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海洋钢筋混凝土结构氯离子腐蚀耐久性研究

宋立元  
【摘要】: 本文对混凝土电阻率、电通量、钢筋锈裂损伤以及氯离子侵蚀进行了试验研究,结合氯离子扩散理论、工程模糊集理论和生存分析理论,建立了海洋钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀模型和耐久性寿命预测、统计评估分析。主要研究工作包括: (1)利用RESI四电极混凝土电阻率测试仪,对两种湿度环境下的不同类型混凝土电阻率进行了测试研究。通过改变配制混凝土的材料因素,对养护28天的4种单方混凝土水泥用量、3种水胶比、4种粉煤灰掺量、3种磨细矿渣掺量以及4种硅灰掺量的混凝土试件进行了详细分组测量。结果表明,各种材料因素对混凝土电阻率均有不同程度的影响。其中,以水胶比和掺入矿物掺合料对混凝土电阻率影响比较明显。水胶比越小、掺合料的掺量越大,则混凝土电阻率也越大;在3种矿物掺合料中,以硅灰对混凝土电阻率的影响最为显著。少量的硅灰能够明显提高混凝土的电阻率,而粉煤灰和磨细矿渣却需要较高比例的掺量才能提高混凝土电阻率。通过该试验所测的混凝土电阻率大小变化情况为研究混凝土中氯离子扩散速度提供了试验参考依据。 (2)通过电化学加速钢筋锈蚀试验,对7组共42个(包括3种水胶比、3种保护层厚度、3种钢筋直径以及掺入40%粉煤灰、1%瓦克有机硅粉等材料因素)钢筋混凝土试件的钢筋锈裂损伤形态进行了研究,分析了钢筋锈蚀后混凝土保护层的裂缝开展规律。结果表明,材料因素对钢筋混凝土裂缝初裂时间、发展速度以及裂缝开展形态都有一定影响。水胶比越小,裂缝出现得越早;保护层厚度越大,裂缝开展越慢;钢筋直径越小,裂缝出现得越早。然后按照不同的表面裂缝宽度(即0.2mm、0.4mm、0.7mm、1.0mm和1.5mm)分别从各组中破型一个试件,利用钢筋除锈方法确定钢筋锈蚀率,最后得出裂缝宽度与钢筋锈蚀率之间的拟合曲线模型。 (3)对不同水胶比以及掺入粉煤灰、硅灰的混凝土进行了电通量和氯离子扩散特性试验,分析了水胶比、粉煤灰和硅灰等矿物掺合料对海洋钢筋混凝土结构抵抗氯离子侵蚀的耐久性能的影响。试验表明,掺加适当的粉煤灰和硅灰后可以明显降低混凝土试件的电通量,能改善混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久性能。同时,建立了水胶比与电通量、氯离子扩散系数之间的拟合模型,并对不同材料特性的混凝土耐久性寿命进行了预测。 (4)采用改进的Fick第二扩散定律来描述混凝土内氯离子的扩散过程,对混凝土内钢筋开始锈蚀的时间T_i进行了预测。再根据氯离子侵蚀双向渗透性导致钢筋沿着其长度方向和垂直于长度方向的锈蚀速度不同步的特点,建立了氯离子引起钢筋锈蚀变化的点腐蚀模型—椭球模型。算例表明,该模型充分考虑了氯离子扩散系数衰减值m的影响作用,比其他腐蚀模型更适合氯离子侵蚀下的钢筋混凝土结构。它的建立对海工混凝土结构从钢筋开始发生锈蚀到功能明显退化所需时间T_c+T_d的确定具有指导意义。 (5)利用生存分析中的生存函数乘积限估计方法分析海洋钢筋混凝土结构的耐久寿命,结合混凝土结构耐久性失效的特点,将模糊综合评判法融入其中,研究耐久性评判等级和隶属度对海工混凝土结构耐久寿命估计的贡献,建立了删失示性函数模糊特征值的计算公式,得到使混凝土结构耐久性寿命统计更加合理的分析结果。


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