氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用的研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用的研究.精品文档.氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用的研究 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:易研咩钞协年月日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国

2、学术期刊光盘版电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致,允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密指导教师签名:/学位论文作者签名:;,研啤纱年月乃训/年/月拍氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究年月江苏大学硕士学位论文摘 要钢筋混凝土结构广泛应用于土木工程和交通工程等领域,

3、其耐久性失效已成为研究的重点问题之一。沿海地区的混凝土结构长期处于荷载和氯盐侵蚀的双重作用下,难免出现各种劣化现象。裂缝的产生加剧了氯离子的侵入过程,并最终影响整个结构的耐久性。论文在国家自然科学基金“氯盐侵蚀环境下横向裂缝开裂参数对钢筋锈蚀影响规律研究的资助下,通过试验及软件模拟等方法,研究了氯盐侵蚀环境下受弯开裂混凝土构件内的氯离子侵蚀过程,主要开展了以下工作:、试验研究。设计并制作了预制裂缝构件和受弯开裂构件各根,经过一定时间的干湿循环浸泡后,分别运用半电池电位法和快速氯离子含量检测法检测了钢筋腐蚀电位及裂缝处的氯离子含量。试验结果表明:氯盐干湿循环侵蚀作用下,混凝土浅层表面存在对流扩散

4、区,其深度在,之间;裂缝加速了氯离子在混凝土内的侵入过程,并为氯离子的二维扩散提供了条件。、提出了综合考虑时间衰减和裂缝宽度影响的等效氯离子扩散系数计算模型,并运用软件对裂缝处氯离子的侵入过程进行了有限元模拟。结果表明:当裂缝宽度小于.时,氯离子的扩散系数增长较缓慢;当裂缝宽度处于.加.之间时,等效氯离子扩散系数平稳增长;而当裂缝宽度大于.之后,其增长速度较快。裂缝间距越小,其对混凝土内氯离子侵入过程的影响越大。模拟结果反映了裂缝间距对氯离子侵入的影响,与试验结果吻合良好。、基于法,将影响混凝土构件耐久性寿命的参数作为随机变量软件对氯盐侵蚀环境下受来处理,并引入劣化因子这一参数,运用弯开裂混凝

5、土构件的耐久性寿命进行了随机模拟,得到了基于随机概率的具有不确定性的预测结果。结果表明:氯盐干湿侵蚀环境下的混凝土结构受弯开裂后,其耐久性寿命会逐步减小;为了确保结构的安全使用,需及时采取有效措施进行加固和维修,并建议相关规范对浪溅区和潮差区的混凝土结构裂缝宽度的最大值进行规定时,以裂缝宽度和保护层厚度的比值作为评价参数,并取/.。关键词:钢筋混凝土,氯盐侵蚀,受弯裂缝,干湿循环,等效扩散系数氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究 , . :川氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究 江苏大学硕士学位论文目 录第一章绪论 .研究背景?。.混凝土结构的耐久性。.氯离子侵蚀引起的耐久性问题.

6、混凝土开裂造成的耐久性问题.国内外的研究现状?。.氯离子在未开裂混凝土内输运的研究现状?.氯离子在开裂混凝土内输运的研究现状?。.混凝土结构耐久性寿命预测的研究现状?。.本文研究的主要内容第二章开裂混凝土内氯离子侵入的试验研究.引言?.试验概况.试验材料?。.构件制作?。.构件浸泡试验。.测试内容及方法?.试验结果及分析?.钢筋腐蚀电位试验结果及分析?。.氯离子含量试验结果及分析?.本章小结?.第三章氯离子在受弯开裂混凝土内侵蚀作用的研究 .引言?.受弯开裂混凝土内氯离子输运的研究.开裂混凝土内氯离子的输运机理?。.混凝土内氯离子扩散系数的已有计算模型?.受弯开裂混凝土内等效氯离子扩散系数的改

7、进计算模型?.裂缝参数对氯离子侵入影响的分析.氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究.裂缝宽度对氯离子侵入的影响。.裂缝间距对氯离子侵入的影响.本章小结“第四章氯盐侵蚀环境下开裂混凝土构件的耐久性寿命预测.弓言?.混凝土结构的耐久性极限状态.氯盐环境下混凝土构件的寿命预测.氯盐环境下受弯开裂混凝土构件的寿命预测模型.失效概率?。.参数确定.模型的预测结果.本章小结第五章结论与展望.本文研究的主要结论.研究展望参考文献致 谢硕士在读期间发表论文苏大学硕士学位论文第一章 绪论随着城市现代化水平的日益提高,混凝土结构在土木、水利与建筑工程,海洋及港湾建设工程,交通运输与铁路工程,甚至航空航天工程

