基于現(xiàn)場暴露試驗與室內耐久性試驗之間相關性的混凝土結構耐久性研究.pdf

1、目前，國內外的混凝土結構耐久性設計，主要依賴于室內耐久性試驗數(shù)據(jù)，或者基于實際工程環(huán)境的暴露試驗數(shù)據(jù)，但是很少建立室內外耐久性之間的關系，因而，幾乎對于所有的重點工程，進行耐久性設計時都需要有針對性的室內耐久性試驗，在條件許可時偶爾進行一些有限的現(xiàn)場暴露試驗。這樣導致大量的重復試驗，無謂的資源浪費，而且還不一定得出較為可靠的耐久性設計要求與設計建議等方面的重要結論。如果能夠建立室內耐久性與現(xiàn)場實際工程耐久性之間聯(lián)系的理論體系，今后就可以

2、針對具體的工程環(huán)境資料，僅僅進行室內耐久性試驗，根據(jù)已經(jīng)建立的耐久性室內外關系進行混凝土結構的耐久性設計工作。為了能夠很快地得到混凝土結構的室內外耐久性之間相關關系的規(guī)律，本文選用了混凝土結構失效較快的鹽湖環(huán)境作為工程研究背景，系統(tǒng)研究了抗壓強度等級為C30、C45FA30（C45摻加30％粉煤灰）、C45SG50（C45摻加50%礦渣）、C50、C60、C65SF10SG45（C65雙摻10%硅灰+45%礦渣）、C70SF10FA27

3、（C70雙摻10%硅灰+27%粉煤灰）和C80SF10（C80摻加10%硅灰）的混凝土，在室內加速環(huán)境和鹽湖現(xiàn)場暴露環(huán)境下的相同原料、相同配比、相同試件、相同時間、相同測試方法和相同評價標準的“六同時”耐久性試驗。建立了混凝土構件的室內試驗與室外試驗的耐久性換算關系。提出了以室內長期浸泡環(huán)境為基準、利用室內外相關性系數(shù)為橋梁的混凝土結構耐久性設計的方法體系，利用三階段壽命預測模型和相應的耐久性參數(shù)，對鹽湖集團跨鐵路專線大橋的主要結構構件

4、進行了壽命設計。本文主要研究內容和結果如下：
　　1）提出了以室內長期浸泡環(huán)境為基準、利用室內外相關性系數(shù)為橋梁的混凝土結構耐久性設計的新方法，建立了基于室內外相關性(correlation lab and field test，CLFT)的嚴酷環(huán)境下混凝土結構耐久性設計的方法體系，提出混凝土結構的室內標準試驗與室外暴露試驗耐久性數(shù)據(jù)之間的轉換方法。
　　2）研究了鹽湖地區(qū)混凝土相對模量及表面剝落的變化規(guī)律。結果表明：與長期

5、浸泡環(huán)境相比，施加荷載和干濕循環(huán)都加速了混凝土的劣化速度及表面剝落速度，干濕循環(huán)的效果更顯著一些?；炷亮踊俣燃氨砻鎰兟渑c混凝土強度等級有關，相同的腐蝕環(huán)境下，強度等級越高混凝土劣化速度越慢、腐蝕剝落開始的時間越晚。建立了預測鹽湖現(xiàn)場、鹽湖現(xiàn)場-干濕循環(huán)、鹽湖現(xiàn)場-加載、鹽湖現(xiàn)場-干濕循環(huán)-加載的混凝土相對動彈模量的時變方程。
　　3）研究了鹽湖地區(qū)混凝土氯離子擴散系數(shù)的室內外相關性規(guī)律。混凝土的氯離子結合能力與試驗環(huán)境無關。室

6、內加速環(huán)境下混凝土的表面自由氯離子含量與試驗條件無關，混凝土在室內環(huán)境的表面自由氯離子含量大于其在現(xiàn)場暴露。表觀自由氯離子擴散系數(shù)（D0）隨著暴露時間的延長而降低。在混凝土配合比設計中，降低混凝土D0值的技術措施包括：提高混凝土強度等級和摻加礦物摻合料，其中，后者的降低效果更加明顯，而且，大摻量礦物摻合料、雙摻硅灰和粉煤灰或礦渣的降低效果非常顯著。因此，鹽湖地區(qū)高性能混凝土的設計原則是：應該優(yōu)先采用大摻量礦物摻合料的單摻(C45FA30

