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| 西部严酷环境下钢筋砼耐久性试验研究及寿命预测 摘 要 中国西部地区环境恶劣，气候条件复杂，且分布有我国面积最大的盐渍土，使得该地区钢筋混凝土结构的耐久性能劣化较大，服役寿命明显低于全国其它地区。近年来，在国家“一带一路”战略的推动下，我国西部地区迎来了新一轮的建设高潮，研究该地区混凝土结构材料的耐久性能劣化规律并对其进行可靠度寿命预测对该地区工程建设具有重要理论及实际意义。 本文依托国家自然基金“西部盐渍土地区基于硫酸盐腐蚀的混凝土耐久性寿命预测研究”和中铁一勘院科研开发基金“氯盐与硫酸盐强腐蚀环境下兰州地铁结构混凝土耐久性设计研究”， 在调研和查阅资料的基础上，针对西部恶劣的环境和复杂的气候对该地区混凝土结构耐久性能造成的严重破坏，选择影响该地区钢筋混凝土结构耐久性能的关键因素，设计了四种环境条件下的耐久性试验，以三种强度等级的钢筋混凝土试件作为研究对象，揭示其劣化规律及腐蚀机理，选择相对动弹性模量、相对质量、腐蚀电流密度等退化指标，采用Weibull概率分布退化模型对不同环境条件及强度等级的钢筋混凝土可靠度分析及寿命预测，完成以下研究工作并取得相应的成果： 1、将三种强度等级钢筋混凝土试件浸泡在氯盐、硫酸盐、镁盐的耦合盐溶液中，定期对其进行无损检测，得到混凝土试件的相对动弹性模量评价参数、相对质量评价参数，钢筋混凝土试件的极化曲线图、交流阻抗图谱和相应的电化学参数指标，结合腐蚀后钢筋和混凝土的SEM微观图像，研究分析了不同时刻混凝土和钢筋的腐蚀劣化规律和腐蚀机理，并对比不同强度等级试件的腐蚀结果，分析了强度等级对钢筋混凝土抗腐蚀性的影响。 2、采用恒电流加速方法，将三种强度等级的钢筋混凝土试件置于从格尔木腐蚀现场带回来的重盐渍土中进行通电加速，同时考虑试件尺寸对钢筋混凝土破坏结果的影响，试验选用100×100×100mm的立方体和100×100×400的棱柱体两种试件，采用裂缝观测仪和电化学工作站对混凝土表面裂缝开展情况和钢筋腐蚀情况进行观测，得到不同钢筋锈蚀率下极化曲线、交流阻抗图谱及腐蚀电流密度等电化学参数，研究分析了重盐渍土通电加速条件下钢筋混凝土的腐蚀劣化规律。 3、将不同强度等级钢筋混凝土试件置于具有典型盐渍土特性的青海省格尔木地区，采用无损检测手段，通过相对动弹性模量评价参数、相对质量评价参数、钢筋未锈蚀评价参数及同时考虑钢筋和混凝土劣化的综合损伤评价参数对现场暴露环境下钢筋混凝土劣化规律进行了分析，结合SEM微观图像，分析了钢筋混凝土的劣化机理，对比了不同强度等级试件的抗侵蚀能力。 4、从现场暴露的实际环境和气候特点出发，设计了模拟混凝土实际服役环境的室内大循环试验，利用相对动弹性模量评价参数、相对质量评价参数及综合损伤评价参数，对混凝土在干湿-冻融-盐溶液腐蚀-紫外线辐射多因素作用条件下的耐久性能劣化规律进行了分析。 5、基于钢筋混凝土试件的耐久性退化指标，采用Weibull概率分布退化模型，得到了不同环境条件下钢筋混凝土的可靠度曲线，分析了不同时刻试件的可靠性，并对不同强度等级试件进行了寿命预测。 关键词：钢筋混凝土；耐久性；腐蚀；电化学；通电加速；现场暴露；室内循环；Weibull分布；寿命预测 目 录 摘 要 I Abstract III 第1章 绪 论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 混凝土结构耐久性现状及进展 3 1.3混凝土材料耐久性现状及进展 4 1.3.1混凝土硫酸盐腐蚀 4 1.3.2 混凝土镁盐腐蚀 8 1.3.3 混凝土冻融循环试验 9 1.4钢筋混凝土耐久性研究进展及现状 10 1.4.1 