西部地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測.pdf

1、我國兩部地區(qū)(特別是鹽湖地區(qū))廣泛存在高濃度的氯、硫酸根、鎂等多種有害離子，以及干冷、干熱的嚴(yán)酷氣候條件，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼗炷翐p傷劣化速度明顯高于我國其它地區(qū)。本文在詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合因素作用下混凝土耐久性試驗系列新方法和加載系統(tǒng)，依據(jù)我國兩部地區(qū)環(huán)境特點，對混凝土承受的損傷劣化因素進行了模擬。在耐久性試驗研究的基礎(chǔ)上，研究了不同系列混凝土在硫酸鹽-氯鹽-鎂鹽-彎曲荷載的單一，雙重和多重破壞因素作用下的損傷失效過程和演變規(guī)律，建立了

2、反映力學(xué)、環(huán)境因素與混凝土類型的損傷劣化演化方程。研究了混凝土在氯鹽一硫酸鹽一鎂鹽一彎曲荷載單一，雙重和多重破壞因素下的氯離子擴散規(guī)律，并剖析了不同類型混凝土在不同腐蝕環(huán)境下對氯離子結(jié)合能力及規(guī)律。為提高結(jié)構(gòu)混凝土服役壽命，又基于青海鹽湖鹵水中混凝土損傷失效和抗氯離子擴散研究，對青海鹽湖嚴(yán)酷環(huán)境使用的混凝土進行了優(yōu)選和優(yōu)化。在耐久性試驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析和微觀測試手段，深入剖析了混凝土在硫酸鹽-氯鹽復(fù)合溶液中，硫酸鹽對混凝土氯離

3、子擴散的影響規(guī)律和機理，建立了混凝土氯離子擴散系數(shù)與硫酸鹽濃度、氯鹽濃度，時間相關(guān)的理論模型；采用xRD-TG-Dsc定量分析了不同腐蝕溶液、腐蝕時間下的腐蝕產(chǎn)物；系統(tǒng)分析了混凝土在硫酸鹽-氯鹽復(fù)合溶液中的微觀、細(xì)觀和宏觀結(jié)構(gòu)演變過程。計算了混凝土硫酸鹽-氯鹽腐蝕下的微膨脹應(yīng)力和混凝土臨界抗拉強度，建立了混凝士在硫酸鹽一氯鹽腐蝕下的裂紋形成準(zhǔn)則。并以Fick第一定律為基礎(chǔ)，綜合考慮彎曲荷載、粉煤灰摻量、養(yǎng)護齡期、保護層厚度、溫度等綜合因

4、素的影響建立了我國西部地區(qū)大氣環(huán)境中基于碳化為主的結(jié)構(gòu)混凝十壽命預(yù)測新方程；以Fick第二定律為基礎(chǔ)，綜合彎曲荷載，混凝土對氯離子的結(jié)合能力，特別是荷載一硫酸鹽一氯鹽的交互作川，建立了多重破壞因素作用下結(jié)構(gòu)混凝土的壽命預(yù)測新模型。 (1)復(fù)合因素作用下混凝土耐久性試驗系列新方法的建立本文采用浸泡與浸烘循環(huán)兩種腐蝕制度。以不同濃度的單一硫酸鈉、硫酸鎂或氯化鈉溶液；不同濃度的硫酸鹽溶液與固定濃度的氯鹽溶液復(fù)合；不同濃度的氯鹽溶液與固

5、定濃度的硫酸鹽溶液復(fù)合：青海鹽湖鹵水溶液為腐蝕溶液。使川新設(shè)計的加載體系對混凝土施加不同荷載率的彎曲荷載。采用水溶法和酸溶法測試混凝土中自由氯離子和總氯離子濃度，連續(xù)測定混凝土相對動彈性模量和重量損失以及膨脹率變化。以此研究混凝土在單一、雙重和多重破壞因素作用下的氯離子擴散規(guī)律和結(jié)構(gòu)混凝土損傷失效全過程。 (2)復(fù)合環(huán)境因素下結(jié)構(gòu)混凝土損傷失效與氯離子擴散規(guī)律研究本文重點研究了硫酸鹽-氯鹽．鎂鹽單一、雙重和多重環(huán)境因素下結(jié)構(gòu)混凝

