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混凝土结构中的氯离子侵入与寿命预测

作　者: 范宏
导　师: 赵铁军；F H Wittmann
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 氯离子扩散系数衰减指数微观结构寿命预测
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

氯离子侵蚀是导致混凝土结构发生耐久性破坏的最主要原因,对氯离子扩散性能的研究是目前国内外研究的重点问题。本文基于使用环境,针对长期暴露混凝土结构的氯离子侵入性能,在以下几个方面做了探索性和创新性研究工作:（1）对青岛市现存钢筋混凝土结构的耐久性状况进行了调查,对暴露环境和混凝土结构耐久性能进行了分析。结果表明,引起钢筋混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维护的各个环节。在结构使用过程中,未进行合理维护所造成的结构耐久性降低是不容忽视的。（2）通过对典型工程钻芯取样和实验室化学分析,对氯离子环境下混凝土结构由于材料因素和环境因素导致的耐久性不足的原因进行了分析和讨论。研究表明,实际暴露混凝土中氯离子的分布存在不同形态;表面氯离子浓度差异较大,由氯离子浓度曲线外推得到的理论上的表面氯离子浓度比较稳定;局部环境对氯离子侵入有十分显著的影响;经过二十多年时间暴露的普通硅酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数在10^-13m²/s数量级;氯离子的扩散性能在混凝土表层和内部存在明显差异。（3）海洋环境下,混凝土碳化十分有限,混凝土的碳化区以部分碳化区为主。处在浪溅区和潮汐区长期暴露的混凝土结构,混凝土表层发生碳化的深度不超过12mm,虽然化学分析表明存在钙的溶出,但混凝土碳化和表层盐结晶堵塞了混凝土表面区域的毛细孔,使混凝土表层的孔隙率减小,对氯离子的侵入有阻碍作用。（4）采用氯离子分布曲线法、自然浸泡法、RCM法、自然扩散室等方法对实际混凝土结构和实验室混凝土的氯离子扩散性能进行了评价。RCM法得到的扩散系数比较高,扩散室法与自然浸泡试验的结果比较接近和适中,氯离子分布曲线拟合法得到的扩散系数最低,与RCM法得到的结果相差在十倍以上,且低于对比试验和海边暴露试验的数值。在海洋浪溅区,长期暴露的普通硅酸盐水泥混凝土氯离子扩散系数的衰减指数α为0.525,该指数不仅受水化作用控制,而且受环境因素的影响。（5）以不同试验方法获得的氯离子扩散系数对混凝土结构进行寿命预测,得到的结果有显著差异;实验室混凝土和实际暴露混凝土的氯离子扩散系数衰减指数差异明显;对氯离子扩散系数的衰减进行评价时,不仅应考虑水化因子还应考虑环境因子;氯离子扩散在空间上可划分为对流区和扩散区进行评价。（6）探讨了氯离子环境下混凝土结构耐久寿命影响因素的概率分布特征,分析了耐久可靠性的发展规律。建立了考虑氯离子扩散系数空间差异性和时间依赖性的基于可靠度的寿命预测模型。通过具体的算例和与其它模型的比较,阐述了这一方法的有效性和实用性。本文通过实验室试验、现场暴露试验和长期暴露的混凝土结构钻芯取样对氯离子在混凝土结构中的扩散性能进行了评价;研究了不同因素对氯离子侵入的影响;建立了实验室耐久性指标与实际暴露结构性能指标之间的定量关系;建立了考虑氯离子扩散系数时间、空间依赖性的基于可靠度的寿命预测模型,为氯离子环境下混凝土结构的耐久性设计提供了理论基础和具体方法。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-38
  1.1 课题研究的背景和意义  10-13
  1.2 氯离子环境下的钢筋锈蚀机理  13-15
  1.3 氯离子环境下混凝土结构寿命预测现状与存在的问题  15-27
    1.3.1 基于氯离子渗透的混凝土结构寿命预测模型  17-23
    1.3.2 模型应用中的几个问题  23-27
  1.4 氯离子扩散性能  27-30
    1.4.1 试验方法  27-29
    1.4.2 氯离子扩散系数衰减  29-30
  1.5 本文研究特色、内容与措施  30-33
    1.5.1 研究特色  30-31
    1.5.2 研究内容  31-32
    1.5.3 研究措施  32-33
  参考文献  33-38
第二章青岛地区钢筋混凝土结构的耐久性状况  38-52
  2.1 青岛及其环境、气候特征  38-40
  2.2 钢筋混凝土结构的发展状况  40-44
  2.3 耐久性状况  44-46
    2.3.1 公共建筑、住宅  44
    2.3.2 海港工程  44-45
    2.3.3 工业建筑  45
    2.3.4 桥梁工程  45-46
  2.4 某栈桥的建造、维修历史  46-51
    2.4.1 栈桥的历次破坏和建造、维修  46-48