8、中,都得到了大量的应用【。混凝土结构最早是在世纪中期开始得到应用的,起初由于其具有工程所需要的强度和耐久性,而且原料易得,造价较低,能耗较低的特点,因而用途极为广泛。但是随着时间的推移人们逐步认识到对混凝土结构耐久性进行研究的必要性。对混凝土耐久性的研究最早可以追溯到世纪年代,法国工程师维卡对海洋环境中的水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究。之后几十年间,由于混凝土结构不断应用于工业建筑,人们便开始研究混凝土在化学活性物质腐蚀条件下的安全使用以及在工业大气环境中混凝土结构的耐久性问题【。进入世纪后,随着科技的进步与发展,混凝土耐久性方面的研究变得更为系统化和国际化,诸多理论以及

9、规范的出现,为具有足够耐久性的混凝土结构奠定了坚实基础。但是,由于对混凝土结构耐久性的认识及研究相对滞后,因此很多早期的混凝土结构耐久性问题逐渐显现,造成了巨大损失。根据美国标准局年的调查,美国全年各种因建筑物腐蚀造成的损失为多亿美元【】;美国材料咨询委员会年的年度报告中指出,有座混凝土桥处于不同程度损伤,且以每年座的速度在增加】;年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资亿美元【】。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达亿英镑,而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达亿日元。在我国,混凝土结构耐久性的问题也十分严重,据年国家统计局和建设部对全国城乡个省、市、自治区的个城市和个镇进行普查的结

10、果,目前我国已有城镇房屋建筑面积.亿,占全部房屋建筑面积的%,已有工业厂房约亿,覆盖的国有固定资产超过亿元。这些建筑物中约有亿需要分期分批进行评估与加固,而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用阴。可见,如何正确评价、并不断提高混凝土结构的耐久性,保证其在设计使用年限内的安全性、适用性与耐久性是一个迫切需要解决的课题。因此,研究意义深远而重大。.不需要花费大量土结构产生耐久化引起的混凝土化,最终影响整个结构的安全。由此可见,混凝土结构的耐久性失效是自然环境、使用环境及结构材料内部因素共同作用的结果。由图.我国沿海混凝土构件出现的耐久性问题 咖.影响混凝土结构耐久性的因素有很多。在年召开的第二

11、届混凝土耐久性国际学术会议上,教授在主题报告 . 中指出:“当今世界上混凝土破坏的原因按照重要性递减顺序是:钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害和侵蚀环境中的物理化学作用。而最容易引起钢筋腐蚀的,莫过于氯盐侵蚀环境。对于氯盐侵蚀环境下的混凝土结构而言,氯离子不断向混凝土内部侵入,当钢筋表面的氯离子含量超过一定的阈值时,钢筋表面的钝化膜即被破坏,进而导致钢筋的进一步锈蚀,之后结构承载力下降、保护层剥落,甚至结构使用功能和力学性江苏大学硕士学位论文能的退化阐。我国东南沿海地区属于我国经济发达地区,改革开放以来经济持续快速发展:年,占国土面积.%的沿海地区在全国中比重达到了.%,大量的房屋和公共建筑、公路桥梁

12、以及港口码头都集中于此。这些建筑正处在海洋氯离子环境的严重侵蚀作用下,并且已逐渐呈现出了钢筋锈蚀、保护层剥落以及露筋等一系列耐久性问题,如图.所示。由此可见,氯离子侵蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性失效问题已不容忽视。.氯离子侵蚀引起的耐久性问题如前文所述,氯离子是引起钢筋锈蚀的首要因素,关予其侵害机理的研究也逐步成熟。一般认为包含以下几个方面【:、破坏钝化膜水泥水化物的高碱性使混凝土内的钢筋产生一层厚度约为,。的致密钝化膜【。该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的,当.时就开始不稳定,当.时很难生成或已经生成的钝化膜逐渐破坏。作为强去钝剂的一在进入混凝土到达钢筋表面后,就吸附于局部的钝化膜处,随着

13、氯离子的不断累积,该处的值迅速降低到以下,从而导致钢筋表面钝化膜的破坏。氯离子能破坏钝化膜主要是由于氯离子半径小,活性大,容易吸附在位错区、晶界区等。同时,由于氯离子具有很强的穿透钝化膜的能力,在钝化膜内层铁与氧化物界面形成易溶的,使钝化膜局部溶解,形成坑蚀现象。、形成腐蚀电池混凝土中常见的氯离子侵蚀是局部的坑蚀,当钢筋表面钝化膜的局部发生坑蚀破坏时,该区域与尚完好的钝化膜区域形成电位差;铁基体作为阳极而受腐蚀,大面积的钝化膜区域作为阴极。最终在钢筋表面产生蚀坑,由于大阴极对应于小阳极,蚀坑发展十分迅速,最终造成大面积的锈蚀。、去极化作用钝化膜破坏后,氯离子与阳极反应产物结合生成,将阳极产物及

