán)境分區(qū)氯離子擴散系數(shù)的相似率。利用Boltzmann變量，擬合得到在對流區(qū)深度處的氯離子濃度，并以此作為氯離子擴散的起點，建立了室內(nèi)加速環(huán)境與現(xiàn)場實際環(huán)境中表面氯離子濃度隨時間的累積關系，得出不同環(huán)境分區(qū)表面氯離子濃度基于室內(nèi)環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境的相似率。 5.

6、基于METS方法，利用氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度的相似率和室內(nèi)加速試驗的結果，以距混凝土表面深度60mm處的水溶性氯離子含量0.05％(相對混凝土質(zhì)量的百分比)為參照對象，考慮氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度的時變效應，通過數(shù)值模擬的方法得到了室內(nèi)加速環(huán)境在不同環(huán)境分區(qū)相對現(xiàn)場實際環(huán)境的時間相似率。 6.基于混凝土結構耐久性試驗的METS方法，對杭州灣跨海大橋?qū)嶋H工程混凝土結構耐久性進行了壽命預測。根據(jù)METS方法，利用現(xiàn)場檢

7、測試驗、室內(nèi)加速試驗、現(xiàn)場暴露試驗的檢測結果建立了不同環(huán)境之間氯離子擴散的相似關系，用數(shù)值模擬方法分析了氯離子對杭州灣跨海大橋混凝土結構主要構件的侵蝕過程并進行了壽命預測，預測過程中考慮了氯離子擴散系數(shù)與表面氯離子濃度的時變性，更加接近混凝土的實際退化機理，預測結果合理、可信、有說服力。 本文得到國家自然科學基金重點課題“氯鹽侵蝕環(huán)境的混凝土結構耐久性設計與評估基礎理論研究”(50538070)、國家高技術研究發(fā)展“863計劃課