鹽湖地區(qū)高性能混凝土的耐久性、機理與使用壽命預(yù)測方法.pdf

1、我國大西北有4大鹽湖區(qū)共上千個鹽湖，其中，新疆鹽湖區(qū)有102個，青海鹽湖區(qū)有33個，內(nèi)蒙古鹽湖區(qū)有370多個，西藏鹽湖區(qū)有220多個。鹽湖地區(qū)的環(huán)境氣候條件惡劣，混凝土耐久性問題異常嚴重。本文在現(xiàn)場調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，針對鹽湖地區(qū)的(30％～50％)RH干燥條件，綜合運用高性能混凝土(HPC)的配制原理、纖維的限縮阻裂和膨脹劑的補償收縮等技術(shù)，研究了鹽湖地區(qū)HPC的制備技術(shù)，同時制備出強度等級C30的普通混凝土(OPC)、C25的引氣混凝

2、土(APC)、C70的不摻活性摻合料的高強混凝土(HSC)、C70的三摻(硅灰+粉煤灰+礦渣)的HPC及其鋼纖維增強HPC(SFRHPC)和高強高彈模聚乙烯纖維(PF)增強HPC(PFRHPC)，分別研究了不同混凝土在4種鹽湖地區(qū)的單一、雙重和多重因素作用下?lián)p傷失效過程的規(guī)律、特點和氯離子吸附/結(jié)合規(guī)律，OPC、APC和HSC的損傷失效機理以及HPC的耐久性形成機理。基于混凝土結(jié)構(gòu)不同的失效機理，提出了混凝土結(jié)構(gòu)損傷壽命的損傷演化方程預(yù)

3、測方法，修正并完善了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的氯離子擴散理論預(yù)測方法。通過大量的室內(nèi)外實驗，初步建立了兩種預(yù)測方法的理論體系及其基本參數(shù)數(shù)據(jù)，重點分析了影響鹽湖地區(qū)混凝土使用壽命的因素和規(guī)律，對比了不同混凝土在典型鹽湖鹵水中的使用壽命，最后將HPC應(yīng)用于青海鹽湖地區(qū)的重點工程中，并探討了我國大西北鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性參數(shù)設(shè)計問題。結(jié)果表明，高強度的非引氣HPC同時具有抗鹵水凍蝕、抗鹵水腐蝕和長壽命的特性。本文提出混凝土使用壽命的

4、兩套預(yù)測方法具有普適意義。各章的主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 第一章綜述了混凝土在鹽湖地區(qū)的耐久性和使用壽命預(yù)測方法的研究意義和最新研究進展，指出了當(dāng)前研究存在的問題，在此基礎(chǔ)上確定了本文的主要研究方向。 第二章簡要介紹了我國鹽湖地區(qū)的環(huán)境氣候條件，針對典型鹽湖鹵水中含有的對混凝土產(chǎn)生物理化學(xué)腐蝕的侵蝕性離子濃度，重新劃分了鹽湖鹵水的類型，現(xiàn)場考察了混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在青海鹽湖地區(qū)的腐蝕與破壞現(xiàn)狀。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，混凝土和鋼筋

5、混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞非常嚴重。 第三章重點研究了鹽湖地區(qū)HPC的物理力學(xué)性能，運用XRD、DTA-TG、SEM-EDAX、IR和MIP等測試方法詳細研究了HPC的水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，HPC的主要水化產(chǎn)物是C/S比為0.97的非常致密的CSH凝膠和AFt晶體，在水化后期由于火山灰反應(yīng)會形成一定數(shù)量的六方片狀A(yù)Fm，其孔結(jié)構(gòu)以凝膠孔為主。纖維增強HPC在水化365d以后的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，形成了一種異常致密

6、的CSH凝膠板塊結(jié)構(gòu)——“類陶瓷結(jié)構(gòu)”，對于提高混凝土在鹽湖地區(qū)的耐久性具有十分重要的作用。 第四章設(shè)計一種大尺寸混凝土棱柱體試件(100mm×100mm×400mm)的加載實驗裝置。研究了不同混凝土在鹽湖地區(qū)的腐蝕、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和彎曲荷載等單一、雙重和多重因素作用下?lián)p傷失效過程的規(guī)律和特點，探討了干燥條件對混凝土損傷失效過程的影響。結(jié)果表明，在鹽湖地區(qū)的嚴酷條件下，OPC和APC的耐久性不好，HSC具有優(yōu)良的抗鹵水凍蝕性

7、，但是其抗鹵水腐蝕性比較差，高強非引氣HPC具有優(yōu)異的抗鹵水凍蝕性和抗鹵水腐蝕性，纖維增強HPC的效果更佳。 第五章采用XRD、DTA-TG、IR和SEM-EDAX方法研究了混凝土的腐蝕產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的變化，探討了OPC、APC和HSC等在鹽湖地區(qū)單一、雙重和多重因素作用下的損傷失效機理，提出混凝土凍融破壞的第三種機制——鹽結(jié)晶壓機制。將混凝土的Mg<'2+>-Ca<'2+>-Cl<'->-SO<,4><'2->復(fù)合型腐蝕機理擴

8、展到Mg<'2+>-Cl<'->-SO<,4><'2->-CO<,3><'2->-HCO<,3><'->復(fù)合型腐蝕機理。結(jié)果表明，在單一凍融因素作用下，非引氣HPC的凍融裂紋源于AFm向AFt轉(zhuǎn)化時的膨脹壓。在(凍融+鹽湖鹵水腐蝕)雙因素作用下，OPC的抗鹵水凍蝕性很差，其凍融破壞起因于Na<,2>SO<,4>·10H<,2>O的結(jié)晶壓作用。鹽湖鹵水對混凝土的凍融損傷作用，既有降低冰點、緩解凍融抑制損傷的正效應(yīng)，又有促進鹽類結(jié)晶、產(chǎn)生鹽