14、时清除,使氧化过程得以顺利甚至加速进行。然而,是可溶的,其与水反应的中间产物?是不稳定的,将迅速分解生成觋沉淀和氯离子,嘞进一步被氧化成均,即铁锈。其中,生成的氯离子又将重新参与钢筋的腐蚀反应,也就是说,进入混凝土中的氯离子会周而复始起着破坏作用,这正是氯离子侵蚀氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究钢筋混凝土造成钢筋锈蚀的特点所在。氯离子侵蚀钢筋混凝土造成钢筋锈蚀的主要反应式如下:一。寸? .山。 .斗 .、导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通道。混凝土中氯离子的存在强化了离子通道,降低了阴阳极之间的欧姆电阻,提高了腐蚀电池的效率,从而加速了电化学腐蚀过程。氯化物还提高了混凝土的吸湿性

15、,这也能减少阴阳极之间的欧姆电阻。.混凝土开裂造成的耐久性问题混凝土结构由于其自身的缺陷,再加上服役期间荷载和环境等因素的作用,难免出现各种劣化和损伤。因此,裂缝的出现在所难免。然而,裂缝的种类有很多,其产生的原因也是错综复杂的,即使是现在,对裂缝产生的抑制与防止,还没有一个十分有效的方法。但有一点可以肯定,裂缝是混凝土结构劣化最一般的征兆【。而关于裂缝是否对混凝土结构的钢筋锈蚀产生影响,目前主要存在两种不同的观点。一种观点认为:裂缝的产生增加了锈蚀介质、水分和氧气的渗入,加快了锈蚀的发生、促进了锈蚀的发展,人们的直觉认识及一些实验室试验支持这种观点。另一种观点则认为:裂缝对钢筋锈蚀并不产生重

16、要影响,因为开裂仅会加速锈蚀的产生,锈蚀速度将取决于阴、阳极间的电阻及阴极处的供氧程度,而氧气的供给是通过未开裂处混凝土的保护层渗入的,锈蚀速度也取决于钢筋保护层的质量和渗透性,因此裂缝并不控制钢筋锈蚀的速度,它的作用仅是起始锈蚀进程并使该处的钢筋活化,一些试验及工程实例证实了这一观点。事实上,对不同环境中的混凝土结构来说,裂缝及其宽度对钢筋锈蚀都有影响,且环境不同、裂缝宽度不同相应的影响程度也不同】。首先,裂缝加快了锈蚀的发生,即锈蚀开始时间提前。而且在早期,裂缝宽度对钢筋锈蚀影响较大,然而锈蚀一旦开始,其影响程度大大降低。这时,锈蚀速度取决于未开裂处混凝土保护层的质量和渗透性而与裂缝宽度无

17、关。混凝土保护层的质量越好,渗透性越小,氧气及水分的供给量也越少,锈蚀速度越慢,随着碳化进程的深入,毛细孔将逐渐被堵塞,使混凝土渗江苏大学硕士学位论文透性逐步降低,锈蚀速度也随之下降。因此,考虑到环境因素的影响,荷载裂缝及其开展宽度对混凝土结构耐久性的影响可以归纳为以下几点【:、在一般环境下,裂缝宽度对于混凝土结构钢筋锈蚀没有显著影响,从长期使用看,裂缝宽度影响可以忽略。许多国家的规范值自年代起纷纷将良好环境下的最大裂宽允许值提高到.。、在海水、除冰盐等锈蚀环境下,以往认为较宽的裂缝比较窄的裂缝更为有害;但年代以来,研究表明氯盐环境下裂缝宽度对耐久性的影响没有之前预期的严重,缝宽的限制也开始放

18、宽。表.给出了氯盐环境下普通混凝土结构的最大裂缝宽度的、.、限制要求,可以看出.、.以及国内规范、 】等规范将海洋环境在内的、考虑耐久性要求的裂缝宽度允许值提高到.以上;而国内现有规范的裂缝宽度要求还是比较严格的,都在.以内。表.各国规范规定的最大裂缝宽度氯盐环境,单位:注:?括号内的数值针对室外情况。、除了宏观的宽裂缝,众多细小的裂缝对钢筋锈蚀以及结构耐久性的影响甚至更为严重。因为,细而多的裂缝将混凝土原有的微裂缝和孔隙连通,从而使锈蚀介质能更快地深入到混凝土体内,造成整体的而不是局部的破坏。已由试验研究证明,用带肋钢筋配筋时由于出现的裂缝条数多,因而在氯离子环境中比用光面钢筋配筋的更容易锈