7、和C45SG50)或雙摻(C65SF10FA27和C70SF10SG45）技術，而不是僅僅提高混凝土強度等級。
　　4）研究了鋼筋混凝土受彎構件的承載能力變化規(guī)律，建立了基于室內外相關性(CLFT)的結構承載力和撓度計算模型。建立了鹽湖實體混凝土結構抗壓強度的時變方程。建立了現(xiàn)場環(huán)境下鋼筋混凝土結構內部鋼筋銹蝕率和抗拉強度的時變方程。建立了基于室內外相關性的混凝土構件極限承載力和撓度的計算模型，并對實體工程進行了驗證，數(shù)據(jù)顯示計算

8、結果與實測結果很接近，模型可以應用。
　　5）結合可靠度理論和“誘導期+劣化期+失效期”三階段壽命預測模型，利用本文建立的基于室內外相關性(CLFT)的設計方法，對混凝土結構承載力的計算模型進行修正。計算結果表明，在鹽湖環(huán)境中，鋼筋混凝土梁和柱的劣化期和誘導期均取決于腐蝕作用引起的混凝土劣化，其失效期取決于腐蝕引起的混凝土劣化作用以及鋼筋銹蝕作用。當混凝土強度等級為C30~C60時，鋼筋混凝土梁和柱的耐久性設計需要考慮誘導期和劣化

9、期；采用混凝土強度等級為C65~C80時，鋼筋混凝土梁和柱的耐久性設計僅需考慮誘導期。
　　6）提供了在鹽湖現(xiàn)場環(huán)境下采用不同配合比的混凝土構件壽命預測的算例。結果表明：當保護層厚度為30mm時，鹽湖大氣區(qū)的鋼筋混凝土梁和柱要達到100a設計壽命，可采用強度等級在C65以上的高性能混凝土；當其設計壽命為50a時，可采用強度等級在C45~C60的高性能混凝土。在鹽湖地區(qū)鹵水與鹽漬土環(huán)境下的鋼筋混凝土梁和柱，要達到100a設計壽命，必

10、須同時采用C50以上的高性能混凝土和表面附加防護措施（浸漬硅烷、噴涂氟碳涂料）；當其設計壽命為50a時，僅僅采用C80SF10高性能混凝土即能滿足設計要求。
　　7）結合可靠度理論，研究基于室內外相關性的結構耐久性設計方法在嚴酷環(huán)境下實際橋梁工程結構的耐久性設計中的應用問題，并提供了算例。以鹽湖集團跨鐵路專線大橋為工程背景，對預制箱梁、蓋梁、墩柱和條形擴大基礎等主要結構部位進行了耐久性設計與壽命分析。結果表明：強度等級C50、主筋

11、保護層厚度50mm的預制箱梁，要達到100a的設計壽命，必須對其腹板、翼板進行表面浸漬深度為2mm硅烷涂料的防護。強度等級C50、主筋保護層厚度60mm的蓋梁，其服役壽命滿足100a設計要求。對于強度等級C40、主筋保護層厚度60mm的墩柱，需要采用外包30mm鋼板樁圍堰+噴涂2次氟碳涂料的防護措施，才能達到100a的設計壽命。強度等級C50、主筋保護層厚度60mm的混凝土擴大基礎，采取外包63mm鋼板樁圍堰防護+噴涂1次氟碳涂料的防護

12、措施，其服役壽命能達到設計100a的要求。
　　8）基于對鹽湖地區(qū)預應力鋼筋混凝土簡支梁橋的耐久性優(yōu)化設計，提出如下設計建議：預制箱梁腹板、翼板采用大摻量的礦物摻合料高性能混凝土且其保護層厚度為30mm，其服役壽命能達到設計100a的要求。預制箱梁和蓋梁采用C50以上的高性能混凝土，其服役壽命能達到100a的設計要求?；炷炼罩捎脧姸鹊燃墳镃65～C70的高性能混凝土時，采取表面浸漬深度為2mm硅烷+外包30mm厚鋼板樁圍堰+噴