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(cè).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(yàn)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(diǎn)，對(duì)混凝土承受的損傷劣化因素進(jìn)行了模擬。在耐久性試驗(yàn)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(kuò)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(duì)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(kuò)散研究，對(duì)青海鹽湖嚴(yán)酷環(huán)境使用的混凝土進(jìn)行了優(yōu)選和優(yōu)化。在耐久性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析和微觀測(cè)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(duì)混凝土氯離

3、子擴(kuò)散的影響規(guī)律和機(jī)理，建立了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與硫酸鹽濃度、氯鹽濃度，時(shí)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(shí)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(jì)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(qiáng)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(hù)齡期、保護(hù)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(cè)新方程；以Fick第二定律為基礎(chǔ)，綜合彎曲荷載，混凝土對(duì)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(cè)新模型。 (1)復(fù)合因素作用下混凝土耐久性試驗(yàn)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(jì)的加載體系對(duì)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(cè)試混凝土中自由氯離子和總氯離子濃度，連續(xù)測(cè)定混凝土相對(duì)動(dòng)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(kuò)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(kuò)散規(guī)律研究本文重點(diǎn)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(kuò)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(gè)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。混凝土在硫酸鹽-氯鹽復(fù)合溶液中，腐蝕溶液中因氯鹽存在和擴(kuò)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(kuò)散速度(即降低了混凝土的氯離子擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)均高于同濃度的硫酸鹽作用?；炷吭谇嗪｛}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(kuò)散趨勢(shì)與混凝土在硫酸鎂-氯鹽復(fù)合溶液作用下的演化趨勢(shì)一致。 混凝土對(duì)氯離子擴(kuò)散過程中的結(jié)合，使其氯離子擴(kuò)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(duì)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(huì)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(kuò)散規(guī)律研究本文采用新設(shè)計(jì)的加載裝置對(duì)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(kuò)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(kuò)散能力。硫酸鹽在腐蝕前期延緩了荷載對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能的劣化作用；腐蝕后期，硫酸鹽加速了荷載對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)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(shì)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(duì)混凝土耐久性影響試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。改變混凝土強(qiáng)度等級(jí)、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(jìn)行了優(yōu)選和優(yōu)化。結(jié)果表明：對(duì)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(duì)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(jī)理本文在耐久性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)理論推導(dǎo)和機(jī)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(kuò)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(kuò)散可視為在等效圓孔和基體構(gòu)成的多孔介質(zhì)中進(jìn)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(kuò)

12、散系數(shù)。腐蝕后期，氯離子擴(kuò)散可視為在基體一二維裂紋中擴(kuò)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(kuò)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(shí)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(kuò)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(cè)模型建立本文在耐久試驗(yàn)和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期、荷載率、溫度、粉煤灰摻量、保護(hù)層厚度等影響因素，充分考慮混凝土中CO<,2>擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性，建立了多因素粉煤灰混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)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(cè)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(qiáng)度等級(jí)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(cè)試驗(yàn)和計(jì)算方法體系。壽命預(yù)測(cè)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(duì)鹽湖地區(qū)結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，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。