海洋環(huán)境鋼筋混凝土受彎構件的耐久性與壽命預測.pdf

1、當今世界各國均面臨著海工混凝土耐久性不良的嚴重問題，政府不得不付出大量的“人力物力財力”來維護或加固工程，造成的經濟損失巨大，因此研究海洋環(huán)境銹蝕混凝土構件的耐久性評估和壽命預測方法，具有重要的社會意義和工程應用價值。本文以海洋區(qū)域環(huán)境下腐蝕混凝土和銹蝕混凝土構件為研究對象，通過對我國沿海地區(qū)的海工混凝土實地調查分析和耐久性試驗研究，重點探討海洋浪濺區(qū)、水下區(qū)、潮汐區(qū)和鹽霧區(qū)等混凝土耐久性損傷失效過程及其規(guī)律，深入分析海工混凝土的損傷劣

2、化過程與劣化機理，包括氯離子擴散規(guī)律，混凝土的相對動彈性模量變化、混凝土損傷劣化等規(guī)律，混凝土在海水腐蝕、干濕循環(huán)等作用下的耐久性評估，最終建立海洋環(huán)境下銹蝕鋼筋混凝土構件的耐久性預測模型，研究成果可為海洋混凝土結構工程的安全性和耐久性評估提供較重要的依據(jù)，為最終實現(xiàn)海工混凝土結構的耐久性設計奠定基礎。本文的主要研究內容與結果如下：
　　 第一章綜述了海工混凝土耐久性與使用壽命預測方法的研究意義和國內外研究動態(tài)以及研究進展，指出

3、了當前研究中存在的問題，在此基礎上確定了本文的研究方案和研究內容。
　　 第二章首先針對氯離子對海工混凝土結構的危害，分析了海工混凝土或海工混凝土結構在我國南北方沿海地區(qū)的耐久性和服役壽命，然后探索了海工混凝土中鋼筋銹蝕的基本條件，機理及其影響因素；最后探討了海工混凝土在大氣區(qū)、水下區(qū)、鹽霧區(qū)、潮汐區(qū)與浪濺區(qū)的劣化機制；從而為建立與使用環(huán)境相適應的海工混凝土使用壽命預測模型奠定了基礎。
　　 第三章初步優(yōu)選了幾種摻加礦物

4、摻合料混凝土的配合比，試驗研究了普通混凝土、高性能混凝土、礦物摻合料混凝土等的制備方法和基本性能。為了研究混凝土材料和鋼筋混凝土構件在海洋水下區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)、大氣區(qū)以及浪濺區(qū)等海洋區(qū)域環(huán)境中的耐久性異同，重點設計了海工混凝土耐久性的現(xiàn)場暴露試驗和實驗室模擬試驗，包括：(1)混凝土材料在海洋環(huán)境中的暴露試驗及室內常溫海水浸泡的腐蝕試驗；(2)鋼筋混凝土構件海洋環(huán)境中的暴露試驗及室內模擬海洋環(huán)境的加速試驗。
　　 第四章模擬海洋

5、水下區(qū)、潮汐區(qū)、鹽霧區(qū)和鹽霧碳化區(qū)，在實驗室進行了混凝土材料與鋼筋混凝土構件的腐蝕損傷對比試驗，并結合現(xiàn)場海洋環(huán)境鋼筋混凝土構件的非破損檢測和對比分析，測定了混凝土的相對動彈性模量和質量損失率，同時觀測了試件的外觀剝落表征情況，研究了海工混凝土的損傷規(guī)律與劣化特性；最后探討了混凝土材料和混凝土構件的損傷對比。
　　 第五章主要在現(xiàn)場暴露試驗和實驗室模擬試驗的基礎上，分別測定了混凝土試件不同深度的總氯離子濃度和自由氯離子濃度，深入

6、研究了普通混凝土、高性能混凝土、摻礦物摻合料混凝土在海洋大氣區(qū)、水下區(qū)、潮汐區(qū)和浪濺區(qū)等海洋區(qū)域環(huán)境中混凝土的Cl-擴散規(guī)律，然后針對不同海洋區(qū)域環(huán)境和不同混凝土種類，探討了海工混凝土的氯離子擴散特性。
　　 第六章以銹蝕鋼筋混凝土構件為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場海洋區(qū)域環(huán)境自然暴露法和實驗室加速腐蝕法，對銹蝕后鋼筋混凝土構件的彎曲承載能力試驗結果和破壞形態(tài)進行了詳盡的分析與探討；同時建立了基于海洋區(qū)域環(huán)境的鋼筋銹蝕率的分析模型，討論了

7、礦物摻合料摻量及混凝土強度對鋼筋銹蝕率的影響，給出了鋼筋銹蝕率與鋼筋表面氯離子含量的關系；最后綜合考慮鋼筋銹蝕率對混凝土構件中鋼筋性能和鋼筋與混凝土粘結性能的影響，在現(xiàn)行結構設計規(guī)范基礎上提出了銹蝕鋼筋混凝土構件的抗彎承載力評估模型，并與試驗結果進行對比驗證，結果表明本文提出的銹蝕鋼筋混凝土構件的承載力計算評估模型與試驗結果有很好的一致性，證明本文建立的評估模型具有較高的使用價值，可以將該模型應用于實際海洋混凝土結構工程中。
　　

8、 第七章基于改進的Tuutti模型，分析了海工混凝土結構的破壞過程與使用壽命的定義，研究了基于氯離子侵入的銹蝕海工混凝土構件的2個階段的使用壽命預測方法，兩者相加即為最終的使用壽命。(1)第一階段：考慮混凝土在海洋Cl-環(huán)境使用過程中氯離子擴散系數(shù)及其時間依賴性，氯離子結合能力、臨界氯離子濃度、混凝土內部初始氯離子濃度和混凝土氯離子擴散性能的劣化效應系數(shù)的影響，本文引用了改進的壽命計算模型評估第一階段壽命。(2)第二階段：假定壽命為鋼

9、筋銹蝕率達到5％經歷的時間，這期間因鋼筋銹蝕而導致抗彎承載能力下降，致使銹蝕鋼筋混凝土的抗彎承載力小于彎矩設計值而失效。當鋼筋銹蝕率超過5％時，混凝土與鋼筋的粘結力大幅度減少，混凝土結構的耐久性失效，即為海工混凝土第二階段的耐久性壽命終結標志。最后根據(jù)混凝土結構可靠度設計統(tǒng)一標準，初步提出了基于可靠度理論的銹蝕海工混凝土壽命預測模型，并指出可靠度模型的有效性與問題。結果表明，無論是在海洋潮汐區(qū)、浪濺區(qū)還是水下區(qū)中，F(xiàn)20C70混凝土構件