9、結(jié)晶壓引起損傷的負效應(yīng)。APC在西藏鹽湖的抗鹵水凍蝕性很差，在內(nèi)蒙古鹽湖鹵水中會發(fā)生凍融破壞。在正常溫度的單一腐蝕因素和(干濕循環(huán)+腐蝕)等雙因素作用下，OPC、APC和HSC的腐蝕破壞以形成多種腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)腐蝕為主，NaCl-KCl物理結(jié)晶腐蝕為輔。并且發(fā)現(xiàn)2種新的腐蝕產(chǎn)物——水化硅鋁酸鈣鎂(C<,1-x>M<,x>)<,0.94>(S<,l-y>A<,y>)H(x=0.4，y=0.13)球形晶體族和硅灰石膏CaCO<,3>·CaS

10、iO<,3>·CaSO<,4>·15H<,2>O。第六章，運用XRD、DTA-TG、IR、SEM-EDAX和MIP分析了HSC-HPC的腐蝕產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，研究了高強非引氣HPC在鹽湖地區(qū)單一、雙重和多重因素作用下的耐久性形成機理，提出了HPC結(jié)構(gòu)的腐蝕優(yōu)化機理。結(jié)果表明，非引氣HSC-HPC因其細小孤立的濕脹或自收縮裂紋、過渡孔-凝膠孔為主的孔結(jié)構(gòu)、強化的界面過渡區(qū)和致密的CSH凝膠等結(jié)構(gòu)特征，造就其很高的抗鹵水凍蝕性。HPC

11、及纖維增強HPC在鹽湖地區(qū)的腐蝕條件下，將發(fā)生水化產(chǎn)物的輕微腐蝕效應(yīng)、基體CSH凝膠的腐蝕轉(zhuǎn)化效應(yīng)、FA等未水化活性摻合料顆粒的腐蝕誘導(dǎo)水化效應(yīng)和微裂紋愈合效應(yīng)等4個方面的有利作用。 第七章根據(jù)不同混凝土在4種典型鹽湖的單一、雙重和多重因素作用下的大量數(shù)據(jù)，研究了混凝土對氯離子的吸附/結(jié)合規(guī)律，提出了線性氯離子結(jié)合能力和非線性系數(shù)的新概念。結(jié)果表明，在較低的自由氯離子濃度范圍內(nèi)，混凝土對氯離子的結(jié)合規(guī)律以線性吸附為主；在較高的自

12、由氯離子濃度范圍內(nèi)，混凝土對氯離子的結(jié)合表現(xiàn)出Langmuir非線性吸附規(guī)律。通過實驗確定了不同混凝土的線性氯離子結(jié)合能力及其非線性系數(shù)數(shù)值，可供應(yīng)用。從化學(xué)結(jié)合與物理吸附方面探討了混凝土的氯離子吸附/結(jié)合機理，其化學(xué)結(jié)合機理主要體現(xiàn)在AFt-AFm和CH分別與NaCl、KCl、CaCl<,2>或MgCl<,2>反應(yīng)形成Friedels鹽和含有MlgCl<,2>的絡(luò)合物，其物理吸附機理包括CSH凝膠表面的吸附作用和水泥漿體孔隙內(nèi)表面的吸

13、附作用。 第八章針對以凍融或腐蝕為主要失效特征的混凝土結(jié)構(gòu)，研究了不同混凝土在單一凍融因素和(凍融+鹽湖鹵水腐蝕)雙因素作用下的損傷失效規(guī)律，總結(jié)并提出了具有普適意義的損傷速度和損傷加速度的混凝土損傷演化方程。結(jié)果表明，混凝土在與凍融或腐蝕有關(guān)的耐久性因素作用下，開始時其損傷以一定的初速度產(chǎn)生，之后以一定的加速度發(fā)展。損傷初速度與損傷加速度取決于結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、氣候和受力狀態(tài)，并與混凝土的原材料、配合比和養(yǎng)護條件密切相關(guān)。初步建

14、立了一套基于損傷演化方程的預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的基本方法與理論框架，并將這種預(yù)測方法應(yīng)用于青海鹽湖鉀肥工程、南京地鐵和潤揚大橋等重大工程的混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測。為今后解決非氯鹽環(huán)境條件下重大混凝土工程的壽命設(shè)計和耐久性評估問題，提供了很好的借鑒作用。 第九章在深入探討當(dāng)前混凝土氯離子擴散理論存在8個問題的基礎(chǔ)上，對Fick第二定律進行了有效的理論修正，推導(dǎo)出綜合考慮混凝土的氯離子結(jié)合能力、擴散系數(shù)的時間依賴性、結(jié)構(gòu)微缺陷和

15、荷載影響的氯離子擴散新方程，針對有限大體與無限大體、齊次邊界條件與非齊次邊界條件、線性氯離子結(jié)合與非線性氯離子結(jié)合問題的Ⅰ維、Ⅱ維與Ⅲ維氯離子擴散新方程的解析解，得到適應(yīng)不同條件的氯離子擴散理論新模型。提出了模型參數(shù)的測定方法，確定了關(guān)鍵參數(shù)的取值規(guī)律和建立初步數(shù)據(jù)庫，分析了不同理論條件和實驗因素對混凝土使用壽命的影響規(guī)律，對鹽湖地區(qū)HPC的使用壽命進行耐久性設(shè)計，探索了不同鹽湖地區(qū)HPC結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計參數(shù)問題。結(jié)果表明，采用高強非引