19、蚀,虽然后者的裂缝更宽。对于沿海的海上混凝土结构,裂缝的出现不仪破坏了结构的整体性,更为氯离子侵入提供了理想的通道【。近年来,国内外许多学者对氯离子在开裂混凝土中的侵蚀行为进行了大量的研究:等人四、等人【、等人【、等人嘲将圆柱体混凝土或砂浆试件横向加载产生劈裂裂缝后进行氯离子渗透/扩散性能试验研究:发现裂缝对混凝土内氯离子扩散性能的影响随着裂缝宽度的变化而变化。等人研究了受弯构件受压区、受拉区以及裂缝位置处的氯离子扩散系数的差异,发现裂缝处的氯离子扩散系数最大。张君等人【矧采用弯曲试验预先在混凝土梁中产生宽度不等的弯曲裂缝,然后通年,意大利人首次提出,在假定混凝土材料是各向同性均质材料、氯离子

20、不与混凝土发生反应的条件下,氯离子在混凝土中的扩散行为可用扩散定律来描述。在氯离子含量相对较低的自然状态下,可以认为在扩散范围内,活度系数变化不明显,因而通常将扩散系数作为一个常数。但值得注意的是,实际上大多数的溶液都是非理想溶液包括氯离子溶液,而且混凝土材料也不是各向同性的均质材料,因此在实际使用中,该式存在一定的局限性。非稳态扩散过程在通常状况下,氯离子的扩散通量是一个随时间和空间变化的函数,对应体系的扩散过程称为非稳态扩散过程。可认为该过程中,单位面积上进入和出去的离子通量之差在数值上等于该体积内离子总量变化率,即:,罢虻西将式.代入.可以得到:静篆 舐 缸这就是目前在氯离子扩散问题上使

21、用最为广泛的第二定律,写成空间向量的形式为:房铲一维状况下,假定边界条件和初始条件为:式中,为时间;为距混凝土表面的距离;为氯离子扩散系数;为距混凝土表面处的氯离子浓度。其数学解为:缈蚺阶卜赤式中,吼力为时刻距混凝土表面处的氯离子浓度;为混凝土内初始氯离子浓度;为混凝土表面的氯离子浓度; 为误差函数,表达式如下:.血忑、对流过程对流是指离子随着载体溶液发生整体迁移的现象。单位时间内通过垂直于溶液渗流方向参考平面的离子对流通量.厂可以表示为式中,是混凝土孔隙液渗流速度。氯离子在混凝土中发生的对流主要是由于孔隙液在压力、毛细吸附力以及电场作用力下发生的定向渗流。在外界压力作用下混凝土中孔隙液发生的

22、渗流现象实质上是液体在压力差作用氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究下在多孔介质中发生的定向流动,其过程符合达西定律:一生罢式中,为孔隙液体积流速;为渗透系数,仅与多孔介质的孔隙结构相关的系数;叩为液体的粘滞性系数;为压力水头。毛细作用在计算上等效于压力渗流,同样可以用达西定律表述。但由于毛细渗流一般发生在非饱和的多孔介质系统中,因此,毛细作用计算中的渗透系数不仅是孔隙结构的函数,而且也是孔隙中液体饱和度的函数。、电迁移过程混凝土孔隙液中的离子在电场加速条件下定向迁移的过程称为电迁移。氯离子在混凝土中的电迁移是氯离子输运的重要组成部分,其应用主要集中在快速电迁移法测定氯离子扩散系数试验与

23、既有混凝土结构中有害介质的移除以及试验室加速混凝土构件锈蚀试验等。在电解质溶液中电荷迁移的最简单理论是把离子看成刚性的带电球体,把溶剂作为连续介质,离子在电场力的作用下在连续介质中迁移,在离子迁移过程中受到粘滞阻力的作用。目前,直流电场作用下,氯离子在电场力作用下在混凝土中输运问题的核心方程为:护警:式中,以为离子的流量;为离子电价;为电场力;为电场强度;为扩散系数;为离子浓度;为摩尔气体常量;为热力学温度。、结合效应渗入混凝土的一在扩散过程中与混凝土的胶凝材料产生结合作用,一部分与水泥的水化产物发生化学结合形成新的水化物,一部分与水化产物和混凝土内部孔隙表面发生物理吸附,这种结合效应对氯离子

24、在混凝土中的输运进程产生重要影响。产生这种效应的主要原因是物理吸附和化学物质的结合:物理吸附主要依靠范德华力,其结合力相对较弱,容易遭破坏而使被吸附的氯离子转化为自由氯离子;而化学结合是通过化学键结合在一起的,相对稳定,不易破坏掉。在总的氯离子结合量一定的情况下,化学结合量越多,说明其抗氯离子侵蚀性能越好。水泥石对氯离子的化学结合作用主要是水泥石中的与氯离子结合生成了凝土中扩散的影响:式中,。为自由氯离子在孔隙液中的扩散系数;为总氯离子含量,卜;,为自由氯离子含量,为结合氯离子含量;为可蒸发水占混凝土的体积百分比。等网人将表观氯离子扩散系数。定义为:见盎?式中,/茁,是结合氯离子与自由氯离子关

