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西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测

金祖权  
【摘要】: 我国西部地区(特别是盐湖地区)广泛存在高浓度的氯、硫酸根、镁等多种有害离子,以及干冷、干热的严酷气候条件,导致当地混凝土损伤劣化速度明显高于我国其它地区。本文在详细调研的基础上,建立了复合因素作用下混凝土耐久性试验系列新方法和加载系统,依据我国西部地区环境特点,对混凝土承受的损伤劣化因素进行了模拟。在耐久性试验研究的基础上,研究了不同系列混凝土在硫酸盐-氯盐-镁盐-弯曲荷载的单一,双重和多重破坏因素作用下的损伤失效过程和演变规律,建立了反映力学、环境因素与混凝土类型的损伤劣化演化方程。研究了混凝土在氯盐-硫酸盐-镁盐-弯曲荷载单一,双重和多重破坏因素下的氯离子扩散规律,并剖析了不同类型混凝土在不同腐蚀环境下对氯离子结合能力及规律。为提高结构混凝土服役寿命,又基于青海盐湖卤水中混凝土损伤失效和抗氯离子扩散研究,对青海盐湖严酷环境使用的混凝土进行了优选和优化。在耐久性试验研究的基础上,结合理论分析和微观测试手段,深入剖析了混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中,硫酸盐对混凝土氯离子扩散的影响规律和机理,建立了混凝土氯离子扩散系数与硫酸盐浓度、氯盐浓度,时间相关的理论模型;采用XRD-TG-DSC定量分析了不同腐蚀溶液、腐蚀时间下的腐蚀产物;系统分析了混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中的微观、细观和宏观结构演变过程。计算了混凝土硫酸盐-氯盐腐蚀下的微膨胀应力和混凝土临界抗拉强度,建立了混凝土在硫酸盐-氯盐腐蚀下的裂纹形成准则。并以Fick第一定律为基础,综合考虑弯曲荷载、粉煤灰掺量、养护龄期、保护层厚度、温度等综合因素的影响建立了我国西部地区大气环境中基于碳化为主的结构混凝土寿命预测新方程;以Fick第二定律为基础,综合弯曲荷载,混凝土对氯离子的结合能力,特别是荷载-硫酸盐-氯盐的交互作用,建立了多重破坏因素作用下结构混凝土的寿命预测新模型。  (1)复合因素作用下混凝土耐久性试验系列新方法的建立  本文采用浸泡与浸烘循环两种腐蚀制度。以不同浓度的单一硫酸钠、硫酸镁或氯化钠溶液;不同浓度的硫酸盐溶液与固定浓度的氯盐溶液复合;不同浓度的氯盐溶液与固定浓度的硫酸盐溶液复合;青海盐湖卤水溶液为腐蚀溶液。使用新设计的加载体系对混凝土施加不同荷载率的弯曲荷载。采用水溶法和酸溶法测试混凝土中自由氯离子和总氯离子浓度,连续测定混凝土相对动弹性模量和重量损失以及膨胀率变化。以此研究混凝土在单一、双重和多重破坏因素作用下的氯离子扩散规律和结构混凝土损伤失效全过程。  (2)复合环境因素下结构混凝土损伤失效与氯离子扩散规律研究本文重点研究了硫酸盐-氯盐-镁盐单一、双重和多重环境因素下结构混凝土的损伤失效全过程和氯离子扩散规律。结果表明:混凝土在单一硫酸钠、硫酸镁溶液中,其损伤失效过程均包括三个阶段:性能发展段、稳定段和性能劣化段。其主要破坏形式是因膨胀而引起混凝土开裂剥落而导致破坏。混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中,腐蚀溶液中因氯盐存在和扩散不引起混凝土自身损伤,相反延缓了混凝土的硫酸盐损伤程度;腐蚀初期复合溶液中因硫酸盐存在降低了Cl-在混凝土中的扩散速度(即降低了混凝土的氯离子扩散系数);而腐蚀后期情况则相反。混凝土在硫酸镁-氯盐复合溶液中,腐蚀初期因硫酸根离子和镁离子复合作用,提高了混凝土的抗氯离子扩散能力,且提高程度大于同浓度硫酸盐的作用;后期混凝土损伤劣化程度和其氯离子扩散系数均高于同浓度的硫酸盐作用。混凝土在青海盐湖卤水中腐蚀,其破坏形态是以镁盐为主的剥落型破坏和以硫酸根离子导致膨胀为辅的损伤失效形式。其损伤失效过程和氯离子扩散趋势与混凝土在硫酸镁-氯盐复合溶液作用下的演化趋势一致。 混凝土对氯离子扩散过程中的结合,使其氯离子扩散系数降低到原来的1 /(1+ K),混凝土服役寿命相应提高。复合溶液中硫酸盐存在降低了混凝土的氯离子结合能力,且结合能力随外界硫酸盐


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