鹽湖地區(qū)高性能混凝土的耐久性、機理與使用壽命預測方法.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。本文在現場調查研究的基礎上，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，研究了鹽湖地區(qū)HPC的制備技術，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損傷失效過程的規(guī)律、特點和氯離子吸附/結合規(guī)律，OPC、APC和HSC的損傷失效機理以及HPC的耐久性形成機理?；诨炷两Y構不同的失效機理，提出了混凝土結構損傷壽命的損傷演化方程預

3、測方法，修正并完善了鋼筋混凝土結構使用壽命的氯離子擴散理論預測方法。通過大量的室內外實驗，初步建立了兩種預測方法的理論體系及其基本參數數據，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)鋼筋混凝土結構的耐久性參數設計問題。結果表明，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、兩套預測方法具有普適意義。各章的主要研究內容與結果如下： 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測方法的研究意義和最新研究進展，指出了當前研究存在的問題，在此基礎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生物理化學腐蝕的侵蝕性離子濃度，重新劃分了鹽湖鹵水的類型，現場考察了混凝土與鋼筋混凝土結構在青海鹽湖地區(qū)的腐蝕與破壞現狀。調查發(fā)現，混凝土和鋼筋

5、混凝土結構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的水化產物、微觀結構和孔結構。結果表明，HPC的主要水化產物是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會形成一定數量的六方片狀AFm，其孔結構以凝膠孔為主。纖維增強HPC在水化365d以后的微觀結構發(fā)生了根本性轉變，形成了一種異常致密

6、的CSH凝膠板塊結構——“類陶瓷結構”，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損傷失效過程的規(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物和微觀結構的變化，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——鹽結晶壓機制。將混凝土的Mg<'2+>-Ca<'2+>-Cl<'->-SO<,4><'2->復合型腐蝕機理擴

8、展到Mg<'2+>-Cl<'->-SO<,4><'2->-CO<,3><'2->-HCO<,3><'->復合型腐蝕機理。結果表明，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，又有促進鹽類結晶、產生鹽

9、結晶壓引起損傷的負效應。APC在西藏鹽湖的抗鹵水凍蝕性很差，在內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物的化學腐蝕為主，NaCl-KCl物理結晶腐蝕為輔。并且發(fā)現2種新的腐蝕產物——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的腐蝕產物、微觀結構和孔結構，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結構的腐蝕優(yōu)化機理。結果表明，非引氣HSC-HPC因其細小孤立的濕脹或自收縮裂紋、過渡孔-凝膠孔為主的孔結構、強化的界面過渡區(qū)和致密的CSH凝膠等結構特征，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)生水化產物的輕微腐蝕效應、基體CSH凝膠的腐蝕轉化效應、FA等未水化活性摻合料顆粒的腐蝕誘導水化效應和微裂紋愈合效應等4個方面的有利作用。 第七章根據不同混凝土在4種典型鹽湖的單一、雙重和多重因素作用下的大量數據，研究了混凝土對氯離子的吸附/結合規(guī)律，提出了線性氯離子結合能力和非線性系數的新概念。結果表明，在較低的自由氯離子濃度范圍內，混凝土對氯離子的結合規(guī)律以線性吸附為主；在較高的自

12、由氯離子濃度范圍內，混凝土對氯離子的結合表現出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合能力及其非線性系數數值，可供應用。從化學結合與物理吸附方面探討了混凝土的氯離子吸附/結合機理，其化學結合機理主要體現在AFt-AFm和CH分別與NaCl、KCl、CaCl<,2>或MgCl<,2>反應形成Friedels鹽和含有MlgCl<,2>的絡合物，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構，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。結果表明，混凝土在與凍融或腐蝕有關的耐久性因素作用下，開始時其損傷以一定的初速度產生，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構所處的環(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。初步建

14、立了一套基于損傷演化方程的預測混凝土結構使用壽命的基本方法與理論框架，并將這種預測方法應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構使用壽命的預測。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前混凝土氯離子擴散理論存在8個問題的基礎上，對Fick第二定律進行了有效的理論修正，推導出綜合考慮混凝土的氯離子結合能力、擴散系數的時間依賴性、結構微缺陷和

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、線性氯離子結合與非線性氯離子結合問題的Ⅰ維、Ⅱ維與Ⅲ維氯離子擴散新方程的解析解，得到適應不同條件的氯離子擴散理論新模型。提出了模型參數的測定方法，確定了關鍵參數的取值規(guī)律和建立初步數據庫，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計，探索了不同鹽湖地區(qū)HPC結構的耐久性設計參數問題。結果表明，采用高強非引