25、系曲线的斜率,表征胶凝材料对氯离子的结合能力,不同种类混凝土对应不同类型的结合能力。假设口/。,可得氯离子线性结合的表达式:各等人认为,线性结合过于简化结合机理,线性关系低估了混凝土在低氯离子含量时的结合能力,而高估了混凝土在高氯离子含量时的结合能力。但是由于其表达形式的简单,还是广泛应用于数值模拟计算。实际上,很多研究成果都表明该结合关系是非线性的凶,例如舯证等温吸附和等温吸附等就是非线性的结合关系。等温吸附结合的表达式如下:一坠辑一 生眶 一、而赫式中,是由混凝土类别决定的常数。等温吸附曲线在高氯离子含量区间趋于水平,意味着混凝土的结合能力有上限。等温吸附结合的表达式如下:.?劲七瓮铷肿,

26、卟三训。式中,是由混凝土类别决定的常数。等温吸附结合关系显示,在孔隙氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究液中氯离子含量较高的情况下,混凝土仍有继续结合氯离子的能力。、时间衰减效应关于混凝土内表观氯离子扩散系数随时间的衰减问题,一般认为:水化作用的持续进行,混凝土的孔隙结构将会更加密实,孔隙中水泥浆淀作用会阻碍氯离子的扩散;另一方面,孔隙中阴离子的排斥作用以及氯离子本身的结合能力也将导致扩散系数的降低,其关系式可以描述为【:扩%,?引式中,为对应暴露时间的表观扩散系数;为暴露时间;以为不同暴露环境下的表观氯离子扩散系数随时间的衰减系数,可通过式.乇:以./一.式中,/为混凝土的水灰比。理论

27、模型的研究方面,许多学者基于试验以及第二定律提出了不同的扩散修正计算公式:东南大学孙伟等【】基于第二扩散定律,推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程,建立了考虑多种耐久性因素作用下的混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型、混凝土冻融循环氯离子扩散理论模型和混凝土损伤氯离子扩散理论模型。并借助于大量的实验和工程数据,对理论基准模型进行了实验验证和工程验证。河海大学吴瑾等【分析了海洋环境下氯离子在混凝土中的传输机理及其随机扩散过程。将扩散系数作为随机数,混凝土表面氯离子浓度、保护层厚度作为随机变量,建立混凝土中钢筋表面氯离子浓度分布的随机模型,

28、推导出钢筋表面氯离子浓度的均值和方差。华侨大学施养杭等【】分析氯离子侵入混凝土的现有计算模型的类型及其局限性,综合考虑水泥品种、温度、湿度和时间等因素对氯离子扩散系数的影响,建立了基于有限差分法的氯离子侵入混凝土的计算模型。江苏大学刘荣桂等【蚓讨论了影响氯离子侵入预应力混凝土的各种因素。考虑混凝土与氯离子间的结合能力,建立了预应力混凝土氯离子侵入数学模型。以混凝土保护层厚度、氯离子扩散速度以及表面氯离子浓度为主要参数,运用可靠度理论,建立了海工预应力混凝土结构耐久性可靠度分析模型。分析结果认为混凝土保护层厚度对江苏大学硕士学位论文氯离子侵蚀下的结构耐久性影响最大,表面氯离子浓度及氯离子扩散速度

29、次之。等研究表明,混凝土中氯离子扩散系数随时间降低,并认为混凝土中未水化的水泥颗粒继续水化导致了孔隙结构的密实与扩散系数的降低。等【】通过扩散试验,研究了氯离子在混凝土中的扩散系数随龄期变化的关系,并给出了指数的建议值;等人将液体电介质中的.证离子云理论应用于研究氯离子在混凝土孔隙液中的扩散,认为氯离子扩散系数是孔隙液中氯离子浓度的函数,孔隙液中各种离子之间的相互作用、离子溶出反应、离子物理化学结合以及混凝土材料的电导性能都会造成扩散系数的变化,并通过试验给出了氯离子扩散系数关于浓度的修正经验公式;等用.法推导出氯离子的扩散系数,发现氯离子扩散系数随时问、距离和浓度变化;掣基于半无限介质中氯离