6、土的損傷失效全過程和氯離子擴散規(guī)律。結(jié)果表明：混凝士在單一硫酸鈉、硫酸鎂溶液中，其損傷失效過程均包括三個階段：性能發(fā)展段、穩(wěn)定段和性能劣化段。其主要破壞形式是因膨脹而引起混凝土開裂剝落而導(dǎo)致破壞?；炷猎诹蛩猁}-氯鹽復(fù)合溶液中，腐蝕溶液中因氯鹽存在和擴散不引起混凝土自身損傷，相反延緩了混凝土的硫酸鹽損傷程度；腐蝕初期復(fù)合溶液中因硫酸鹽存在降低了cl<'->在混凝土中的擴散速度(即降低了混凝土的氯離子擴散系數(shù))；而腐蝕后期情況則相反?；炷?/p>

7、土在硫酸鎂一氯鹽復(fù)合溶液中，腐蝕初期因硫酸根離子和鎂離子復(fù)合作用，提高了混凝土的抗氯離子擴散能力，且提高程度人于同濃度硫酸鹽的作用；后期混凝土損傷劣化程度和其氯離子擴散系數(shù)均高于同濃度的硫酸鹽作用。混凝士在青海鹽湖鹵水中腐蝕，其破壞形態(tài)是以鎂鹽為主的剝落型破壞和以硫酸根離子導(dǎo)致膨脹為輔的損傷失效形式。其損傷火效過程和氯離子擴散趨勢與混凝土在硫酸鎂-氯鹽復(fù)合溶液作用下的演化趨勢一致。 混凝土對氯離子擴散過程中的結(jié)合，使其氯離子擴散

8、系數(shù)降低到原來的1/(1+K)，混凝土服役壽命相應(yīng)提高。復(fù)合溶液中硫酸鹽存在降低了混凝士的氯離子結(jié)合能力，且結(jié)合能力隨外界硫酸鹽濃度增加而下降。同濃度的硫酸鎂對混凝土氯離子結(jié)合能力的降低幅度要小丁硫酸鈉，但高濃度的硫酸根離子、鎂離子復(fù)合作用會大幅度降低混凝土的氯離子結(jié)合能力。 (3)力學(xué)因素與環(huán)境復(fù)合因素下結(jié)構(gòu)混凝土損傷失效與氯離子擴散規(guī)律研究本文采用新設(shè)計的加載裝置對不同環(huán)境因素作用下結(jié)構(gòu)混凝土施加彎曲荷載，研究結(jié)果表明：混凝土在彎曲

9、荷載-硫酸鹽、彎曲荷載一氯鹽以及彎曲荷載一碳化復(fù)合作用下，彎曲荷載顯著降低了混凝土的抗硫酸鹽腐蝕，抗氯離子擴散以及抗碳化能力；彎曲荷載率越高，混凝土損傷劣化速度越快?；炷趶澢奢d-硫酸鹽．氯鹽三重因素作用下，彎曲荷載劣化了混凝土抗硫酸鹽腐蝕和抗氯離子擴散能力。硫酸鹽在腐蝕前期延緩了荷載對混凝土抗氯離子擴散性能的劣化作用；腐蝕后期，硫酸鹽加速了荷載對混凝土抗氯離子擴散的劣化作用?；炷猎趶澢奢d一硫酸鎂一氯鹽，以及彎曲荷載．青海鹽湖鹵