    2.4.2 破坏原因分析  48-51
  2.5 本章小结  51
  参考文献  51-52
第三章混凝土中的氯离子侵入分析  52-82
  3.1 试验概述  52-60
    3.1.1 实际结构钻芯取样  52-55
    3.1.2 试件制作与试验  55-57
    3.1.3 氯离子浓度测试方法  57-60
  3.2 混凝土中的氯离子分布  60-65
    3.2.1 码头混凝土  60-62
    3.2.2 挡浪坝和扭工字块混凝土  62-63
    3.2.3 实验室和海边暴露的混凝土试块  63-65
  3.3 氯离子分布的拟合  65-69
    3.3.1 氯离子分布的拟合方法  65-68
    3.3.2 氯离子分布的拟合结果  68-69
  3.4 结果分析  69-78
    3.4.1 初始氯离子含量  69-70
    3.4.2 表面氯离子浓度  70-74
    3.4.3 表观扩散系数  74-76
    3.4.4 局部环境对氯离子分布的影响  76-78
  3.5 本章小结  78
  参考文献  78-82
第四章混凝土的碳化与钙的溶出对氯离子侵入的影响  82-114
  4.1 混凝土碳化与试验方法  82-89
    4.1.1 混凝土碳化机理  83-84
    4.1.2 混凝土的部分碳化区  84-86
    4.1.3 混凝土中碳酸钙含量测量  86-87
    4.1.4 混凝土中氢氧化钙含量测量  87
    4.1.5 X-衍射试验  87
    4.1.6 压汞试验  87-89
  4.2 结果与分析  89-103
    4.2.1 碳酸钙的含量  89-92
    4.2.2 碳酸钙与氢氧化钙的关系  92-98
    4.2.3 孔结构变化  98-103
  4.3 混凝土碳化对氯离子侵入的影响  103-110
    4.3.1 碳化的影响  103-108
    4.3.2 钙的溶出、硫酸盐、镁盐的影响  108-110
  4.4 本章小结  110-111
  参考文献  111-114
第五章混凝土的氯离子渗透性能  114-138
  5.1 试验方法  114-119
    5.1.1 毛细吸水试验  114-115
    5.1.2 直流电量法  115-116
    5.1.3 RCM法  116-117
    5.1.4 扩散室法  117-118
    5.1.5 自然浸泡试验  118-119
  5.2 结果与分析  119-129
    5.2.1 混凝土吸水量  119-126
    5.2.2 直流电量法结果  126-127
    5.2.3 RCM测定的氯离子扩散系数  127-128
    5.2.4 扩散室法测定的氯离子扩散系数  128
    5.2.5 自然浸泡试验测定的氯离子扩散系数  128-129
  5.3 几种方法获得的结果比较  129-135
    5.3.1 氯离子扩散系数的评价  129-132
    5.3.2 氯离子扩散性系数的时间依赖性  132-135
  5.4 本章小结  135
  参考文献  135-138
第六章氯离子环境下混凝土结构寿命预测  138-162
  6.1 确定性设计方法  138-148
    6.1.1 氯离子扩散标准模型的应用  138-140
    6.1.2 考虑空间差异的寿命预测  140-143
    6.1.3 考虑时间、空间依赖性的寿命预测  143-145
    6.1.4 几个关键问题  145-148
  6.2 影响因素的概率特性  148-153
    6.2.1 混凝土保护层厚度  148-149
    6.2.2 氯离子扩散系数  149-150
    6.2.3 氯离子临界浓度  150-152
    6.2.4 表面氯离子浓度  152
    6.2.5 氯离子扩散系数的衰减指数  152-153
  6.3 氯离子侵蚀耐久寿命的概率分布特征  153-155
  6.4 基于规定可靠指标的氯离子侵蚀耐久寿命预测  155-158
    6.4.1 氯离子侵蚀耐久极限状态  155
    6.4.2 氯离子侵蚀耐久性失效模式  155-156
    6.4.3 氯离子侵蚀耐久可靠指标计算  156-157
    6.4.4 与其它寿命预测模型的比较  157-158
  6.5 本章小结  158-159
  参考文献  159-162
第七章结论与展望  162-166
  7.1 本文研究内容总结  162-163
  7.2 值得进一步研究的问题  163-166
致谢  166-168
攻读博士学位期间发表的论文和参与的科研项目  168-169

混凝土结构中的氯离子侵入与寿命预测

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