30、子浓度表达为变量指数衰减函数的假定,提出了确定氯离子浓度分布的数学模型;、等人考虑了环境温度对氯离子扩散系数的影响。但是,由于假定边界条件的引入以及过多的未知参数的限制,使得这些模型难以得到广泛应用【】。.氯离子在开裂混凝土内输运的研究现状对于未开裂的混凝土结构,大量的检测结果表明侵蚀性介质的扩散作用可以近似看成是一个线性扩散过程,其浓度随时间的变化规律可按第二定律计算。但在开裂状态下,裂缝处氯离子的侵入方式已不同于完好状态下的扩散模式。由于裂缝的存在,氯离子的侵入过程可分解为:沿裂缝间隙向结构内部渗透和以裂缝表面向内部侵入过程的结合。然而,由于混凝土的裂缝种类较多,因此,国内外的研究按裂缝种

31、类的不同,大体可分为以下三类:、对圆柱体劈裂裂缝的研究等人【】的研究认为,裂缝宽度小于时,氯离子的扩散系数基本不受影响;当裂缝宽度介于一之间时,扩散系数随宽度的增大快速增长;当大于时,扩散系数平稳增长;等人通过试验研究认为,当裂缝宽度小于时,自愈合作用会阻碍氯离子在混凝土内部扩散,氯离子的侵入受裂缝的影响可以忽略;等人的研究认为,当混凝土裂缝超过某一临界值时,氯离子扩散系数会随着裂缝宽度的增大而增长;氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究金伟良等人将劈裂裂缝处氯离子在混凝土内扩散的计算方法简化归纳为:当.时,不考虑裂缝的影响,直接采用第二定律进行计算;当.时,需同时考虑氯离子在裂缝内和沿垂

32、直于裂缝壁方向的扩散;当.时,将开裂面当作新的扩散表面,采用二维第二定律进行计算。、对受弯构件横向裂缝的研究等人嗍通过两两自锚,三点受弯加载试验使梁构件产生横向受弯裂缝,研究了受压区、受拉区以及裂缝位置处的氯离子扩散系数的差异,发现裂缝处的“等效氯离子扩散系数最大,并建议用比值/裂缝宽度/保护层厚度作为评价开裂混凝土结构耐久性的重要参数。等人【】对受弯开裂混凝土梁进行了氯盐侵蚀试验,结果表明:裂缝周围氯离子的侵入深度是其它地方的倍左右。、对顺筋纵向裂缝的研究和粥嗣,对纵向顺筋开裂的高性能混凝土进行了侵蚀试验,结果表明:高性能混凝土比普通混凝土有更好的阻止氯离子沿裂缝两侧侵入的能力。.混凝土结构

33、耐久性寿命预测的研究现状混凝土结构耐久性寿命预测是服役中的钢筋混凝土结构修复、加固或拆除的重要决策依据。由于考虑问题角度的不同,结构使用寿命具体又可分为物理寿命也称技术寿命、功能寿命和经济寿命【】。物理寿命是在正常使用、正常维护、尚未维修加固的条件下,结构材料因环境侵蚀而逐渐劣化后,结构不能满足承载能力或正常使用要求时的使用寿命;功能寿命是指结构的功能不满足现时的要求或因其他需要而人为中断其存在时的使用寿命;经济寿命是综合考虑结构的造价、维护费用、失效损失和使用时带来的收益等经济因素,经费用效益分析后得到的最优使用寿命,即指拆除重建比加固后继续使用更为经济时的使用寿命。因此,建立准确有效的结构

34、耐久性寿命预测模型是一项重要的研究课题,国内外学者对此进行了大量研究:河海大学吴瑾等【鸫】通过分析混凝土表面浓度、扩散系数、混凝土保护层厚度等参数的随机性,建立了混凝土保护层中氯离子浓度分布的随机模型,推导出了氯离子浓度的均值,用于计算钢筋开始锈蚀时间,并对某海港西大堤钢筋混凝土护栏的耐久性寿命进行了评估。浙江大学金伟良等【以在役混凝土桥梁结构耐久性三层次多指标评估模型为基江苏大学硕士学位论文础,研究了分层随机抽样理论在耐久性评估中的应用问题。探讨了评估费用、评估精度与样本量之间的关系,给出了总样本量及其在各层中最优分配的计算公式,以及等级评分值的置信区间。清华大学赵鹏飞等【】借助模糊数学手段

35、,利用多元隶属函数法对混凝土构件的剩余寿命进行了耐久性分级评定。东南大学孙伟掣】应用 随机模拟方法对不同水胶比处于海洋水下环境的普通混凝土与矿渣混凝土的使用寿命进行了数值计算,并按分布对计算得到的混凝土使用寿命进行拟合,得到了混凝土在不同失效概率下的使用寿命,量化分析了保护层厚度对混凝土使用寿命的影响。江苏大学刘荣桂等【研究了冻融与疲劳侵蚀环境下预应力结构疲劳寿命的主要因素及相对关系,并对根预应力混凝土梁进行了在不同冻融循环次数后的低周疲劳试验。采用损伤力学方法建立了疲劳寿命与冻融循环过程中相对动弹性模量衰减之间的关系,并建立了寿命预测模型。模型计算结果与实测结果表明,预测寿命和实测寿命相比较