10、水復(fù)合因素作用下，也以同樣的趨勢變化。 (4)混凝土的優(yōu)選與優(yōu)化本文在復(fù)合力學(xué)與環(huán)境因素對混凝土耐久性影響試驗研究的基礎(chǔ)上。改變混凝土強度等級、礦物摻和料摻量和種類，改變新拌混凝土的含氣量，從而為青海鹽湖地區(qū)使川的混凝土進行了優(yōu)選和優(yōu)化。結(jié)果表明：對于鹽湖地區(qū)高腐蝕環(huán)境，HPC (C70混凝土，摻加20﹪粉煤灰，10﹪的硅灰以及4～5﹪左右的含氣量)能滿足工程需要。對其它腐蝕環(huán)境，優(yōu)選C50系列混凝十，粉煤灰摻量在20﹪左右，

11、硅灰摻量小于7﹪，新拌混凝土含氣量控制在4-5﹪。 (5)硫酸鹽一氯鹽復(fù)合作用機理本文在耐久性試驗研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)理論推導(dǎo)和機理分析研究了混凝土在硫酸鹽一氯鹽復(fù)合作用下的氯離子擴散規(guī)律和混凝土損傷劣化及微結(jié)構(gòu)演變過程。結(jié)果表明：在復(fù)合溶液中混凝土腐蝕初期，氯離子擴散可視為在等效圓孔和基體構(gòu)成的多孔介質(zhì)中進行；硫酸鹽生成的腐蝕產(chǎn)物填充了混凝十的孔隙，導(dǎo)致混凝土的孔徑變小，在一定程度改變了毛細(xì)管的連通性，從而降低了混凝土的氯離子擴

12、散系數(shù)。腐蝕后期，氯離子擴散可視為在基體一二維裂紋中擴散。硫酸鹽腐蝕產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致混凝土裂紋指數(shù)(基體面積/裂紋面積)不斷下降，氯離子擴散系數(shù)也隨之上升?；炷猎诹蛩猁}一氯鹽復(fù)合溶液中，其微觀表現(xiàn)為腐蝕產(chǎn)物密實混凝士孔隙并最終導(dǎo)致孔壁開裂；漿體一集料界面區(qū)大量腐蝕產(chǎn)物形成，并導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；其細(xì)觀表現(xiàn)為裂紋在漿體形成、連通并擴展，最后導(dǎo)致集料的開裂并形成連通性大裂紋；宏觀上表現(xiàn)為混凝土長度增加，粗大裂紋在混凝土表面形成，破壞后期出現(xiàn)無粘

13、性剝落。 (6)壽命預(yù)測模型建立本文在耐久試驗和機理分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮混凝土的養(yǎng)護齡期、荷載率、溫度、粉煤灰摻量、保護層厚度等影響因素，充分考慮混凝土中CO<,2>擴散系數(shù)的時間依賴性，建立了多因素粉煤灰混凝土碳化壽命預(yù)測新方程。綜合彎曲荷載，氯離子結(jié)合能力，特別是硫酸鹽與氯鹽，彎曲荷載一硫酸鹽一氯鹽的交互作用，建立了多重破壞因素作用下結(jié)構(gòu)混凝土的壽命預(yù)測新模型。建立了反映力學(xué)與環(huán)境因素耦合作用下不同強度等級混凝土的損傷演化

14、方程；混凝土氯離子結(jié)合能力數(shù)據(jù)庫，形成了一套較為完善的混凝土壽命預(yù)測試驗和計算方法體系。壽命預(yù)測結(jié)果表明：彎曲荷載存在縮短了混凝土使用壽命：氯離子結(jié)合能力提高，延長了混凝十使用壽命；在高濃度氯鹽，低濃度硫酸鹽環(huán)境下，硫酸鹽存在延長結(jié)構(gòu)混凝土服役壽命；在低濃度氯鹽，高濃度的硫酸鹽環(huán)境卜，硫酸鹽存在大幅度縮短了結(jié)構(gòu)混凝土使用壽命。使用該模型對鹽湖地區(qū)結(jié)構(gòu)混凝土進行壽命預(yù)測，普通C30混凝土服役壽命僅1～3年：HPC服役壽命能達(dá)到40年左右。