多重環(huán)境時(shí)間相似理論及其在沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性中的應(yīng)用.pdf

1、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題是當(dāng)今工程界所普遍關(guān)注的問題，它不僅關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)維護(hù)與再建成本的控制，而且與節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。本文對多重環(huán)境時(shí)間相似理論(Multi-Environmental Time Similaritytheory, METS)及其在沿海混凝土結(jié)構(gòu)耐久性中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。多重環(huán)境時(shí)間相似理論通過引入與研究對象具有相似環(huán)境條件且具有一定服役年限的第三方參照物，可以解決室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境之

2、間的相似性問題，為通過室內(nèi)試驗(yàn)對現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性壽命預(yù)測和評(píng)估奠定了理論基礎(chǔ)。文中詳細(xì)分析了METS方法在沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性中的應(yīng)用，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境層次的研究邁出了關(guān)鍵的一步。 具體研究內(nèi)容如下： 1.以經(jīng)典的相似理論為基礎(chǔ)，通過引入與研究對象服役環(huán)境相同或相似的參照物作為聯(lián)系現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)的橋梁，提出了多重環(huán)境時(shí)間相似理論。METS理論根據(jù)室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測試驗(yàn)的結(jié)果，建立室內(nèi)加速模

3、擬環(huán)境與現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境之間的時(shí)間相似關(guān)系，從而利用室內(nèi)加速試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的預(yù)測與評(píng)估。通過對沿海混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素的分析，對METS方法在沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測與評(píng)估的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了研究。 2.進(jìn)行了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)METS方法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究。對METS方法中第三方參照物的現(xiàn)場檢測試驗(yàn)、研究對象的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)、二者對應(yīng)混凝土試件的室內(nèi)人工氣候模擬加速試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。為METS方法在實(shí)

4、際工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 3.通過現(xiàn)場實(shí)測與室內(nèi)加速試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境分區(qū)氯離子在混凝土侵蝕程度不同，并呈現(xiàn)潮差區(qū)最嚴(yán)重，浪濺區(qū)次之，大氣區(qū)在不同深度的氯離子含量和侵蝕深度均比干濕交替區(qū)域低很多，說明室內(nèi)人工加速模擬的試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境具有一定的相似性。 4.研究了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨表面氯離子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)室內(nèi)加速試驗(yàn)結(jié)果，建立了不同環(huán)境分區(qū)(水下區(qū)、干濕交替區(qū)、大氣區(qū))混凝土?xí)r間衰減系數(shù)n與混凝土

5、材料組成之間的關(guān)系式，該關(guān)系式表達(dá)形式簡單，使用方便，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。根據(jù)本文建立的時(shí)間衰減系數(shù)關(guān)系式，對室內(nèi)加速和現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相似性進(jìn)行了研究，得出不同環(huán)境分區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相似率。利用Boltzmann變量，擬合得到在對流區(qū)深度處的氯離子濃度，并以此作為氯離子擴(kuò)散的起點(diǎn)，建立了室內(nèi)加速環(huán)境與現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境中表面氯離子濃度隨時(shí)間的累積關(guān)系，得出不同環(huán)境分區(qū)表面氯離子濃度基于室內(nèi)環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境的相似率。 5.

6、基于METS方法，利用氯離子擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度的相似率和室內(nèi)加速試驗(yàn)的結(jié)果，以距混凝土表面深度60mm處的水溶性氯離子含量0.05％(相對混凝土質(zhì)量的百分比)為參照對象，考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度的時(shí)變效應(yīng)，通過數(shù)值模擬的方法得到了室內(nèi)加速環(huán)境在不同環(huán)境分區(qū)相對現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境的時(shí)間相似率。 6.基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)的METS方法，對杭州灣跨海大橋?qū)嶋H工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了壽命預(yù)測。根據(jù)METS方法，利用現(xiàn)場檢

7、測試驗(yàn)、室內(nèi)加速試驗(yàn)、現(xiàn)場暴露試驗(yàn)的檢測結(jié)果建立了不同環(huán)境之間氯離子擴(kuò)散的相似關(guān)系，用數(shù)值模擬方法分析了氯離子對杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的侵蝕過程并進(jìn)行了壽命預(yù)測，預(yù)測過程中考慮了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與表面氯離子濃度的時(shí)變性，更加接近混凝土的實(shí)際退化機(jī)理，預(yù)測結(jié)果合理、可信、有說服力。 本文得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題“氯鹽侵蝕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與評(píng)估基礎(chǔ)理論研究”(50538070)、國家高技術(shù)研究發(fā)展“863計(jì)劃課