混凝土中钢筋腐蚀机理 11 1.4.2 钢筋的钝化与去钝化 13 1.4.3 氯离子环境下钢筋锈蚀 13 1.5 混凝土耐久性寿命预测及可靠性评价 14 1.5.1 混凝土耐久性寿命预测及可靠性评价问题提出 14 1.5.2 混凝土耐久性寿命预测及可靠性评价研究现状 15 1.6 研究思路与内容方法 17 1.6.1 研究方法及内容 17 1.6.2 技术路线 18 第2章 原材料和试验方案 20 2.1 试验用原材料 20 2.1.1 水泥 20 2.1.2 矿物掺和料 20 2.1.3 粗骨料 20 2.1.4 细集料 21 2.1.5 外加剂 21 2.1.6 水 21 2.1.7 钢筋 22 2.2 配合比设计 22 2.3 混凝土试件物理性能 22 2.3.1 试件成型与养护 22 2.3.2 基本物理力学性能 22 2.4 试验方案设计 23 2.5 钢筋混凝土耐久性评价指标设计 29 2.5.1 混凝土耐久性评价指标 29 2.5.2 钢筋混凝土耐久性评价指标 31 2.5.3 钢筋混凝土微观试验 33 第3章 耦合盐溶液浸泡环境下钢筋混凝土耐腐蚀性试验研究 34 3.1 耦合盐溶液浸泡环境下混凝土腐蚀劣化结果分析 34 3.1.1 A溶液下不同强度混凝土腐蚀性劣化结果分析 34 3.1.2 B溶液下不同强度混凝土腐蚀性劣化结果分析 36 3.1.3 C溶液下不同强度混凝土腐蚀性劣化结果分析 38 3.1.4 D溶液下不同强度混凝土腐蚀性劣化结果分析 40 3.1.5 耦合盐溶液浸泡环境下混凝土腐蚀微观机理分析 41 3.2耦合盐溶液浸泡环境下钢筋混凝土腐蚀劣化结果分析 45 3.2.1 电化学理论基础 45 3.2.2 A溶液下不同强度钢筋混凝土腐蚀性劣化结果分析 48 3.2.3 B溶液下不同强度钢筋混凝土腐蚀性劣化结果分析 51 3.2.4 C溶液下不同强度钢筋混凝土腐蚀性劣化结果分析 53 3.2.5 D溶液下不同强度钢筋混凝土腐蚀性劣化结果分析 56 3.2.6耦合盐溶液浸泡环境下钢筋腐蚀微观机理分析 59 3.3 本章小结 62 第4章 室内盐渍土中通电加速环境下钢筋混凝土耐久性研究 64 4.1 立方体钢筋混凝土试件通电加速试验结果分析 64 4.1.1 钢筋混凝土试件宏观形貌分析 64 4.1.2 钢筋混凝土试件电化学结果分析 66 4.1.3 钢筋混凝土试件腐蚀微观分析 68 4.2 棱柱体钢筋混凝土试件通电加速试验研究 70 4.2.1 钢筋混凝土试件宏观形貌分析 70 4.2.2钢筋混凝土试件电化学分析 71 4.2.3 钢筋混凝土试件腐蚀微观分析 74 4.3 通电加速腐蚀机理 75 4.4 试件尺寸对通电加速试验影响结果分析 76 4.4.1 试件尺寸对混凝土裂缝宽度影响结果分析 76 4.4.2 试件尺寸对钢筋腐蚀影响结果分析 77 4.5 本章小结 78 第5章 多因素耦合作用下钢筋混凝土耐久性试验研究 79 5.1 格尔木现场暴露环境下钢筋混凝土耐久性试验结果分析 79 5.1.1 钢筋混凝土耐久性评价指标分析 79 5.1.2 钢筋混凝土SEM扫描电镜分析 83 5.2 室内大循环试验结果分析 84 5.2.1 表面腐蚀形态分析 84 5.2.2 混凝土耐久性评价指标分析 85 5.3本章小结 88 第6章 基于Weibull分布的钢筋混凝土可靠度寿命预测 89 6.1 Weibull理论 89 6.2 寿命预测结果分析 90 6.2.1 室内耦合盐溶液浸泡环境下寿命预测 90 6.2.2 格尔木现场暴露环境下寿命预测 92 6.2.3 室内大循环下寿命预测 93 6.3 本章小结 94 结论与展望 96 结论 96 展望 97 参 考 文 献 99 致 谢 104 |