36、为符合。【】应用传统第二定律,假定扩散系数为常数,建立了氯离子环境下钢筋混凝土结构使用寿命预测模型。等】研究了海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性设计的随机概率方法,并对影响结构耐久性的敏感性随机参数进行了分析,同时描述了模型参数,即耐久性指标的重要性。.本文研究的主要内容综上所述,现有的关于受弯开裂状态下氯离子在混凝土内输运的研究还较少。因此,本文主要研究了受弯开裂状态下,氯离子在钢筋混凝土构件中的输运行为,并对受弯开裂的混凝土结构耐久性寿命进行了预测,以期为氯盐侵蚀环境下混凝土结构耐久性设计提供一定的参考。论文主要研究内容:、氯离子在开裂混凝土内输运的试验研究?主要介绍了本文相关试验的设计、实施

37、及数据采集处理工作,并对试验结果进行了分析,为下文理论模型的研究奠定基础。、氯离子在开裂混凝土内输运的理论研究?建立了综合考虑时间衰减和裂缝宽度的氯盐侵蚀环境下受弯开裂混凝土结构裂缝处等效氯离子扩散系数的简化计算氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究模型。、氯盐侵蚀环境下开裂混凝土结构的耐久性寿命预测?在第三章的基础上建软件基于立了受弯开裂海工混凝土结构的耐久性寿命预测模型;采用原理对待估构件进行万次随机模拟,得到基于随机概率的具有不确定性的预测结果,使预测的耐久性寿命建立在失效概率和可靠度的基础上。这样的结果更加合理,且符合工程实际,有一定的参考价值。、结论与展望?对全文进行了总结,提出

38、了本文研究工作的主要结论,并对后续研究工作进行了展望。试验研究的钢筋锈蚀现象非常严重,严重影响其结构的耐久性。尤其是氯盐干湿交替区的混凝土结构,其内部由于存在氯离子浓度梯度、温度梯度和孔隙液饱和度梯度,氯离子在扩散和对流等多种复杂机制耦合作用下,以相对较快的速度向混凝土内部渗透。我国的混凝土结构耐久性设计与施工指南、日本的混凝土标准示方书以及欧洲的混凝土结构耐久性研究项目“均将干湿交替区域作为混凝土结构耐久性设计的控制部位。鉴于以上思考,对开裂的混凝土构件预制裂缝构件和受弯开裂构件进行氯盐溶液的干湿循环浸泡,浸泡达到规定龄期后,通过对钢筋腐蚀电位以及各截面氯离子含量的检测,分析研究了开裂混凝土

39、内氯离子的侵入情况。.试验概况混凝土结构的耐久性受到很多因素的影响,其劣化过程是由这些因素相互作用、相互影响所导致的一系列复杂的物理、化学过程。对于已建成的海工混凝土结构,通常是对结构物进行现场的耐久性检测得到充分可靠的劣化数据,从而对结构的剩余寿命进行有效的预测,但该方法不适用于新建成的海工混凝土结构。而传统的寿命预测方法,如经验公式或数值模拟方法,其参数往往是基于室内快速试验得到的,与实际的侵蚀环境相比,参数的可靠性较低【】。基于以上考虑,本试验主要运用多重环境时间相似理论】对试验方案进行了设计。本次试验主要是模拟服役期内受弯开裂的海工结构遭受氯离子干湿循环侵蚀的工况,根据多重环境时间相似

40、理论的原理和基本步骤,进行了以下工作:、提出试验中的主要研究参数混凝土结构的复杂性可以从内部因素和外界环境因素两方面进行考虑。内部因素包括:材料性能、构件设计和构件浇筑等;外界环境因素则包括:外界侵蚀环境以及构件所受荷载程度等。因此,基于本项目的研究目的和对国内外研究现状的分析,本试验选取以下内容作为研究参数,如:混凝土强度等级、外界氯离子浓度、构件保护氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究层厚度和裂缝开裂参数。而其他因素,例如:浇筑质量和外界侵蚀环境的影响,则通过构件制作和浸泡时严格按照试验和相关规范的要求严格进行控制,最大限度的降低其对试验结果的影响。、收集各因素的相关参数资料,确定研

41、究参数及侵蚀环境本文选取的第三方参照物为服役期内受弯开裂的海工结构,通过对已有的研究现状的分析,试验确定了相关参数的具体取值:混凝土强度等级取;构件的保护层分别取、和;裂缝开展情况为实际受弯加载开裂,即构件所产生的裂缝与实际环境中开裂状况一致,避免了以往研究中人为因素的过多影响;氯盐侵蚀环境模拟海工结构的潮差区和浪溅区,进行干湿比例为:】的氯盐干湿循环浸泡。、试验的开展首先,按试验方案的设计,制作相应数量及尺寸的构件。之后,将标准养护好的构件分别加载开裂至产生预期宽度的裂缝,并置于装有溶液的腐蚀池中,通过定期更替其中的侵蚀溶液,达到模拟的目的。当浸泡规定龄期后,分别检测构件开裂部位的钢筋腐蚀电

