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《北京工业大学》 2017年
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复杂环境条件下混凝土耐久性变化规律及寿命预测

冉晋  
【摘要】:在交通基础设施领域,混凝土材料广泛应用于路面、桥梁、涵洞、隧道,以及城市立交桥等。它们直接暴露于外部环境中,除经受荷载作用外,还同时经受复杂环境条件的侵蚀,从而导致其使用功能和承载能力逐渐下降。目前,评价混凝土耐久性的标准试验方法多为模拟单一环境因素,不能真实反映混凝土在复杂环境条件下经受多种因素共同作用的耐久性特征。虽然近年来考虑多种环境因素共同作用的混凝土耐久性研究日益增多,但对环境因素的考虑仍不全面,在复杂环境条件下混凝土的耐久性变化规律、损伤机理及寿命预测等方面仍未形成系统的研究成果。本文选取碳化、干湿循环、冻融循环和氯盐侵蚀四种典型环境因素组成复杂环境条件,在室内开展了复杂环境条件下混凝土耐久性试验研究,通过测试混凝土的相对抗压强度、相对动弹性模量、质量变化率和碳化深度等宏观性能指标,以及由压汞试验获得的微观孔隙构造参数,研究了混凝土在复杂环境条件下的耐久性变化规律,建立了复杂环境条件下混凝土抗压强度衰减模型、混凝土损伤演变模型和混凝土碳化深度预测模型,并初步探讨了复杂环境条件下混凝土结构使用寿命预测问题。本文进行的研究工作和取得的研究结论主要如下:在室内设计并开展了复杂环境条件下混凝土耐久性试验,包括碳化与冻融交替作用试验,碳化、干湿与冻融交替作用试验,同时进行了单一碳化、单一干湿和单一冻融等对比试验,试验又分清水和盐水两种环境。宏观试验结果表明,清水环境中两种交替作用试验下混凝土相对抗压强度都大于单一冻融作用下的相对抗压强度,而且碳化、干湿与冻融交替作用下混凝土相对抗压强度大于碳化与冻融交替作用下的相对抗压强度;但是盐水环境中两种交替作用试验下混凝土相对抗压强度都小于单一冻融作用下的相对抗压强度,而且碳化、干湿与冻融交替作用下混凝土相对抗压强度小于碳化与冻融交替作用下的相对抗压强度。与相对抗压强度变化规律不同,清水和盐水环境中两种交替作用试验下混凝土相对动弹性模量都小于单一冻融作用下的相对动弹性模量,质量损失都大于单一冻融作用下的质量损失,而且碳化、干湿与冻融交替作用下混凝土动弹性模量损失和质量损失都大于碳化与冻融交替作用下的相应损失量。因此,复杂环境条件下混凝土耐久性总体劣于单一冻融作用下的耐久性,环境因素越复杂,混凝土耐久性劣化越严重。清水和盐水环境中两种交替作用试验下混凝土内部毛细孔和大孔数量都随交替循环作用次数的增加而增大,总孔隙量和总孔隙率增加,与之相应的宏观性能即抗压强度降低;但混凝土凝胶孔和过渡孔数量变化各异,总孔面积和平均孔径呈不规律变化。微观试验结果表明,多种环境因素交替作用加剧了混凝土微观孔隙结构破坏,而孔隙形态变化又具有随机性。本文提出混凝土“孔隙曲折度”指标,孔隙曲折度随交替循环作用次数的增加而减小,表明混凝土孔隙变得短而粗。孔隙曲折度变化规律与其相应抗压强度衰减规律一致,说明混凝土“孔隙曲折度”指标可以较好地从微观角度反映混凝土耐久性变化。基于单一碳化、单一干湿和单一冻融作用下混凝土相对抗压强度试验结果,建立了碳化与冻融交替作用,碳化、干湿与冻融交替作用,即复杂环境条件下混凝土抗压强度衰减模型。结合损伤力学理论,利用相对动弹性模量试验数据计算混凝土损伤度,提出了混凝土损伤环境影响系数l。基于单一碳化、单一干湿和单一冻融作用下混凝土损伤度计算结果,建立了碳化与冻融交替作用,碳化、干湿与冻融交替作用,即复杂环境条件下混凝土损伤演变模型。测试了清水和盐水环境两种交替作用试验,即复杂环境条件下混凝土碳化深度变化规律,并与单一碳化试验下的碳化深度值进行了对比分析。结果表明,清水和盐水环境中两种交替作用试验下混凝土碳化深度都大于单一碳化试验下的碳化深度,而且经历相同碳化时间后,碳化、干湿与冻融交替作用下的碳化深度大于碳化与冻融交替作用下的碳化深度,说明环境因素越复杂,混凝土碳化深度越大。基于上述碳化数据,引入混凝土碳化深度环境影响系数α,建立了复杂环境条件下考虑多种环境因素影响的混凝土碳化深度预测模型。结合复杂环境条件下混凝土损伤演变模型,引入混凝土损伤环境影响系数l,初步建立了复杂环境条件下混凝土结构使用寿命预测模型。根据我国《混凝土结构耐久性设计规范》中混凝土抗冻耐久性指数的最小限值规定,给出了混凝土极限冻融循环次数建议值。对本文所用混凝土材料应用于混凝土结构的使用寿命进行了预测分析,结果表明环境因素越复杂,混凝土结构使用寿命越低,在进行混凝土耐久性设计时应考虑多种环境因素的共同作用。本文进行的复杂环境条件下混凝土耐久性试验研究,进一步阐明了混凝土耐久性机理和规律,对今后改进我国混凝土耐久性试验方法、完善混凝土耐久性评价标准具有重要的指导意义。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU528

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