42、位和氯离子含量情况。、试验结果的分析对所测得的数据进行分析,通过曲线拟合得到不同位置处的氯离子扩散系数,研究分析氯离子在完好以及开裂混凝土内的侵入情况,进而为建立理论模型和相关规范提供一定的参考。综上所述,本试验采用自然侵蚀法,对氯盐干湿循环侵蚀环境下开裂混凝土构件内的氯离子侵入过程进行了研究,为后文的理论分析奠定基础。.试验材料根据试验方案的设计要求,本次试验中混凝土所选用材料情况如下:水泥采用镇江鹤林水泥有限公司生产的.普通硅酸盐水泥;石子为碎石,粒径. ;砂子为天然江砂,细度模数.;减水剂为特密斯型高效减水剂质量分数取混凝土胶凝材料的.%;水为日常饮用水。混凝土配合比见表.。表.混凝土配

43、合比.水河 村 砂/ 石子, 抗压虹:硭 虹:贮 蛭:窆 蛭: 虹:建 墼:贮 鲤:窭 墼:贮 塑鏖鲤璺 塑堕塑璺. .江苏大学硕士学位论文试验梁的下部纵向受力钢筋采用热轧级钢筋,直径为:箍筋和上架筋均采用级光圆钢筋,直径为。.构件制作本试验共设计了两组构件,分别为预制裂缝构件和加载产生裂缝构件。构件浇筑时采用木模板,在室内制作成型。成型时外观尺寸要求误差%,保护层误差%,钢筋位置准确。根据对已有规范的研究见表.,氯盐环境下的最大的裂缝宽度为.。因此,本文选取的裂缝宽度均小于.,并尽量平均分布到每个区间内。、预制裂缝构件本组试验梁上的裂缝为预制裂缝,构件的配筋情况如图.所示,图中各预制裂缝间距

44、为,为研究裂缝间距的影响还设置了间距为的构件以作对比。其表面的预制裂缝通过在梁浇筑过程中,采用金属网片塑料薄膜涂油的方式实现,预制裂缝参数情况见表.。构件内置两根纵向受力钢筋,不设箍筋。保护层厚度分别取为和。待试件养护完成后,在其两端外露的钢筋表面连接上导线,并将除开裂底面外的所有表面喷涂一层环氧树脂,以保证氯离子仅从开裂面向混凝土内部侵入。表层喷涂环氧树脂抒尊横截面图.预制裂缝构件配筋图图.预制裂缝构件浇筑成型图 氯离子在弯曲开裂混凝土构件内的侵蚀作用研究表.预制裂缝试件表面裂缝参数详表、加载产生裂缝构件本组试验梁为受弯加载产生裂缝的构件,前期制作与普通构件一致,区别在于其裂缝为后期通过三点

45、加载的方法产生。本组构件的配筋情况如图.所示,构件底部布置两根受力钢筋,并设架立筋以及箍筋。浇筑时两端各设一个预留孔道,以便后期的“三点加载。不锈钢螺杆一一浇筑面加量岫, 一横截面 ?井。一?爿?图.受弯开裂构件配筋图.图.受弯开裂构件浇筑现场 待该组试验梁浇注、养护完成后,将试验梁按图.的方式进行两两自锚、三点受弯加载。现场加载时,通过控制图示加载处的螺栓来控制荷载等级,并观察裂缝的出现情况,裂缝宽度通过型裂缝观测仪测得如图.,试件清单及加载开裂情况见表.。加载完成后的试验梁如图.四。一学硕士学位论文加载完成的构件图.受弯开裂构件试验现场.表.受弯开裂试件表面裂缝参数详表.构件浸泡试验图.置于浸泡池中的试验梁 如前文所述,为模拟服役期内的开裂海工混凝土结构,本文采用了自然侵蚀法进行研究。该方法是测定氯离子在混凝土中扩散系数试验中最具说服力的一种。自然侵蚀法最大的优点在于其与现实情况最为接近,通过其结果可以最直观的了解到氯离子在混凝土内的侵入情况。目前各种快速测定氯离子扩散系数方法的有效性都需要用自然侵蚀法进行验证。然而,从原理上看,自然侵蚀法本身也存在很多问题,例如:该将养护后的构件置于腐蚀池进行干湿循环浸泡的侵蚀试验,试件的浸泡情况如图.所示。.测试